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1、环境风对直接空冷凝汽器换热影响的研究,摘要 在我国北方，坑口电厂所在地区水资源严重匮乏，尤其是在枯水期，难以承担大流量的耗水，直接影响到能否建厂的问题。直接空冷技术，由于其突出的节水特点，能够很好地解决水资源的瓶颈问题，得到了广泛应用。但是直接空冷凝汽器的换热效果极易受外界环境因素影响，尤其是环境风会造成直接空冷凝汽器换热效果恶化，使直接空冷汽轮机背压升高，影响直接空冷机组的安全、经济性运行。环境风对直接空冷系统的影响是研究空冷技术亟待解决的问题之一。本文所研究影响直接空冷凝汽器换热的环境风为主导横向风和炉后风。以宁夏灵武电厂国产1000MW直接空冷凝汽器为原型，建立直接空冷单元和直接空冷岛的
2、数学物理模型，研究横向风影响直接空冷凝汽器换热的规律；分别对加装水平挡板、防风网、导流板、导流网等改善风机进风量的措施进行数值模拟；对炉后风影响空冷岛的进风量和换热效果进行分析。研究表明：质量流量的减少、旋流现象、热风再循环现象、倒灌现象是横向风影响直接空冷凝汽器流动换热的主要因素；所提出的加装水平挡板的措施，可以使横向风迎风侧直接空冷单元风机入口处的负压区前移，改善风机的运行环境；全防风网可以使环境风更多的通过空冷平台上方，减小空冷岛外围空冷单元风机入口处风速，增加风机入口处负压区的压强，增加空冷单元进风量，且在增大空冷凝汽器外围风机进风量的同时，避免对空冷岛内部风机产生不利影响；所提出的防
3、风导流网克服了导流挡板的缺陷，综合了导流挡板和防风网二者的优点，是一种比较理想的防风措施；热风再循环现象和空冷岛风机进风量的减小是炉后风恶化直接空冷系统换热效果的两个重要因素，在直接空冷岛挡风墙下沿安装全防风网是一种有效的改善风机进风量的措施。,第1章绪论,1.1课题背景,本课题依托于国家“十一五”科技支撑计划项目“1000MW直接空冷系统环境影响及机组大口径排气管道特性的研究”以及黑龙江省重大专项“1000MW空冷机组关键技术研究”。,随着中国经济的高速增长，电力工业迅猛发展，2000-2009年全国发电装机容量年均增长11.84%，累计新增电源规模超过5.5亿千瓦1。截至2010年9月，我
4、国电力装机总容量已经达到9.26亿千瓦，其中火电装机总容量为6.86亿千瓦，在目前我国电源结构中，火电装机容量占总装机容量的77.82%，而火力发电量却占到总发电量的80.32%2。火电占绝对优势的地位在今后一段时间内不会发生大的改变。,从煤炭生产与供给的地域分布来看，我国北方是煤炭巨大产量的地区，北方地区煤炭资源储量约占全国煤炭资源储量的85%左右3。但是，交通运输能力、运输成本等问题成为煤产区向外输煤瓶颈。为了缓解煤炭运输难题，就地建设大型坑口火力发电厂，利用超高压输电技术将电力输送到负荷较大的地区成为解决措施。“2009年1月，晋东南至荆门1000千伏特高压交流试验示范工程正式投产；12
5、月，800千伏云南至广东特高压直流工程单极投运，800千伏向家坝至上海特高压直流示范工程全线带电，使我国最高直流、交流电压等级分别由500千伏和750千伏提高到800千伏和1000千伏，我国在超高压输变电技术上所取得的突破给长距离大功率输电提供了技术支持与保障4”。,然而坑口电厂所在的北方地区富煤却严重缺水，缺水严重制约着坑口火电厂的发展。我国人均淡水资源量仅2300立方米，只相当于世界人均的四分之一，而北方多年平均水资源总量仅占全国的12%，在北方水资源的短缺程度比能源更为严重5，因此单位工业增加值用水量降低30%成为国家“十一五”规划规定的三个约束性指标之一。,为了破解发电与节水之间的矛盾
6、，在我国北方产煤区发展直接空冷技术，直接空冷技术成为解决发电与节水矛盾的有效措施。与水冷机组相比，建设直接空冷发电厂可以节约大量水资源，如正蓝电厂一期2600MW直接空冷机组，日耗水量可以由5104m3降低为0.84104m3，节水率达84%6。我国未来电力发展一半以上的火电机组都在缺水地区运行，采用直接空冷机组可以使电力工业可持续发展，直接空冷技术在富煤缺水地区坑口电站的建设中有着广阔的市场前景。,1.2直接空冷技术发展概况直接空冷发电技术是采用空气冷却作为电站冷源一种发电方式。它起源于20世纪30年代，1939年，世界上第一台1.5MW直接空冷机组在德国鲁尔矿区一个坑口电站投运；20世纪5
