基于cfd的直接空冷机组外部流场数值模拟

基于cfd的直接空冷机组外部流场数值模拟

0外部环境的影响热能发电研究所的空冷机械技术（以下简称空冷技术）是近年来发展最快的工业节水技术之一。该技术使电厂的耗水量节省80%以上,以2×600MW机组为例,年节约水资源将达到1300万吨,可见其节水效果相当显著。而直接空冷机组的运行特点决定了其运行过程必然受到外界环境的影响,外界环境对直接空冷机组的经济性及安全性有极大的影响,这直接制约了直接空冷机组在我国的发展。文中以内蒙古达拉特旗电厂600MW直接空冷机组为例,对其进行数值研究,分析不同环境风对其换热的影响。1数值建模1.1空冷岛的设计整个空冷岛由8×8个空冷凝汽器组成,空冷凝汽器的核心部件是与竖直方向各成30°的单排并列换热器管束组成的A型换热器。A型换热器顶部是蒸汽分配管(直径×厚度=3020mm×11mm,A型下方左右两侧是凝结水收集管,正下方是冷却风机,风机直径为9.144m,并配有高为2.74m的风筒(见图1)。空冷平台的高度为50m,平台下方为43m高、直径4.75m的16根支撑柱;挡风墙高×宽(12.8m×0.2m),挡风墙距凝汽器(即过道)1.2m;空冷岛总高(Z方向)62.8m,总宽(X方向)91.7m,总长(Y方向)92.24m;锅炉房长×宽×高(40m×60m×85m);汽机房长×宽×高(40m×92m×35m)且距空冷岛14m;模型总长×宽×高为(550m×550m×260m)(见图2)。1.2网格无关性验证利用FLUENT自带的网格划分软件对模型进行网格划分(见图3)。为了减少网格数量,采用了分块划分方法,尽量采用结构化网格,对无法用结构化网格的局部采用非结构化网格。局部关键区域进行细化,通过采用不同网格划分,验证了网格无关性。最后得到网格数为170多万。1.3计算模型的建立由于计算区域的高度差较大,因此有必要考虑体积力的作用,本模型的竖直方向为Z轴,在Z方向设定重力加速度。模型下部为壁面,模型上方设为压力出口,当有横向风时设为速度进口以模拟自然环境;模型四周设为速度入口,当有横向风时进风侧为速度入口,出风侧为压力出口;锅炉、汽机房均设为固体边界;凝汽器间由墙体隔开;凝汽器换热管束采用多孔介质边界条件,风机用无限薄的圆面代替,采用风扇入口。1.3.1大气边界层函数文章通过设置不同的风向入口角,来实现不同的环境风向。考虑到平均风速与高度之间关系,利用大气边界层函数即迪肯(Deacon)的幂定律:ui=u0(zi/z0)a(1)式中,z0为气流达到均匀流时的高度;u0为z0处来流平均风速,文中u0取当地气象风速;zi为任意高度;ui为zi处平均风速;a为地面粗糙系数,粗糙度越大a越大,文中取0.16。1.3.2结构方程的修正本模型中的散热器处理为多孔介质,换热管束采用多孔介质边界条件,且属于简单、均匀的多孔介质,需要确定每个方向上的1/α(黏性阻力系数)和C2(惯性阻力系数)。二者计算的关键是找出动量方程中应附加的源项与空气自由流速度的关系,即根据实验测得的散热器阻力性能数据求阻力系数。根据实际测试的翅片散热器阻力特性数据拟合得到阻力与散热器法向速度u之间的关系式(1)考虑多孔介质即散热器的厚度为0.2m,得到散热器法向方向单位长度阻力损失与自由流速度之间的关系为式(2),式(2)对比简化的多孔介质的动量方程(3)可以求出1/α和C2为3375757和24.3,但在数值模拟中发现,空冷凝汽器的迎面风速要比实际空冷凝汽器的迎面风速2.16m/s大,本文为了满足空冷凝汽器迎面风速与实际迎面风速相近,将1/α和C2最终修改为3290000和115。