杨金凤

（国核电力规划设计研究院，北京 100095）

消能导流装置在空冷岛的应用

杨金凤

（国核电力规划设计研究院，北京 100095）

为减少环境风对直接空冷机组换热性能的不利影响，介绍一种在空冷岛挡风墙下延方向加装电动旋转网板的消能导流装置，分析不同风速和风向下空冷岛换热性能的变化规律，采用数值模拟的方法计算得到消能导流装置旋转网板在不同风速风向下的开度，对加装消能导流装置前后空冷岛的各项参数进行计算分析，结果表明加装消能导流装置后降低了高风速下风机流量的波动，明显稳定了机组背压，并且该装置比固定开孔率的防风网更能有效的抵御各种风速风向环境风的影响，确保空冷岛的换热效率，为直接空冷机组防风设计提供一定参考。

环境风；消能导流；风速；风向；换热效率

0　引言

目前，空冷机组采用的防风措施一般是在空冷平台上设置挡风墙，针对空冷平台下部的空气入口处环境风的影响，文献［1-4］提出在挡风墙下部加装防风网或导流网并对不同开孔率和高度的防风网对空冷岛换热效率的影响进行了研究，虽然固定高度和开孔率的防风网能够在环境风速较大时对进入风机的风进行减速，保证风机的正常出力，但不能有效针对所有环境风条件例如在无风和低风速下防风网的存在会影响平台下部的空气流动，降低空冷凝汽器的换热性能。

本文介绍了一种布置于挡风墙［5］下方的由电动旋转挡风网板组成的消能导流装置，该装置通过监测、采集电厂运行过程中风速、风向及运行数据，对空冷凝汽器进行数值模拟［6-8］，指导控制系统实时调节挡风网板角度，改变挡风网阵列整体阻力状况，从而满足各风向下稳定平台风机流量效果，进而达到稳定背压保证电厂运行安全性和经济性的目的。

1　物理模型

以哈密电厂两台600 MW直接空冷凝汽器为研究对象，空冷平台标高50 m，挡风墙高度为13.05 m，空冷凝汽器布置在紧靠汽机房A列外侧，每台机组空冷平台上布置64个空冷单元，8排8列布置，每个空冷单元下面布置1台轴流风机，空冷冷却单元尺寸为:平行于A列为11 325 mm，垂直于A列为12 015 mm，A型冷却单元夹角为60°，消能导流装置（防风装置）以十字形布置在空冷平台下，见图1。垂直于A列高度为轴流风机风筒下沿至地面，平行于A列高度为轴流风机风筒下沿至7.06 m。每两台机组长约200 m、宽约100 m、总高约50 m，风筒下沿至桁架下弦约4～5m、地面至混凝土柱顶约45 m。消能导流装置的旋转网板采用非导体复合板材为基础材料，非导体复合板材的厚度为3 mm，垂直于A列方向自上而下共3组，平行于A列方向自上而下共2组，消能导流装置的旋转网板本身具有一定开孔率，自下而上的开孔率为40%-15%，每块网板高1.1 m，宽3 m，每组网板由12*3（行*列）的单块网板组成，每组网板配套电动旋转机构，见图2。旋转网板能够自水平向垂直可做-90°至90°旋转并固定，垂直于地面时，百叶通风量为0，环境风穿过网板上的孔，此时阻力最大，网板旋转至平行于地面时，百叶通风量为100%，环境风完全穿过效能导流装置，此时阻力为零，示意图见图3，通过控制网板开合角度以达到风机组最佳工作状态，达到空冷机组的最大换热效率［9］。

图1　空冷岛消能导流装置平面示意

图2　消能导流装置立面示意

图3　消能导流装置旋转网板示意

2　计算分析

本文的控制方程采用标准k-ε方程，空冷系统热力计算采用η-NTU法［10，11］。

计算模型进口采用速度进口边界条件，压力出口边界条件，凝汽器风机用无限薄的圆面代替，采用风扇入口边界条件，风机的具体参数为:风机直径为9.754 m，单台风量为556.7 m3/s，静压106.4 Pa，动压87.41 Pa，按以上参数设定风扇入口边界。换热器管束采用多孔介质边界条件，消能导流装置处理为多孔跳跃区域。计算区域为500 m（长）×400 m（宽）×300 m（高），空冷平台高50 m，采用结构化和非结构化网格进行划分，网格总数167万。

环境风速作用下，空冷风机进口处形成的负压卷吸了原本被吸入风机的空气流，致使风机风量下降，图4为不同环境风速下风机风量变化曲线，在无风环境下，风机风量为476.8 m3/s，当环境风速为12m/s时，风机风量下降至318.92 m3/s，较之无风环境下的下降幅度达到了20.5%。图5为不同环境风速下空冷单元的运行背压值［12，13］，在无风环境下，空冷单元的运行背压为21.5 kPa，当环境风速为12 m/s时，运行背压为62.5 kPa，对于直接空冷机组而言，运行背压在62.5 kPa将使汽轮机末级工作在及其恶劣的环境下，接近停机背压65 kPa，此时背压恶化的速率快，很快将停机，这是不允许的。消能导流装置的网板角度决定了通过装置的空气量和流速，合适的网板角度能在风速大时起到阻挡环境风的作用，降低从中穿过的环境风速度，使得边缘空冷单元入口静压力升高，风机流量增大，稳定机组平均风机流量，从而稳定运行背压。