7、0年代，杜德兰钢厂和罗马电厂分别投产了13MW和36MW直接空冷系统；1977年，美国沃伊达克矿区电厂330MW机组应用了机械强制通风的直接空冷系统；20世纪80年代后直接空冷进一步发展，具有代表性的南非八廷马电厂6665MW机组的直接空冷系统建成投产7。我国于上世纪60年代开始研制火电空冷技术装备，1966年在哈尔滨工业大学试验电站的50kW机组上首次投运了直接空冷系统。但是直接空冷发展缓慢，直到进入21实际，我国才迎来了一个建设直接空冷系统的高峰。“2001年山西交城义旺铁合金自备电厂6MW直接空冷机组投运，这是我国首台直接空了机组，为我国直接空冷系统发展拉开了序幕；2003年11月，我国
8、首台大容量2200MW直接空冷机组在云冈顺利建成投产，云冈热电两台直接空冷机组填补了我国大型直接空冷机组的空白，为我国大型直接空冷机组的发展取得了宝贵经验；2005年，国电电力山西大同二电厂二期工程2600MW直接机组建成标志着我国直接空冷技术达到了世界先进水平8”；目前，宁夏灵武火力发电厂的1000MW超超临界直接空冷机组已经过了试运行；我国目前再建或准备建设的1000MW超超临界空冷机组超过了10台，可以说无论在数量上还是在单机容量上我国的直接空冷机组都走在了世界前列。,1.3直接空冷凝汽器工作原理图1-1为直接空冷单元组系统示意图，直接空冷凝汽器是由一个空冷单元组联合进行工作的。一个空冷
9、单元组通常包含四个空气冷却单元，其中三个顺流冷却单元和一个逆流冷却单元。“汽轮机排出乏汽由上而下进入翅片管束，冷凝后的凝结水的流动方向与蒸汽流动方向相反，称之为顺流冷却；汽轮机排汽由下而上进入翅片管束，冷凝后的凝结水的流动方向与蒸汽流动方向相同，称之为逆流冷却9”。每个空冷单元主要包括：翅片管束、风机、配汽管道、凝结水收集装置等。直接空冷系统工作时，汽轮机排出的乏汽通过粗大的排汽管道引出，分成若干根蒸汽分配管道流向顺流冷却单元的翅片管束内部；与此同时直接空冷顺流单元下面的轴流风机通过强制通风，使空气流过翅片管束外部。空气与蒸汽以直接空冷翅片管束为媒介进行对流换热，被冷却的凝结水通过凝结水管道流
10、入凝结水联箱，未被顺流单元冷却的剩余蒸汽通过凝结水联箱上部空间进入逆流单元继续凝结，同样被逆流单元冷却的凝结水通过管道流入凝结水联箱，再由凝结水泵送回热系统，在逆流单元中剩余不凝结气体通过抽真空系统排出。,1.4国内外研究现状与传统的水冷机组相比，直接空冷机组可以节约大量水资源，但是直接空冷机组存在着发电煤耗高、占地面积大、投资成本高以及厂用电率高的不利因素。除以上不利因素外，电厂周围环境因素也会对直接空冷系统安全、经济运行产生不利影响，环境风的影响就是其中一个重要的因素。环境风会恶化直接空冷凝汽器换热效果，提高空冷系统背压，造成能源浪费，南非马廷巴电厂直接空冷系统从1991年1月至1992年
11、9月的20个月间，因环境风的影响就损失发电量约3.38亿kWh10；如果换热效果进一步恶化，严重时甚至能造成汽轮机停机，对电厂造成安全隐患，2005年6月22日，漳山公司300MW直接空冷系统受到约15m/s炉后风影响，汽轮机背压由44.2kPa升高到64.9kPa，机组自动保护跳闸停机11。解决环境风对直接空冷系统影响的问题成为世界上一个普遍性的难题。电厂直接空冷凝汽器布置在约50m高的建筑平台上，利用大型轴流风机强制通风，以周围空气作为冷却汽轮机乏汽的介质。电厂所在地的大气环境、电厂周围的地势、电厂厂房建筑的布置以及空冷平台结构、直接空冷轴流风机效率等都会对直接空冷系统凝汽器的换热效率产生
12、影响。因此必须综合空气动力学、气象学和传热学等多个学科，才能够研究减小环境风对直接空冷凝汽器流动换热的影响。作为空冷发电技术的发明者，德国GEA公司一直处于空冷技术领先的地位，在全世界拥有超过600台套的成功业绩，但是基于商业机密，GEA公司关于直接空冷技术的研究无从知晓。在公开发表的有关研究直接空冷系统流动换热特性的期刊文献中，以南非斯坦陵布什大学Kroger教授为代表的团队所作的工作比较突出；在国内华北电力大学、北京航空航天大学、重庆大学、北京交通大学等做过许多有关直接空冷凝汽器流动换热的工作。目前，对于直接空冷凝汽器流动换热主要采用两种方式进行研究，一种是利用电站现场试验或者采用风洞模拟
