自然通風直接空冷系統蒸汽分配管阻力特性研究

劉學，李國棟，張瑞穎，侯一晨，陳磊，楊立軍

（1.華電重工股份有限公司，北京 100070；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206）

相對其他類型電站冷端系統，空冷系統在節約水資源方面具有天然優勢。其中，傳統機械通風直接空冷系統具有初期投資低的優點，但存在廠用電率高、噪音大、熱風回流和夏季運行背壓高等問題，不利于機組安全經濟運行。自然通風直接空冷系統結合了直接空冷系統和間接空冷系統的優點，具有安全環保、易于維修和經濟性高的特點，可有效促進電站空冷系統的進一步創新發展[1-2]。

針對傳統電站直接空冷系統的研究較為成熟，但受限于實驗的復雜性，通常采用數值模擬的手段對電站空冷系統的流動換熱性能進行研究[3]。李健等[4]應用灰色差分微增量關聯分析直冷系統，指出通過控制關聯度較高的空冷單元風機轉速來控制機組背壓，能有效達到節能的目的。張貝等[5]在考慮風機集群效應的前提下，提出影響經濟背壓的主要因素是環境溫度。Yang 等人[6]研究了環境風對直接空冷系統的不利影響及其衰減機理，并考慮了熱風回流的影響。He 等人[7]研究了風機入口空氣溫度的分布規律，揭示了其高溫區域形成的機理。Marincowitz[8]和Zhang[9]等人提出了多種形式的擋風墻，用于抑制環境風的不利影響。Venter 等人[10]研究了擋風墻對軸流風機性能的影響機理，并提出了最佳擋風墻高度。Chen 等人[11-12]提出了新型的空冷島布置方式，可有效提高空冷島冷卻性能。Kong等人[13-14]提出了圓形和線形布置的翅片管束對空冷島換熱性能的影響規律。He 等人[15-16]研究了風機轉速和安裝角調整對空冷島流動換熱性能的影響規律。Chen 等人[17]研究了不同風機轉速調節策略對發電效率的影響。王海濤等[18]針對百萬千瓦級核電空冷機組排氣管道流量分配進行了研究，指出核電空冷機組排氣管道的流場特性與火電空冷機組基本一致。崔超等[19]針對自然通風直接空冷系統設計出一種新型傾斜翅片結構，為直接空冷系統布局優化提供了新的技術途徑。李開建等[20]對塔式直接空冷系統的可行性進行了分析，與傳統直接空冷、間冷系統相比，可有效提高經濟效益。楊照[2]和王軍亮[21]均對自然通風直冷塔冬季防凍問題進行了研究，提出啟動、運行和停運3 個方面的防凍措施。劉志云等[22]采用多孔介質簡化模型分析了側向風對自然通風直冷塔性能的影響，指出迎風側底部的漩渦區會減少空冷塔入口處的流體有效流通面積及空冷塔風量。Zhao 等人[23]設計了10 MW 熔鹽反應堆的自然通風風冷凝汽器，增強了反應堆的安全性和可靠性。文獻[24-26]針對傳統直接空冷系統蒸汽管道的阻力特性進行了數值模擬分析，為傳統直接空冷機組蒸汽管道的優化設計提供了參考。

可以看出，現有研究大多針對傳統直接空冷系統環境風的不利影響及其應對策略，對新型自然通風直接空冷系統研究相對較少，且大多研究僅針對直接空冷系統空氣側流動流動換熱性能，缺乏針對自然通風直接空冷系統蒸汽管道阻力特性方面的研究。本文通過自然通風直接空冷系統空氣側流動換熱與蒸汽分配管蒸汽側阻力特性耦合模擬的方法，研究了雙層空冷凝汽器空氣各冷卻三角空氣側流動換熱性能分布規律，并獲得了樹形蒸汽分配管道蒸汽分配特性及阻力特性變化規律，可為自然通風直接空冷系統的優化設計提供參考。