机组所在地的风玫瑰图如图6所示。本节分析给出网板角度的计算方法并选取风向出现次数和频率较大的两个风向:E，ESE，ENE通过计算数据获得消能导流装置网板角度，其余风向可按此方法计算。

正面通过消能导流网板的风速和网板角度有函数关系:

图4　不同风速下风机风量变化规律

图5　不同风速下机组背压变化规律

图6　机组所在地风玫瑰图

Vf是网板前环境风速，VT是通过网板的环境风速，θ是网板角度，C（v）是风速的模型函数，Cf是风向影响因子，对于正向、侧向和炉后来风为风速模型常量。

消能导流装置布置位置成十字型，将空冷岛风机划分为四个区域1，2，3，4，不同风向对风机流量的影响各区域各不同，鉴于风机流量和风速有分段近似比例关系，四个区域的风速加权平均后为机组的平均风速。同时为便于对除正向风外的其余风向进行研究，对风速Vτ进行矢量分解，平行于A列方向为，垂直于A列方向为，机组平均风速可表达为:

根据上述公式计算典型风向和风速下的网板开度，开度参数参见表1～3。

表1　E风向旋转网板开度参数

表2　ENE风向旋转网板开度参数

表3　ESE风向旋转网板开度参数

E风向下采用消能导流装置前后机组背压的对比曲线如图7。

由图7可以看出，采用网板角度根据风速和风向变化的消能导流装置后比不设置防风装置前稳定了机组背压，在风速小于16 m/s时背压能稳定在38 kPa以下，风速在16 m/s以上时也能使汽轮机末级叶片工作在较好的工况下。

ESE风向下没有采用防风措施，采用固定开孔率（15%）的防风网和采用根据风速风向自动调节的消能导流装置空冷岛换热效率对比如图8，消能导流装置对风机流量的提升的各项指标见表4。

图7　E风向加装消能导流装置前后机组背压对比曲线

表4　消能导流装置对风机流量的提升效果

图8　ESE风向三种方式空冷岛效率对比

由图8和表4可以看出，固定开孔率的防风网相对于不设置防风网能够在风速较大时提高空冷岛的换热效率，但是无风和低风速下还是阻挡了平台下方的空气流动，消能导流装置能够让风在低风速下尽量通过，高风速下减弱风速，有针对性的调节不同风速下通过网板的风速，从而稳定机组的平均风机流量，降低了高风速下风机流量的波动，保证了空冷岛的换热效率，在风速大于16 m/s时换热效率比不设置该装置时平均提高了0.32，比固定开孔率的防风网平均提高了0.205。

图9 E风向机组背压模拟值和实际运行数据对比曲线

图9为应用模型计算的E风向下机组背压曲线和电厂实际运行数据背压曲线的对比图，由图9可知，二者趋势基本吻合，说明数值模拟结果可以较好的反映机组的运行性能，模拟结果和实际运行结果相差不大，验证了数值算法和模型的科学性。

3　结论

（1）该装置能有效稳定机组背压，在风速小于16 m/s时背压能稳定在38 kPa以下，风速在16 m/s以上时也能使汽轮机末级叶片工作在较好的工况下。

（2）该装置比不设置防风网和固定开孔率的防风网在各种风速下稳定空冷岛换热效率的效果更显著，在风速大于16m/s时换热效率比不设置该装置时平均提高了0.32，比固定开孔率的防风网平均提高了0.205。

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Application of Windshield Assembled by Electric Rotating Plate on Direct Air Cooled Island

YANG Jinfeng
（State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute，Beijing 100095，China）

The energy dissipation diversion device installed of electric rotating plate under the windbreak of aircooled island is proposed in view of decreasing unfavorable influence of ambient wind on heat exchange performance of direct air-cooling unit.Analyzed the heat exchange efficiency rule at different wind speed and different wind direction.By numerical modeling calculates the opening of the energy dissipation diversion device at different wind speed and different wind direction and calculates the parameters of air-cooling island before and after installation of the energy dissipation diversion device.Results show that reducing the flow fluctuation of the fan under the high speed，stablization the backpressure of unit obviously.The device can defense the influecnce of ambient wind under different wind speed than the windbreak with fixed opening rate effectively which ensures the heat exchange effiency of air-cooling island and provides certain reference for the air-cooled island wind resist design.

ambient wind；energy dissipation diversion；wind speed；wind direction；heat exchange efficiency

TP23

B DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.012

2016-03-31。

杨金凤（1984-），女，工程师，主要从事大型火力发电厂和核电厂热工自动化设计和研究工作，E-mail:fenny357@163.com。