13、试验的方法，分析不同工况下直接空冷风机和直接空冷凝汽器的工作性能；另外一种是采用数值模拟方法研究提高环境风条件下直接空冷凝汽器的工作效率。,1.4.1试验研究直接空冷系统采用大型轴流风机强制通风，以翅片管为媒介进行换热，优化轴流风机的工作性能、减小翅片管束的流动阻力可以提高直接空冷凝汽器的换热效率。Meye12在风洞中研究了不同翅片管束的流动阻力，得到了计算翅片管流动阻力的计算关联式。Salta和Stinnes等13,14试验研究了风机进风口处气流变化对轴流风机工作性能的影响，得到了风机之间安装距离和安装高度与空气体积流量变化的试验关联式，研究结果表明，直接空冷平台外围的风机最容易受到气流变化
14、的影响，同时还发现增加人行通道的宽度能够提高风机的容积效率。Meyer15对一系列不同风机和散热器模型做了试验研究，发现在风机入口与直接空冷凝汽器之间存在一个临界最小距离，空气的进口结构以及通过直接空冷凝汽器时的压力损失对出口速度分布影响很大。华北电力大学杜小泽等人16,17以实际运行的600MW直接空冷机凝汽器为试验对象，使用红外热摄像仪器测量了不同空冷凝汽器翅片管束表面的温度分布，同时与热电偶测量的温度进行比较，发现直接空冷凝汽器的壁面温度都是从上至下温度逐渐上升的趋势，通过试验研究，还获得了直接空冷凝汽器空气侧流场的传热系数关联式，对空冷机组的优化运行以及空冷凝汽器设计的改进具有指导意义
15、。不同风速、风向的环境风对直接空冷岛的换热效果产生不同的影响，但是在电站现场很难测量不同风速、风向的环境风条件下的空冷岛的换热效率。利用相似性原理，在风洞中建立电厂空冷岛模型，模拟各种工况可以弥补现场试验的不足。顾志福18-21应用相似原理对大型直接空冷系统进行了风洞模拟试验，并提出用热风回流率的概念作为衡量直接空冷凝器效率的评价标准之一，通过试验研究发现环境风速、来流风向角和空冷平台高度对直接冷凝器的换热效率有着重要的影响。刘沛清22,23提出影响空冷凝汽器散热效果的回流率的概念，并在风洞中进行相应的PIV测速试验得到环境风速、空冷平台高度、挡风墙高度与直接空冷岛热风回流率的关系。赵万里24
16、-27在低速风洞中对直接空冷系统模型进行了PIV流动显示试验，探讨直接空冷岛热态流场特性与空冷岛底部热风回流率之间的关系，研究结果发现，随着来流风速的提高，空冷岛底部入口平均热风回流率有所增加，而增加挡风墙高度以及在空冷平台外围安装水平挡板，能够降低空冷岛平均热风回流率。,1.4.2数值模拟风洞试验的方法虽然可以模拟多种工况，直观得出许多结论，但是还是会受到空间布局的影响，而数值模拟的方法避免了试验研究当中的缺点，成为一种重要研究方法。随着计算流体力学、计算传热学的发展，数值模拟的方法全面开展，在直接空冷凝汽器流动传热中取得了良好的应用。Hotchkiss28使用CFD软件进行计算分析，得出了
17、横向风能够影响轴流风机工作效率的结论。Conradie和Rooyen29,30数值计算了直接空冷岛外流场的流动规律，模拟结果表明，空冷岛外围空冷单元受到环境风风影响较大，外围风机工作性能的降低是环境风恶化直接空冷系统换热效果的主要因素。赵文升31,32模拟了炉后风对直接空冷凝汽器换热性能的影响，并且定性地分析了热风回流发生的原因，对研究防止炉后风起到了指导的意义。Bredell和Meyer33-35以风机容积效率为评价标准，模拟了两种具有不同轮毂比的轴流风机的性能，研究表明，轮毂比为0.4的轴流风机工作性能更优良，并且验证了增加人行通道的宽度能够提高直接空冷平台外围风机的容积效率。Duwenh
18、age36,37通过CDF模拟分别研究了直接空冷平台高度和横向风对直接空冷风机性能的影响，并且以三种不同形式的风筒为例，着重分析了不同类型的风筒条件下风机性能的规律。杨立军38-40就某一直接空冷电站建筑的布局，研究了不同风速、风向的环境风对直接空冷凝汽器流动换热性能的影响，得到了环境风条件下空冷岛冷却空气质量流量和热风再循环率的规律，研究表明：环境风速越高，空冷岛迎面风速越小；热风回流率随环境风速增加先增大后减小；当环境风为炉后来风时，直接空冷岛的迎面风速最小，热风再循环率最高。针对环境风对直接空冷凝汽器换热效果的影响，不断有学者改进空冷岛现有装置或提出新型装置以减小环境风对直接空冷系统换热
19、效果的影响，提高环境风条件下直接空冷凝汽器的换热性能。Owen41在直接空冷岛中央位置安装挡风装置，可以改善环境风上游直接空冷单元的换热性能。,段会申42阐述了热风回流的产生机理及热回流率的概念，通过数值模拟分析了在不利风向条件下热风回流率随风速的变化规律，并指出适当增加空冷平台上部四周风墙高度或加快空冷平台边缘风机的转速能够有效减少热风回流，提高直接空冷岛的换热量。周兰欣43,44以300MW以及600MW直接空冷电厂为原型，数值模拟直接空冷平台外部流场，分析了不同来流风向角、不同风速条件下，环境风对直接空冷凝汽器换热效率的影响，阐述了空冷平台边缘倒灌现象和热风回流现象产生的原因，并且进一步