1 數值模型

1.1 數學模型

計算中涉及的主要數學模型如下：翅片管束采用Radiator 模型進行模擬，將空冷散熱器翅片管束簡化為散熱器（Radiator）平面，在該平面上設置壓力損失系數、換熱系數等，其厚度簡化為無限薄，且流經Radiator 模型的流動阻力以及經驗損失系數均與流體的動壓頭有關[11]?？諝饬鹘洺崞苁膲航郸與迎面風速v的關系為：

式中：ρ為空氣密度；v為空氣流經管束的速度；kL為無量綱壓力損失系數，通常用多項式表達為流速的函數：

式中：rn為多項式系數；當N=3 時，r1=71.689，r2=31.707，r3=4.798。

在傳熱模型的建立方面，空氣流過翅片管束的換熱量q，在翅片管束模型中表示為：

式中：twa為循環冷卻水溫度，在忽略水側對流換熱熱阻和管壁導熱熱阻的情況下，該溫度等于管壁外表面溫度，在直接空冷系統中twa可取為飽和蒸汽凝結溫度ts；ta為翅片管束進出口空氣平均溫度；h為對流換熱系數，表示為流速的多項式形式：

式中：hn為多項式系數；當N=3 時，h1=536.993，h2=2 013.089，h3=97.772。

1.2 物理模型及邊界條件

圖1、圖2 為自然通風直接空冷系統直冷塔、空冷凝汽器翅片管束及樹杈形蒸汽分配管道等主要設備的物理模型。該系統采用的是“三塔合一”的結構形式，煙氣流量為 1 000 kg/s，溫度為48.7 ℃。由圖1 可見，直冷塔為雙曲線型鋼筋混凝土塔，煙囪及脫硫塔布置在直冷塔中心，雙層空冷凝汽器冷卻三角翅片管束豎直布置在直冷塔入口，該系統幾何尺寸見表1。

表1 自然通風直接空冷系統幾何參數Tab.1 Geometric parameters of the natural draft direct air cooling system

圖1 自然通風直接空冷系統結構示意Fig.1 Geometric illustration of the natura draft direct air cooling system

樹杈形蒸汽分配管道共分為8 個扇區（圖2），每個扇區均分為上下2 層，并與空冷凝汽器雙層冷卻三角翅片管束相連?？绽淠骼鋮s三角裝配示意圖如圖3 所示。由圖3 可見，主蒸汽管道通過二級分支，將汽輪機乏汽輸送至各個扇區，通過扇區上下2 層分支出口，分別將乏汽輸送至空冷凝汽器上下2 層冷卻三角左右兩側翅片管束。

圖2 蒸汽管道結構示意及空冷凝汽器扇區編號Fig.2 Geometric illustration of the steam distribution pipe and serial number of the air cooling condenser sector

圖3 冷卻三角布置及其裝配示意Fig.3 Schematic diagram of the cooling deltas layout and assembly

在模擬計算自然通風直接空冷系統空氣側流動換熱性能時，空冷塔計算域示意如圖4 所示。由圖4 可見，所采用的計算域為方形計算域，自然通風直接空冷系統位于模型計算域的中心位置。為消除不真實外邊界對數值計算結果準確性的影響，所采用計算域的尺寸應足夠大。自然通風直冷塔網格劃分如圖5 所示。對計算域進行網格劃分，復雜結構采用四面體網格，規則幾何體則采用六面體網格進行劃分，同時注意網格尺寸間的過渡，以獲得高質量的網格。在對蒸汽管道內蒸汽流動阻力進行數值計算時，蒸汽分配管道網格劃分如圖6 所示，采用四面體網格進行劃分。經過網格無關性驗證，最終確定空氣側數值計算網格數為7 259 991，蒸汽分配管道阻力計算網格為3 331 126。本論文采用的相關模型與文獻[16]中所采用的模型一致，可間接驗證本文數值模擬模型的準確性。同時，在機組設計工況下，通過比較數值模擬與實際運行時空冷系統熱負荷，可進一步驗證模型的準確性。在TMCR 工況下，當環境風速和溫度分別為3 m/s 和14 ℃時，數值模擬結果與實際運行參數間的對比結果見表2，兩者間的誤差為0.3%，在合理范圍內，說明了數值計算結果的可靠性。