Δp=2.4543u2+13.368u(2)ΔpΔx=12.2715u2+66.84u(3)Si=-(μαui+C212ρ|ui|ui)(4)式中,Si是第i个(x、y或z方向)动量方程中的源项;ρ为流体的密度;μ为流体动力黏性系数;式中1/α为黏性阻力系数;C2是惯性阻力因子;u为速度,i=1,2,3;Δp为压力损失;Δx为散热器厚度。1.4流体动力本构方程该模型是一个包含有风机,多孔换热器和防风网的复杂三维不可压湍流流动过程,文章选用标准k-e方程考虑模型区域的湍流运动。用到的控制方程主要有连续性方程、本构方程、N-S方程、湍流动能方程k、扩散方程e:连续性方程:∂ρ∂t+∇⋅(ρ→v)=0(5)本构方程:τij=2μεij-23μ∇⋅→vΙij(6)N-S方程:ρduidt=ρfi-∂p∂xi+μ∂2ui∂xj∂xj(7)湍流动能方程k:ˉuj∂k∂xj=Ck∂∂xj(k2ε∂k∂xj)-¯ui′uj′∂ˉui∂xj+υ∂2k∂xj∂xj-ε(8)扩散方程e:ˉuj∂ε∂xj=∂∂xj[Cεk2ε∂ε∂xj+υ∂ε∂xj]+Cε1εk(-¯ui′uj′)∂ˉui∂xj-Cε2ε2k(9)其中,ρ为流体密度,kg/m3;→v为速度矢量;τij为应力张量;εij为应变率张量;P为压强;μ为流体动力黏性系数;u为速度,i、j=1,2,3;u′、ˉu分别为瞬时速度、时均速度;Ck=0.225,Cε=0.13,Cε1=1.45,Cε2=1.92。1.5显著风速下5/s风向的选取机组所在地多年平均风速3m/s,大风出现的频率较大。在夏季空气干球温度为32℃,不利风向风速为5m/s。由干球温度≥26℃,瞬时风速≥4m/s各风向出现次数和频率选取出现次数和频率较大的8个风向:W、WNW、WN、NNW、N、E、ESE、SSE,分别对其进行研究(如图4所示)。为了表述方便,首先对64个空冷单元进行编号,用F(i、j)表示对应的空冷单元,i、j分别代表该单元所在的行与列,如图5所示。2计算结果和分析2.1不稳定区域c文章研究的是机组在TRL(考核)工况下空冷岛的换热量,其设计参数为:环境温度32℃、凝结水温度67.7℃、过冷度1℃、排汽热量812.7MW。空冷岛换热量的计算公式如下:Qd=n⋅Qn(10)Qn=D⋅(Τd-Τa)⋅η⋅Cp(11)式中,Qd为空冷岛换热量,MW;Qn为单个空冷凝汽器的换热量,MW;n为空冷岛所含凝汽器的个数;D为单个空冷凝汽器的空气流量,kg/s;Td为凝汽器内蒸汽温度,℃;Ta为环境温度,℃;η为凝汽器换热效率;Cp为空气定压比热,J/(kg·℃)。由于文章主要研究环境风对空冷岛换热量的影响程度,所以可假设空气经过散热器后温度与凝结水温度相同,即假设η=1。其计算还需假设条件:(1)传热系数不变;(2)各流体的流量不变;(3)各流体比热不变;(4)各流体不发生相变;(5)散热损失不计。2.2空冷岛的供热环境文章研究了8个风向下的典型风速0、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、9m/s、11m/s对空冷岛换热效率的影响,得出不同风向、不同风速对空冷岛的换热效率的影响。文中的换热效率等于各个风向下不同风速时计算所得的空冷岛换热量与风速为0时换热量的比值,而不是与实际排汽热量的比值(见图6)。从图中可以看出每种风向对空冷岛换热的影响程度是不同的,其中西风(炉后来风)对本机组的影响最大,称其为最不利风向。从图中可以看出越是偏向西的风对空冷岛的影响程度越大;在发生频率较大的8种风向中越是偏向东的风对空冷岛的换热影响越小,这与雷和平等所写文章中得到的“直接空冷平台的布置,其平台正面应基本对准主导风向,或至少炉后来风避开主导风向”是一致的。