20、分析了挡风墙高度和空冷平台高度对空冷凝汽器换热效率的影响，得出最佳挡风墙墙高度范围，同时提出在空冷岛上安装下挡风墙的方法，用以减小热风回流现象对直接空冷凝汽器换热性能的影响，若将下挡风墙安装在空冷到外围两排风机之间，可进一步提高平均换热效率。闫大强45使用数值模拟方法研究了高温环境中提高直接空冷凝汽器换热效率的方法，在空冷岛附近增加固壁挡风墙面可以改变空冷岛周围高速空气的流动方向，降低环境风对空冷凝汽器的负面影响，如果将固壁挡风墙更换为阻力因子合适的多孔挡风墙，可以减少直接空冷平台底部风机的回流，从而进一步提高空冷凝汽器的换热效率。,西安交通大学多相流国家重点试验室46,47对我国陕西省某电厂
21、直接空冷凝汽器进行了数值模拟，分析了电厂周围的地势、厂房建筑、空冷平台高度、不同环境风速、环境风向对直接空冷凝汽器换热性能的影响，当风向为炉后来风时，热风回流现象比其他风向更为严重，文章采用加装不同高度下挡风墙的方法减小环境风对直接空冷凝汽器换热性能的影响，文中得出结论水冷塔、烟囱等建筑对直接空冷机组换热影响较小，安装10m以上下挡风墙可以防止产生热风回流现象。空冷凝汽器的流场受环境风速、平台高度、来流风向角以及风机叶片安装角等多方面因素的影响。研究直接空冷凝汽器在各种工况下的换热性能，可以指导直接空冷系统的优化设计、运行和性能考核48。本文主要对直接空冷凝汽器流场换热效果进行研究，并提出通过
22、加装导流叶片等方法改善其换热效果，为直接空冷凝汽器安全、高效运行提供参考.1.5本论文研究主要内容及其意义 直接空冷凝汽器的换热效果极易受到外界环境因素影响，尤其是环境风会造成直接空冷凝汽器换热效果严重恶化，影响直接空冷机组的安全、经济性运行。环境风对直接空冷凝汽器换热性能的影响是研究直接空冷技术亟待解决的问题之一。本文通过数值模拟的方式研究降低环境风对直接空冷凝汽器换热性能的影响，提高直接空冷凝汽器的换热效率，达到提高直接空冷机组运行安全性和经济性的目的。本文研究的具体内容如下：1、建立直接空冷单元的数学、物理模型，利用数值模拟的方法得到横向风对直接空冷凝汽器换热效果的影响规律，并分析横向风
23、恶化直接空冷凝汽器换热效果的机理。2、根据横向风恶化直接空冷凝汽器换热效果的机理，优化空冷系统的现有装置，提出新型装置减小横向风对直接空冷凝汽器的影响，达到提高直接空冷凝汽器的换热效率，提高直接空冷机组运行安全性和经济性的目的。3、建立直接空冷岛的数学、物理模型，研究不同炉后风速条件下直接空冷岛换热性能的规律，研究在不同炉后风速条件下热风回流现象产生机理，针对炉后来风威胁直接空冷系统安全运行的现象，研究改善措施，提高高风速炉后风条件下直接空冷岛的进风量和换热量，以保证夏季直接空冷系统的安全运行。,第2章横向风对直接空冷单元外流场的影响,本章以宁夏灵武电厂1000MW直接空冷凝汽器的一组典型空冷
24、单元为研究对象，通过计算流体力学的模拟分析，研究横向风对直接空冷凝汽器换热影响的规律。,2.1直接空冷单元建模2.1.1物理模型,宁夏灵武电厂21000MW直接空冷凝汽器由8(列)20(排)共160个直接空冷单元组成。为突出一般性，取空冷岛最中间列横向风迎风侧四个单元进行分析。空冷单元由A字型翅片管束、轴流风机、配汽管道、支柱、挡风墙构成。每个空冷单元的尺寸为11.5m11.3m1 4m，挡风墙高度14m，轴流风机直径9.754m。模型选取的计算区域为180m(长)11.5m(宽)110m(高)。使用GAMBIT构建三维模型，如图2-1所示。为了叙述方便，定义图2-1中从左至右的直接空冷单元依
25、次为第一单元、第二单元、第三单元和第四单元。,2.1.2网格划分,“结构化网格具有生成速度快、网格生成的质量好、数据结构简单、区域光滑、与实际的模型更容易接近等优点49”，因此本文采用分块画分网格的方法，尽量采用结构化网格对模型进行划分。模型的网格划分如图2-2所示，模型中直接空冷单元A字型空冷凝汽器四周（图2-2中黑色边框内）采用加密的非结构化网格，其他区域全部采用结构化网格划分。本文以4m/s为例，计算中采用了约135万、167万两套网格稳态计算结果进行比较。表2-1为两套网格条件下，四个单元风机进风量。通过对两套计算网格的计算结果比较，两种网格方案计算结果的偏差很小。,2.1.3数学模型