圖4 自然通風直冷塔計算域示意Fig.4 Computational domain of the natural draft direct air cooling system

圖5 自然通風直冷塔網格劃分Fig.5 Mesh generation of the natural draft direct air cooling tower

圖6 蒸汽分配管道網格劃分示意Fig.6 Mesh generation of the steam distribution pipes

表2 數值模擬結果與設計參數對比Tab.2 Comparison between numerical simulation result and designed parameters

1.3 數值迭代計算流程

由于自然通風直接空冷系統空氣側和蒸汽側的幾何結構及流動換熱情況復雜，無法實現空氣側與蒸汽側的同步模擬。本文采用空氣側流動傳熱與蒸汽管道內部蒸汽流動分步模擬的方法，具體計算流程如圖7 所示。將空氣側流動換熱的模擬結果作為蒸汽分配管道阻力計算的邊界條件，實現空氣側與蒸汽側的耦合模擬，獲得更為真實的蒸汽分配管道阻力特性。具體計算流程如下。

圖7 分步數值計算迭代流程Fig.7 Iterative diagram of step wise numerical simulation

1）在空氣側流動傳熱迭代計算過程中，首先假設冷卻三角飽和蒸汽溫度tsi，并同時設置空冷凝汽器冷卻三角Radiator 模型參考溫度為tsi；其次，通過數值計算，獲得各冷卻三角計算熱負荷Φi′及飽和蒸汽溫度tsi′，當假設溫度tsi和計算溫度tsi′誤差、設計熱負荷Φ和計算熱負荷Φ′誤差均在允許范圍內，則認為計算收斂，否則重新設置初值，直到計算收斂；最終，可獲得各冷卻三角入口蒸汽流量分布情況。

2）在蒸汽側阻力特性迭代計算過程中，假設蒸干度隨壓力變化保持不變，首先將空氣側模擬計算所得各三角入口蒸汽流量作為蒸汽分配管道出口蒸汽流量目標值，并設置蒸汽分配管道入口壓力；最終，計算獲得管道阻力特性變化規律。

2 結果及討論

為進一步分析自然通風直接空冷系統空氣側流動傳熱性能對蒸汽管道阻力特性的影響規律，本節首先分析了不同環境氣象條件下該自然通風直接空冷系統空氣側不同截面內空氣流動傳熱情況，包括不同截面內的空氣壓力場、流場和溫度場分布規律。通過分步模擬計算，最終獲得自然通風直接空冷系統蒸汽分配管道阻力特性分布規律。

2.1 空氣側各物理場分布規律

通過分析不同氣象條件下自然通風直接空冷系統的流動傳熱特性變化規律，可為蒸汽側流動阻力特性的分析提供參考依據。以設計環境氣溫14 ℃為例，模擬分析了無風條件和環境風速為3 m/s 時，直冷塔內水平截面和豎直截面內的壓力場、溫度場和流場的分布情況。

圖8 為無風條件下自然通風直接空冷系統空氣側水平和豎直截面內各物理場分布情況。其中：圖8a)、圖8c)為第1 層凝汽器管束1/2 高度處水平截面內壓力場、溫度場和流場分布；圖8b)、圖8d)為第2 層凝汽器管束1/2 高度處水平截面內壓力場、溫度場和流場分布；圖8e)、圖8f)為通過直冷塔軸線豎直截面內壓力場、溫度場和流場分布。

圖8 無風條件下各截面內壓力場、溫度場及流場分布Fig.8 Counters of pressure field,temperature field,and flow fields in the absence of wind