其中北风、西北偏西风、西北偏北风在风速达到7m/s左右时,空冷岛的换热效率下降程度较其它风速明显,这与张海新在第三届全国火电厂空冷专题会上提出的“除了炉后来风的影响较大外,从已运行电厂的资料显示,有较大风时,平行于汽机房A列的环境风对空冷机组背压影响也较大”相吻合。导致出现以上结果的主要原因是因为,在不同的环境风向和环境风速下形成的热风回流和倒灌的程度不同。2.2.1热风回流与汽器内部热空气混合关系由于直接空冷凝汽器在换热后,周围的空气温度上升,这种已被加热的空气又被风机再次吸入与散热器换热的现象;或者由于环境风的作用,将上风向热源加热的空气被风机再次吸入并重新参与换热的现象称之为热风回流,热风回流对机组的经济和安全运行极为不利。倒灌是指当环境风速较大时出现的空冷凝汽器内的部分热空气逆向流动与刚入口的冷却空气混合的现象。下面以北风为例,研究风速与热风回流和倒灌的关系。图7中凝汽器的入口温度去风扇平面的平均温度,从图中可以看出当环境风速小于等于3m/s时,几乎没有倒灌现象发生,只有热风回流出现,且当横向风的速度不断增加时,热风再回流的影响越来越大,回流区域由尾部扩大到整个平台,同时回流的温度也越来越高。热风回流主要发生在空冷岛的第1列和第8列,且沿着环境风的方向空冷凝汽器的热风回流程度逐渐加重,此时影响空冷岛换热效率的主导因素是热风回流。随着风速的提高,发生倒灌的空冷凝汽器数量在增加,发生倒灌的空冷凝汽器多为迎风侧的凝汽器,当风速介于3m/s到6m/s之间时,热风回流与倒灌共同影响空冷岛的换热效率。从图中可以看出环境风速大于等于6m/s时空冷岛发生热风回流的空冷凝汽器的数量在随着风速的增大而减少,而发生倒灌的凝汽器数量在逐步增加,此时影响空冷岛换热效率的主导因素为倒灌。2.2.2风机入口采用改造的方法由图4可以看出8种发生频率较高的风向中,对空冷岛换热最不利的风向是西风(炉后风)。由空气动力学知识可知,当自然风从锅炉房和汽机房后方吹来时,热空气在汽机房上部形成一个巨大的尾流区(见图8)。在空冷岛与汽机房相邻的一侧,由于该区域的风机抽吸和汽机房背部形成的涡流区的共同作用,在该区域形成一个局部负压区,使附近空冷散热器排出的部分热风又被抽吸到风机的入口,加之从锅炉后方吹来的风本身要比环境空气的温度高,所以导致该区域的风机入口温度升高较多。同时,当环境风通过锅炉汽机房后,在其后方形成较大的水平涡流区,使得空冷岛下方的流场非常混乱(见图9),风机入口抽风困难。而在空冷岛外侧,大风在空冷岛后部形成一个较强的尾迹回流区并发展成很强的涡流,在空冷岛挡风墙的下风侧也形成水平涡流,进而将热风抽回这一区域的风机入口,使得这一区域的进风口空气温度随之升高。2.2.3空冷凝汽器风机处理压力加当有平行于A列的横向自然风通过空冷平台时,由于遇到锅炉和汽机房以及空冷岛的阻挡,使得环境风的通流面积减小。由流体力学知识可知,通流面积减小时环境风速将增大,尤其在空冷岛与主机房之间的狭小区域环境风速将变得更大。由流体力学知识可知,当风速增加时,周围区域的压力将减小,出现负压区,使得空冷凝汽器风机入口处于负压区,风机的抽风量减小,而且锅炉侧的空冷凝汽器的热风回流将更加严重,空冷凝汽器的换热效率降低。因此在较大的平行风出现时,临近锅炉和汽机房侧的空冷凝汽器的换热效率将大幅度减小,导致整个空冷岛的换热效率降低(见图10)。3空冷岛换效率研究文章较为全面地分析了空冷岛外部流场特性,研究了环境风作用时空冷岛的外部流场的特性及换热效率。分析了环境风速、风向对空冷岛外部流场及换热效率的影响,并对热风回流、倒灌、炉后来风和平行A列的环境风进行了重点研究。通过本文的研究可以得出以下结论:(1)环境横向风对空冷岛外部流场和换热效率的影响非常大,且不同