表面式间接空冷散热器换热特性的数值研究

点击：1865 日期：[ 2014-04-26 22:00:14 ]

表面式间接空冷散热器换热特性的数值研究石磊1,　石诚2,　李少宁3,　武楠3 (1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044; 2.中国电力工程顾问集团公司,北京100011; 3.中国华电工程(集团)有限公司,北京100048) 摘要:利用计算传热学软件Fluent,对自然通风状态下某间接空冷塔内布置的表面式空冷散热器的流动和换热性能进行了数值模拟和分析,并将间接空冷散热器考核工况下的模拟结果与设计点进行了比较.结果表明:在3 m/s环境风速下,空冷塔散热器的换热量为设计工况下的95.6%; 环境风对空冷塔的出流产生压制作用.数值模拟结果还需进一步进行试验验证和工程检验;考虑到空冷塔间的相互影响,在获得厂区布置图后,还需对其进行更加详细的数值研究.采用数值模拟的方法可为间接空冷系统的优化设计提供帮助. 关键词:空冷塔;间接空冷散热器;自然通风;数值模拟;优化设计 20世纪30年代,空冷技术开始投入商业运行, 它可分为直接空冷和间接空冷.间接空冷系统又可分为采用表面式凝汽器的间接空冷系统(即表面式间接空冷,又称哈蒙式间接空冷)和采用混合式凝汽器的间接空冷系统(即混合式间接空冷,又称海勒式间接空冷).目前,最大的采用表面式凝汽器的间接空冷机组是位于南非的肯达尔(Kendal)电站,单机容量达686 MW;最大的采用混合式凝汽器的间接空冷机组单机容量达到325 MW,应用于伊朗的 Shazand Arak电站;最大的直接空冷机组单机容量达到665 MW,应用于南非马丁巴(Matimba)电站. 在2003年前后,我国大型电站空冷项目全面启动, 截至到2007年3月,已投产和正在建设的空冷机组有110个,总装机容量达59 GW,其中绝大多数采用直接空冷技术,而间接空冷项目较少. 空冷系统设计的优劣关系到投产后火电厂的安全运行和经济效益.空冷系统的关键问题是夏季安全渡夏、保证满发和冬季防止空冷散热器的冻结.虽然增加空冷散热器换热面积对保证夏季汽轮机满发有利,但对冬季防止空冷散热器冻结却不利.为评估环境风对直接空冷散热器换热性能的影响,保证机组夏季满发,防止因热风回流引起的直接空冷机组跳闸事故的发生,国内外学者进行了诸多研究[1-3]. 目前,国内在间接空冷方面的研究尚不多见.张晓东采用Phoenics软件对内蒙丰镇电厂的海勒式空冷系统进行了数值模拟[4,5];唐革风等对横向风下空冷塔的三维湍流流场及温度场进行了数值模拟[6]; 杨立军等对海勒式间接空冷散热器的运行特性进行了数值模拟[7]. 上述对间接空冷塔的研究均局限于混合式间接空冷系统,该系统的空冷散热器都在空冷塔外四周呈垂直布置;而对于塔内水平布置的表面式间接空冷散热器空气侧流动和传热系统的数值研究尚未见诸报导.笔者对阳泉煤业(集团)有限责任公司3×135 MW煤矸石综合利用项目塔内布置的表面式间接空冷散热器流动和传热情况进行了数值研究. 1　表面式间接空冷系统 1.1　表面式间接空冷系统的工作原理和特点表面式间接空冷系统的工作原理为:循环冷却水在表面式凝汽器内通过金属表面与汽轮机排汽换热,以冷却汽侧排汽;受热后的循环水由循环水泵送至空冷塔,在空冷散热器内通过金属壁面与空气进行热交换,被空气冷却后的循环水再返回凝汽器继续冷却汽轮机排汽.间接空冷的冷却水系统构成1 个闭式循环.表面式间接空冷系统主要由表面式凝汽器和空冷塔构成.一般间接空冷散热器由外表面镀锌的椭圆钢管钢翅片管束组成,在空冷塔内呈水平环形布置(图1). 表面式间接空冷系统的优点是:节约厂用电,设备少;冷却水系统与汽水系统分开,两者水质可按各自要求控制;冷却水量可根据季节调整,在高寒地区,冷却水系统中可以充入防冻液防冻.其缺点是: 占地面积大,基建投资多;系统需2次换热,而且均为表面式换热,导致电厂效率有所降低. 