由圖8 可見，無風條件下，由于凝汽器冷卻三角進出口條件基本一致，冷卻空氣流經凝汽器翅片管束，在其周圍形成的壓力場、溫度場及流場基本呈中心對稱的分布規律。由于蒸汽管道和煙道的布置，導致了部分冷卻三角的空缺，這會對各物理場的均勻分布產生一定的影響。由于塔內外空氣密度差，在塔內形成了逆壓梯度，并產生浮升力，驅動冷卻空氣流經空冷凝汽器冷卻三角進行換熱，帶走汽輪機排汽冷凝所放出的熱量。另一方面，可以看出，不同高度第1 層和第2 層空冷凝汽器水平截面內壓力分布并不相同，導致空冷凝汽器2 層冷卻三角的流動換熱性能不同?？傊?，在無風條件下，空冷系統各物理場近似于對稱分布，使得空冷凝汽器相同層內的各冷卻三角流動換熱性能趨于一致，層與層間卻不同。

圖9 為風速為3 m/s 時，不同截面內壓力場、溫度場及流場分布。

由圖9 可見：由于冷卻三角沿直冷塔進口圓周進行布置，在環境風作用下，空冷凝汽器外圍流場類似于圓柱繞流，冷卻空氣流速在側風扇區流速上升，動壓頭上升，靜壓頭下降；相反，迎風側和背風側扇區冷卻空氣靜壓則有所增加，使得該位置冷卻三角流動換熱性能優于側風面冷卻三角；在塔內，由于空冷凝汽器左右側風扇區冷卻三角冷卻空氣流量小，前后迎風扇區和背風扇區冷卻空氣流量大，在側風面冷卻三角出口附近形成了明顯的渦流，并逐步向直冷塔內發展擴散，造成額外的阻力損失；另一方面，由于空冷凝汽器內布置了高度不同的兩層冷卻三角，且環境風大小沿高度方向呈增加趨勢，使得處于不同高度冷卻三角流動換熱性能存在差異?？傊?，環境風作用下，沿空冷凝汽器圓周方向，各個位置冷卻三角流動換熱性能不同，并且處于兩層不同高度的冷卻三角流動換熱性能也存在差異。

圖9 3 m/s 風速下各截面內壓力場、溫度場及流場分布Fig.9 Counters of pressure field,temperature field and flow field at the wind speed of 3 m/s

2.2 蒸汽流量分布規律

通過對不同位置冷卻三角蒸汽流量的分布情況進行分析，可有效反映不同環境氣象條件下，自然通風直接空冷系統流動換熱性能的變化規律。

圖10 為環境風速為0、3 m/s 時，通過不同位置冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布情況。為便于分析，將通過同一層冷卻三角的同側翅片管束冷凝蒸汽流量繪制為一條曲線。由圖10a)可見：無風條件下，同層內各冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布沿圓周方向大小基本一致，約為2.0 kg/s，且流過同一冷卻三角a、b 側翅片管束的冷凝蒸汽流量也基本一致，但空冷凝汽器第2 層內的冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量均比第1 層大0.3 kg/s 左右；編號為1 的冷卻三角由于直接連接至主管道，導致該位置冷卻三角冷凝蒸汽流量稍微偏大。

由圖10b)可見：環境風作用下，空冷凝汽器不同位置冷卻三角流動換熱性能存在明顯差異，且不同位置冷卻三角a、b 側翅片管束流動換熱性能也不同。一方面處于迎風扇區的冷卻三角a、b 側翅片管束冷凝蒸汽流量基本相同，在側風扇區冷卻三角a、b 側翅片管束間會出現相對的迎風和背風位置，使得處于迎風位置的翅片管束流動換熱性能優于背風位置的翅片管束，導致迎風位置翅片管束冷凝蒸汽流量明顯高于背風位置的翅片管束，從而形成圖中曲線向一側偏移的現象；另一方面，類似于圓柱繞流，在空冷凝汽器背風扇區冷卻三角入口會出現流動分離，形成渦流，導致背風扇區冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量變化出現波動的現象?？傮w上看，在無風和有風工況，第2 層冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量都較第1 層大。

圖10 不同風速下各冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布（kg/s）Fig.10 Steam flow rate distributions in cooling deltas at different wind speeds (kg/s)