26、,本文使用FLUENT软件数值模拟，选取SIMPLE算法，采用标准k-湍流模型，微分方程包括：连续性方程、动量守恒方程、湍动能方程、湍动能耗散方程和能量守恒方程。,式(2-1)至(2-5)中：为空气密度，T为温度，u为速度，u为脉动速度，p为压力。为动力粘性系数，为膨胀系数，Tref为风机入口温度，t为湍度粘度，Gk为由平均速度梯度引起的湍动能的产生项，Gb为由于浮力引起的湍动能产生项，C、C1、C2、C3、k、t、为经验常数。,2.1.4边界条件目前，对于空冷系统翅片管束外流场的模拟，均采用多孔介质模型作为翅片管束的边界条件34,35,50。本文翅片管束同样采用了由Patankar51提出的
27、多孔介质模型，分析空气流过翅片管束时产生的阻力。从本质上讲，多孔介质模型就是在动量方程中增加了一个代表动量耗散的源项，源项Si由两个部分组成，一部分是粘性损失项，另一部分是惯性损失项：,2.2横向风条件下出现的现象,图2-3至图2-6分别为0、2、4和6m/s横向风条件下所选取的四个典型单元的速度矢量图。如图2-3所示，在无风环境下，四个空冷单元A字型内部流场没有出现不正常的现象；如图2-4所示，当横向风速增大到2m/s，在空冷单元A字型内部迎风侧管束下方出现小范围的旋流区域，处在旋流区域的空冷翅片管没有空气或者只有极少量空气通过，势必造成换热恶化；随着横向风速逐渐增大，当横向风速达到4m/s
28、时，如图2-5所示，第一空冷单元A字型内部的旋流区域进一步扩大，计算表明，第一单元迎风测翅片管束的换热空气量只有98.09kg/s，远远小于无风环境下的282.68kg/s；当横向风速达到6m/s时，如图2-6所示，第一单元内部出现一个更大的旋流区域，第一单元换热完全失效，同时旋风回流现象开始在第二单元出现，第二单元换热开始受到影响。,2.2.2热风再循环现象热风再循环现象是指空冷凝汽器排出的热空气又重新回到风机入口处导致直接空冷凝汽器入口处空气温度升高的现象。观察图2-4发现，在2m/s横向风速下，第一单元出现了热风再循环现象。但当横向风速为4m/s和6m/s时，并未出现热风再循环现象，如2
29、-5和图2-6所示。其原因分析如下：在一定的横向风速情况下，比如上述2m/s的横向风速下，空冷单元靠近挡风墙的一侧，翅片管束下部空气流量极小，空气集中在翅片管束上部流出，越过挡风墙，流向空冷平台外侧，进而通过风机吸风再次通过直接空冷凝汽器进行换热，从而形成热风再循环现象。图2-7是横向风速2m/s条件下的温度场，可以看出，由于热风再循环现象，空冷单元内未通过翅片管束的空气温度明显升高，严重影响了第一单元的换热效果。当横向风速达较大值时，比如上述4m/s和6m/s两种情况，由于旋流区域扩大，第一单元迎风侧空冷凝汽器的空气流量大大降低，因而没有热气越过挡风墙以形成热风再循环现象。,2.2.3倒灌现
30、象倒灌现象是指经过换热的空气在空冷岛内部被反向压回，直接凝汽器包围在热空气中，造成换热恶化的现象。图2-8至图2-9分别为8m/s、10m/s横向风条件下直接空冷系统外流场流线图。图2-10、图2-11是横向风速8m/s、10m/s下直接空冷凝汽器温度场。由图2-8的计算结果可见，在8m/s横向风速条件下出现新的现象倒灌。来自于第二单元空冷凝汽器的出口的热空气倒灌到第一单元，在第一单元和第二单元的A字型内部区域产生漩涡。此时第一单元的倒灌现象与第二单元产生热风再循环现象使空冷凝汽器的换热效果严重恶化。如图2-10所示，第一单元A字型内部空气温度高于外部空气温度，第一单元换热已经失效，而且经过倒
31、灌后的热空气还影响了第二、第三单元的换热。当横向风速达到10m/s，第三单元空冷凝汽器的出口的热空气倒灌到第一单元、第二单元，换热恶化现象更为严重，如图2-9、图2-11所示。,2.3横向风速与直接空冷单元进风量的关系在2.2节在几个不同风速下研究了横向风对空冷凝汽器的不良影响，为了进一步研究横向风速与空冷单元进风量之间的确切关系，本节通过模拟计算给出横向风速与空冷单元进风量之间的关系曲线。010m/s范围内四个典型单元横向风速与进风量之间的关系曲线如图2-12所示。从图2-12中可以看出随着风速的升高，第一单元风机质量流量逐渐下降，下降速率先升高后降低，当横向风速超过2m/s时，第一单元的风