1.2　间接空冷换热元件间接空冷散热器供货商包括德国亿吉埃(EGI) 冷却系统贸易(北京)有限公司、哈尔滨空调股份有限公司、山西捷益热能设备有限公司、美国斯必克斯 (SPX)冷却技术(北京)有限公司等.针对各自的系统形式,各厂商的散热器布置形式和换热元件有所不同.目前,虽然间接空冷的系统形式和散热器布置方式出现了一些新的变化,但用于间接空冷系统的换热元件仍主要有以下3种. (1)哈尔滨空调/EGI:海勒-福哥(Heller-For- go) T60型翅片管为圆形铝管铝翅片,采用6排管、双流程布置,用于混合式间接空冷系统.基管尺寸为 (18×0.75) mm,翅片厚度为0.3 mm.每片冷却元件规格为(4 825×2 400×150) mm,每6片冷却元件组成1个冷却三角,冷却三角高约15 m. (2)山西捷益:翅片管为椭圆钢管套钢翅片.翅片基管/翅片材质分别为钢制ST37/ST2 (按 DIN626标准).基管尺寸为(36×14) mm,翅片特征尺寸为(55×26) mm.管束尺寸为(15.5×2.495) m;采用2排管、单流程,用于表面式间接空冷系统. (3) SPX公司:翅片管为椭圆钢管绕钢翅片,基管尺寸为(36×14×1.5) mm,翅片特征尺寸为 (55.6×33.6) mm,翅片间距为2.5 mm,管束尺寸为(15×3) m;采用的翅片管为4排管、双流程,用于表面式间接空冷系统. 2　模型的建立根据技术协议,阳泉煤业(集团)有限责任公司煤矸石综合利用电厂的容量为3×135 MW;工程由河北省电力勘测设计研究院(简称HBED)负责总体设计,采用3×135 MW抽凝式间接空冷发电机组;汽轮机排汽冷凝系统采用表面式间接空冷系统, 山西捷益热能设备有限公司提供表面式空冷散热器. 2.1　气象条件阳泉煤业(集团)有限责任公司煤矿石综合利用电厂位于山西省平定县境内,距阳泉市东南侧约18 km,现场标高750m(1985国家高程基准).该地区处于欧亚大陆东部中纬度地带,属于大陆性季风气候,四季分明.冬季寒冷干燥;夏季炎热多雨;春季雨雪较少,蒸发量大;秋季凉爽. 根据气象站的资料,多年平均气压为930.4 hPa,多年极端最高气温为39.6℃,多年极端最低气温为-17.6℃,多年平均相对湿度为55%.采用实测自记风速系列计算30年和50年一遇10 m高处10 min最大设计风速分别为24.2 m/s和24.8 m/s.根据风向玫瑰图,该地区全年、冬季和夏季主导风向分别为全年WNW,冬季WNW,夏季NNE 和NE.根据统计数据,多年平均风速约为2.4 m/s, 平均风速不超过3.0 m/s. 2.2　汽轮机的典型运行工况间接空冷汽轮机典型运行工况(即空冷系统性能的考核点、考查点或保证点)参数示于表1.主要性能考核点为工况4,即在夏季空气干球温度为32 ℃,应保证汽轮机排汽口处背压不大于28.5 kPa, 满足汽轮机满发条件.汽轮机工况1、工况2和工况 3作为一般考查点或保证点. 2.3　空冷散热器的基本参数间接空冷散热器由小管径的双排椭圆翅片管管束、分配管、管束上下联箱以及支撑管束的钢构架等组成.翅片管由高速冲套片机冲制翅片并套在基管上而制成,钢表面采用热浸镀锌防腐处理,翅片管组成散热器管束.每2个散热器管束组装成1个冷却三角形,2管束间夹角为60°.空冷散热器总散热面积约为409 412 m2,在塔内呈环形布置,其圆环内径约为19 m.为防止气流短路,从地面至进风高度的圆环内径处,由彩钢板包围.空冷散热器进风高度为 13 m,底部进风处装有百叶窗,可通过执行器调整百叶窗开度.相对于地面,空冷塔各标高处的直径示于表2. 根据文献[8][9],在不同迎面风速v下,间冷空冷散热器的阻力ΔP和传热系数K分别为：在考核工况下,间接空冷散热器迎风面风速为1.65m/s,间接空冷散热器对空气的流动阻力约为 25.19 Pa,平均传热系数约为37.32 W/(m2·K).由于空冷技术协议未对考核工况下的环境风速作出具体规定,笔者假定在静风状态下满足设计条件,并对单个空冷塔进行了详细数值研究. 2.4　数值模型建立间接空冷塔的稳态数值模型,考虑了由于温度变化而导致空气密度的变化和浮升力的影响.