2.3 蒸汽分配管道阻力特性分布規律

通過對直接自然通風直冷塔各物理場及各冷卻三角翅片管束冷凝蒸汽流量分布規律的分析，可獲得該系統空冷凝汽器冷卻三角空氣側流動換熱性能與蒸汽側熱負荷的耦合作用結果。在以上分析的基礎上，針對蒸汽管道阻力特性分布規律進行分析。

圖11 和圖12 為無風條件和3 m/s 風速下，各冷卻三角入口壓力以及蒸汽分配管道壓降變化規律。由圖11、圖12 可見：無風條件下，各冷卻三角翅片管束入口壓力基本一致，與空氣側各物理場分布和蒸汽流量分布規律相同；塔內空氣流場受到煙道及蒸汽管道的影響，使得部分位置冷卻三角冷凝蒸汽流量出現波動，結合蒸汽管道的固有結構，導致翅片管束出口及蒸汽管道壓降存在波動的現象；當風速為3 m/s 時，由于空冷凝汽器不同位置冷卻三角流動換熱性能存在差異，使得其冷凝蒸汽流量不盡相同，導致翅片管束入口壓力和蒸汽分配管道壓降存在相同的變化規律，即翅片管束入口壓力和蒸汽分配管道壓降均向側風扇區偏移。

圖11 無風條件下冷卻三角翅片管束入口壓力及蒸汽分配管道壓降分布（kPa）Fig.11 Pressure at the cooling delta inlets and pressure drop of steam distribution pipes in the absence of wind (kPa)

圖12 3 m/s 風速下冷卻三角翅片管束入口壓力及蒸汽分配管道壓降分布（kPa）Fig.12 Pressure at the cooling delta inlets and pressure drop of steam distribution pipes at wind speed of 3 m/s (kPa)

2.4 自然通風直接空冷系統總體性能參數

通過對比不同環境氣象條件下，自然通風直接空冷系統總體性能參數變化，可以揭示環境氣象條件對空冷系統流動換熱性能的影響規律。表3 列出了不同環境風速下，自然通風直接空冷系統蒸汽側和空氣側總體性能參數的變化。由表3 可知：與3 m/s 風速工況相比，無風條件下，自然通風直接空冷系統蒸汽入口壓力較低，蒸汽流量較高；同時，空冷塔出口溫度較低，冷卻空氣流量較高，空冷系統具有更好的流動換熱性能。

表3 自然通風直接空冷系統總體性能參數Tab.3 Overall performance parameters of the natural draft direct air cooling system

3 結論

本文采用數值模擬方法，建立了自然通風直接空冷系統直冷塔及蒸汽分配管道流動傳熱的數學、物理模型，利用空氣側與蒸汽側耦合計算控制邏輯，研究了不同環境風速條件下自然通風直接空冷系統流動傳熱特性，獲得了不同工況下空氣側壓力場、溫度場及流場分布規律以及空冷凝汽器冷卻三角翅片管束蒸汽流量分布規律。在此基礎上，對樹杈形蒸汽分配管道阻力特性進行了分析研究，獲得了冷卻三角翅片管束入口壓力和樹杈形蒸汽分配管道壓降變化規律。通過對計算結果進行分析，得出以下結論：

1）建立了自然通風直接空冷系統分步模擬方法，可以實現空冷凝汽器空氣側流動換熱與蒸汽分配管道內蒸汽的耦合模擬計算。

2）無風條件下，自然通風直接空冷系統各物理場、各冷卻三角蒸汽流量分布和蒸汽管道阻力特性分布均呈對稱分布規律。3 m/s 風速工況下，類似于圓柱繞流，迎風扇區和側風扇區流動換熱性能存在較大差異，導致冷卻三角左右兩側翅片管束冷凝蒸汽流量分布曲線和蒸汽管道助力特性曲線向側風扇區偏移。

3）通過數值模擬分析可以看出，無風條件下，樹形蒸汽分配管道蒸汽流量和阻力特性分布具有良好的均勻性，設計較為合理，可為新型自然通風直接空冷系統的設計和運行提供參考。