32、机质量流量开始迅速下降，当风速达到68m/s时，第一单元质量流量变为负值，这说明此时第一单元产生了倒灌现象；随着风速的增加，受影响的风机数量逐渐增多，当风速分别达到4m/s和6m/s时，第二和第三单元开始受到横向风严重影响，进口质量流量开始迅速降低；10m/s以下横向风速对第四单元产生的影响不大。,2.4横向风影响直接空冷单元进风量原因分析为了得到横向风影响空冷单元进风量的深刻原因，下面以6m/s横向风速为例，给出流线图、速度场图和压力场图进行分析。图2-13至图2-15分别为6m/s横向风速下的流线图、速度场图和压力场图。如图2-13所示，在横向风作用下，挡风墙起到分流作用，分流的大部分空气
33、以倾斜向下的方向经过第一单元的下方，由于风向向下倾斜，不利于第一单元的风机进风。另一方面，如图2-14和2-15所示，空气是以两倍于横向风速的流速，大约14m/s的速度通过第一、第二单元风机下方，在第一单元风机入口处形成了明显的负压区域，在6m/s横向风速条件下，第一单元下侧负压值达到-140Pa，风机入口处负压区的产生，造成了第一单元风机失效，第二单元风机的吸风能力严重降低。风机在消耗相同的功率条件下吸入的净空气量大幅度减少，从而导致直接空冷单元进风量大幅减小。在其它横向风速下，由于同样的原因，使空冷凝汽器迎风侧的若干单元的进风量受到影响，横向风速越大，受影响的空冷单元数越多，横向风影响的程
34、度越大。,2.5本章小结本章以21000MW直接空冷系统凝汽器的一组典型单元为研究对象，建立了物理模型和数学模型。通过计算流体力学分析，研究了横向风对空冷凝汽器的影响规律，并且分析了横向风影响直接空冷凝汽器迎风侧入口流场的原因。研究表明：横向风会使空冷凝汽器产生旋流、热风再循环和倒灌现象；横向风速小于8m/s的情况下，影响直接空冷凝汽器换热的主要因素是在直接空冷单A字型内部形成的旋流现象，旋流现象致使热空气聚集在翅片管周围导致换热效果出现恶化；当横向风速达到8m/s及以上时，从第一单元开始出现倒灌现象，严重影响直接空冷凝汽器换热；在横向风速超过2m/s时，迎风侧第一单元风机的进口质量流量会急剧
35、下降，第二、第三单元风机进口质量流量急剧下降的临界风速分别为4m/s和6m/s，10m/s以下横向风不会对第四空冷单元的进风量产生影响。,第3章减小横向风对直接空冷单元外流场的影响,由第二章分析得知，横向风削弱了轴流风机的吸风性能，减小了直接空冷单元的进风量，降低了直接空冷凝汽器的换热系数55,56，对直接空冷系统的安全、经济运行产生了不良影响甚至严重影响。通过2.4节影响直接空冷单元进风量原因分析可知，要提高直接空冷单元进风量，可从两个方面入手：改变横向风通过直接空冷凝汽器下部的风向；减小横向风通过直接空冷平台下方的风速，增加风机入口处的压强。本章给出或提出几种措施以提高横向风环境下直接空冷
36、单元的进风量。,3.1水平挡板,3.1.1水平挡板模型为了增强风机在横向风条件下的工作能力，本节采用在空冷平台挡风墙下沿安装水平挡板的方法，目的是将负压区前移，以改善直接空冷风机工作环境，增加风机的进风量。图3-1为安装水平挡板的直接空冷单元示意图。,3.1.2加装水平挡板对直接空冷单元进风量的影响为了确定水平挡板向空冷岛外延伸长度对改善直接空冷风机引风量的影响，分别设置了多种挡板长度，进行模拟分析。无水平挡板和加装5m、10m、15m挡板条件下，第一、二、三、四单元的进风质量流量随横向风速的变化曲线如图3-2至图3-5所示。四种不同水平挡板条件下，第一空冷单元进风质量流量随着风速增大而降低，
37、但是安装水平挡板后，第一单元空气质量流量的减小速率降低，水平挡板的长度越长，降低速率越缓慢。无论在何种风速条件下，水平挡板越长第一单元的进风量越大。在8m/s的横向风速条件下，如果不加水平挡板，第一单元的空气流量为-104.61kg/s，出现了严重的倒灌现象；加装水平挡板后风机流量增加，比如加装15m水平挡板后，第一单元质量流量达到2011.11kg/s，在避免了第一单元产生倒灌现象同时，进风量大幅增加。水平挡板对后三个直接空冷单元进风质量流量影响，总的趋势是水平挡板越长，横向风对空冷单元进风质量流量的影响越小。,3.1.3典型风速条件下最佳水平挡板长度分析通过2.3节横向风对直接空冷单元进风