间接空冷散热器流动和传热数学模型的控制方程参见文献[10].根据物理模型,确定间接空冷塔的数值模型.整个计算区域为(-300,-250,0)m到(300, 250,400) m.数值模拟计算机为HP工作站 XW8200,3.6 GHz主频,8G内存.为了满足计算精度和时间要求,确保网格质量,通过采用不同的网格数目进行模拟计算,并检验计算结果的网格无关性.最终确定总的网格数为3 825 083;地面为固体壁面边界条件.环境风速作为外部影响因素采用速度入口边界条件,选用幂指数风速廓线计算公式.幂指数与地面粗糙度和大气稳定度有关.根据当地气象条件和地面状况,本计算取为0.2,并据此编写入口边界条件的用户自定义函数(UDF)程序,计算区域的其他边界取为压力出口.间接空冷散热器流动和传热性能均采用散热器模型进行模拟. 3　结果与分析当环境为静风状态时,间接空冷散热器依靠自然通风进行换热,空气的压力场、速度场和温度场沿 x=0、y=0平面对称分布.图2为y=0的剖面空气压力云图和温度云图.在空冷塔进风口处一定高度内,靠近混凝土周边壁面处的空气出现负压回流现象,形成局部流动死区;由于空气流速较低以及热风回流,造成该区域空气温度较高.随着高度的增加, 空冷塔直径减小,空冷塔断面平均风速不断提高,出口平均风速可达8.8 m/s.从进风口高度和空冷塔出口高度的速度和静温云图可知:沿空冷塔径向,风速不断减慢,而风温却不断升高. 图 2 静风状态下y=0剖面空气的静压和温度云图 Fig.2　Contours of static pressure and temperature of air aty=0 section under windless condition 图3为在3 m/s环境风速下,空冷塔的速度云图和温度云图.从图3可看出,在空冷塔的迎风面, 压力升高,而背风面则压力降低.这表明环境风对空冷塔出流产生了压制作用.空冷塔入口的横向风产生剪切效应,造成塔内迎风面侧的空气负压回流范围进一步增大.空冷塔迎风面侧空气的平均流速降低,平均风温升高;而背风面侧空气的平均流速升高,平均风温降低. 在静风状态下,空冷散热器的换热量为206.3 MW,略高于设计值.在1~3 m/s内的环境风速对空冷塔换热能力的影响不大;在3 m/s环境风速下, 空冷散热器的换热量为196.1 MW,与在静风状态低,平均风温升高;而背风面侧空气的平均流速升高,平均风温降低. 在静风状态下,空冷散热器的换热量为206.3 MW,略高于设计值.在1~3 m/s内的环境风速对空冷塔换热能力的影响不大;在3 m/s环境风速下, 空冷散热器的换热量为196.1 MW,与在静风状态下散热量相比,换热量降低约为4.94%,而在4.5 m/s环境风速下,换热量降低约为14.5%.需注意的是:数值模拟是在来流稳定、稳态传热情况下的计算结果,与实际情况存在一定差异.在自然状态下, 一定的环境风速范围内,风向具有随机性的特点,某方向上的来流状态参数难以持续和稳定.数值计算结果还需进行风洞试验和现场实测数据的验证. 图3　3 m/s环境风速下y=0剖面空气的速度云图和温度云图 Fig.3　Contours of velocity and temperature of air aty=0 section under 3 m/s of the environmental wind 4　结束语笔者对在空冷塔内布置的表面式间接空冷散热器流动和换热性能进行了数值研究.在间接空冷散热器考核工况下的模拟结果与设计点基本一致.经过验证的数值模型可用于在不同环境风速下对空冷散热器性能的研究.根据模拟结果:在3 m/s环境风速下,空冷散热器的换热量为设计工况下换热量的 95.6%.数值模拟结果还需进一步进行试验验证和工程检验.在获得厂区布置图及考虑了空冷塔间的相互影响后,还需进行更详细的数值研究. 参考文献: [1]　DUVENHAGE K, KR GER D G. 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