38、量的影响分析可知，横向风对迎风侧第一单元进风量的影响最为严重，所以按照第一单元来确定水平挡板的最佳长度是合理的。以上述空冷凝汽器所处地理位置的典型横向风速4m/s为例，通过计算分析，确定在这一风速条件下水平挡板的最佳长度。不同长度的水平挡板条件下的压力云图如图3-6所示。从图3-6中可以看出，随着水平挡板长度增加，最大值负压区域明显向安装水平挡板的左侧移动，逐渐远离第一单元下方，而且随着水平挡板长度增加，负压区最大值负压力逐渐减弱，不安装水平挡板时最大负压强为-120Pa，安装25m长度的水平挡板后，最大值负压强减弱为-60Pa，而且第一空冷单元下方的负压强减弱为-30Pa，极大的改善了第一单
39、元风机的工作环境。,图3-7为第一单元进口空气质量流量随挡板长度的变化规律，随挡板长度增加空气质量流量逐渐增大，但质量流量的增加速率逐渐减小。表3-1给出了水平挡板每增加5m第一单元进口空气质量流量及质量流量的变化率。从表3-1中可以看出，水平挡板由0m增加到5m和由5m增加到10m时，质量流量的变化率风别提高52.13%、22.04%；当水平挡板从15米增加到20米时，质量流量的变化率只有4.30%。考虑到加装水平挡板的成本，水平挡板的最佳长度取为15m比较合理。,图3-8和图3-9分别为4m/s横向风速条件下无措施、安装15m水平挡板时空冷单元温度场。在4m/s横向风速条件下，未安装水平挡
40、板，由于第一单元出现旋流现象，导致第一单元A字型内部空气温度升高，直接空冷凝汽器产生换热恶化；安装15m的水平挡板后，第一单元A字型内部的高温空气消失，可见水平挡板优化的流场，改善了直接空冷凝汽器的工作环境，进一步验证了水平挡板可以改善横向风情况下直接空冷凝汽器的换热性能。,3.2防风网3.2.1防风网模型与机理介绍文献57,58介绍了防风网的防风机理，强风经过防风网后，仅有部分横向风通过防风网，使得风机入口的横向风速大大降低，防风网可以有效降低风机入口处横向风速，达到增加风机进风量，提高换热效率的目的。丁常富59在文章中建立了两个直接空冷单元的模型，通过数值模拟，分析了挡风墙下延加装防风网后
41、空冷凝汽器的换热性能，研究结果表明加装防风网后凝汽器传热效率有所提高。本文通过模拟研究分析发现，加装防风网之后，在改善横向风上游空冷单元换热效果的同时，会对下游空冷单元产生不良的影响，因此有必要对加装防风网进行进一步深入的改进。本文采用全防风网，如图3-10所示，即在空冷平台挡风墙下沿至地面全部安装防风网，以达到减小空冷岛外围风机入口处横向风速同时，不对其他的空冷单元产生负面影响。模拟中防风网处理为多孔跳跃边界条件，本文选用文献60中36目和24目两种单层多孔网进行分析，防风网尼龙绳直径为2mm，两种多孔网示意图分别如图3-11和图3-12所示。,3.2.2防风网效果分析图3-13和图3-14
42、为不采取措施、加装36目9m防风网和，装36目全防风网和24目全防风网四种情况下空冷单元的速度矢量图和压力场图。对比图3-13A和B、图3-14A和B可以发现，加装9m防风网（图中黑色部分）后减小了防风网后空气的流速，第一、第二单元下方最大负压区压强减弱。由于防风网有阻力作用，通过防风网下方的横向风速增加，进而增大了第三、第四单元下方的空气流速，减小第三、第四单元下方压强，导致三、四单元的进风量较无措施时减小。对比图3-13A和C、图3-14A和C，安装36目全防风网后空气通过单元下方的流速减小，通过单元上方的流量增加，进而使第一单元下方最大负压区压强由-170Pa增加到-100Pa，其他三个
43、单元负压区压力较无措施时都大幅上升。通过图3-13C和D比较，可以看出24目全防风网和36目防风网单元上方最大流速分别为15.7m/s和16.3m/s，加装24目全防风网后有更多的空气通过单元上方，减小了风机进风口风速。通过图3-14C和D比较，可以看出加装36目全防风网后第一单元下方压强为-100Pa，加装24目全防风网后第一单元下方负压区压强为-80Pa，说明加装24目全防风网效果较优。,本文以8m/s风速为例分别模拟得到未采取措施、加装36目9m高防风网、加装36目全防风网和24目全防风网条件下第一、第二、第三和第四单元的风机进风量，如表3-2所示。表3-2中可以看出在8m/s风速条件下
44、，与无措施时相比加装9m防风网后，第一单元和第二单元的风机进风量有所增加，尤其是防止了第一单元产生的倒灌现象；但第三、第四单元的风机进风量分别减少了84.93kg/s和63.55kg/s。加装24目和36目全防风网后，前三个单元的进风量都大幅增加，而且没有影响到第四单元的进风量。对比两种全防风网，其中24目全防风网效果更好。,本文进一步分析了8m/s横向风条件下防风效果较好的24目全防风网在其它横向风速条件下的作用。图3-15至图3-18为未采取措施与加装24目全防风网条件下四个单元进风量与横向风速关系。为了分析其它横向风速下加装防风网的效果，本文设置了无横向风以及2、4、6、8、10m/s横
45、向风速六种情况，分别对无措施以及加装24目全防风网后的直接空冷单元进行模拟计算，得到了四个单元进风量与横向风速关系。从图3-15至图3-18中可以看出，第一单元的进风量随着风速增加而减小，但是与无措施时相比，加装全防风网后第一单元的进风质量流量降低速率明显减缓，而且消除了大风环境下第一单元倒灌现象；加装全防风网后，在较低风速条件下确保第二、第三单元的质量流量与无措施时相比基本没有变化，而在较高风速下第二、第三单元的进风量有大幅提升，且随着风速的增高，全防风网的作用越明显；无论是否加装防风网，10m/s以下风速的横向风对第四单元的进风量基本没有影响。,3.3防风导流网本章前面已经指出，要提高直接
46、空冷单元进风量，除了减小横向风通过直接空冷平台下方的风速，增加风机入口处的压强之外，还可以改变横向风通过直接空冷凝汽器下部的风向。本节分析加装导流板的防风效果，并且综合提出一种新型的导流装置防风导流网。3.3.1防风导流装置模型为了改变在横向风作用下通过第一单元向下倾斜的横向风风向，改善横向风作用下直接空冷单元风机的运行环境，在挡风墙下沿布置导流装置（导流板、导流网），如图3-19所示。导流装置呈斜45角布置，设置长度为11.5m，宽度为4m，导流装置垂直间距为3m。,为了研究不同导流装置改善横向风不良影响的效果，本文以6m/s横向风速条件下，安装如下十一种措施进行对比研究：无措施，不采取任何
47、导流措施；措施一，从挡风墙下沿开始向下布置4层无孔导流板；措施二，从挡风墙下沿开始向下布置4层24目导流网；措施三，从挡风墙下沿开始向下布置4层36目导流网；措施四，从挡风墙下沿开始向下布置4层48目导流网；措施五，从挡风墙下沿开始向下布置8层24目导流网；措施六，从挡风墙下沿开始向下布置8层36目导流网；措施七，从挡风墙下沿开始向下布置8层48目导流网；措施八，从挡风墙下沿开始向下布置16层24目导流网至地面24目全尺寸导流网；措施九，从挡风墙下沿开始向下布置16层36目导流网至地面36目全尺寸导流网；措施十，从挡风墙下沿开始向下布置16层48目导流网至地面48目全尺寸导流网。,3.3.2防
48、风导流装置效果分析本节模拟了前面所述的十种导流装置，并对结果加以比对分析。图3-20、图3-21为安装措施一导流装置后空冷单元流线图、压力场图。表3-3列出了6m/s横向风条件下，无措施时和加装十种导流装置时四个单元的进风量。如图3-20、图3-21所示，安装4层导流板后，由于导流板的导流作用，风向由斜向下改变为斜向上，改善了第一单元的流场，但是由于导流板的阻碍作用，在导流板后方形成负压区，产生了旋涡，恶化了后面三个单元的流场，使得后面的三个空冷单元进风量减少。如表3-3所示，与无导流措施相比，安装无孔导流板后，第一单元进风量大幅增加，但是后面三个单元的风机进风量明显减少，分别减小了132.0
49、6、221.93、188.15 kg/s。,为了改善第一单元流场同时，避免在空冷单元下方产生旋流现象，本文采用措施二对导流板进行了改装，把实心挡板更换为图3-11和图3-12所示的多孔网，称之为防风导流网装置。采用措施二改装后，空冷单元流场以及压力场如图3-22和图3-23所示。经过改装之后，消除了导流叶片后方的旋流区域，减弱负压区域最大负压强。如表3-3所示，与导流板相比，虽然第一单元进风量有所减小，但是后面三个单元的进风量明显增加；与无措施时相比，第一单元进风量大幅增加，第二单元进风量也有所增加，第三、第四单元进风量有所减少。另外，表3-3中措施二至措施十的数据表明，随着导流网层数的增加，
50、四个单元的进风量均随之增加，尤其是第一和第二单元，进风量大幅增加。可见导流网层数越多，导流效果越明显，全尺寸导流网的效果最佳。其原因可以从图3-24和图3-25得到解释，理由是流场得到了明显地改善，尤其是第一和第二单元下方的负压明显增大。图3-26与图3-27为当环境温度为302K时，安装36目全尺寸导流网和无措施情况下直接空冷凝汽器外流场的温度。比较图3-26与图3-27，可见安装全尺寸导流网后第一和第二单元内进气温度明显降低，换热条件得到改善。,不同目数的导流网对进风量的改善效果不同，如表3-3中措施二至措施十的数据所示，对于四层导流网，随着目数的增加，第一单元进风量呈下降趋势而第二至第四
