直接空冷单元流动传热特性及空气流场优化组织

摘要

因具有显著的节水优势，电站空冷技术在我国北方富煤缺水地区获得了快速发展。直接空冷电站空冷凝汽器通常包含数十个空冷单元，直接空冷单元为A型框架结构，由以一定夹角分两侧倾斜布置的翅片管束和下部的轴流风机构成。直接空冷单元特殊的A型框架结构和轴流风机出口复杂的空气动力学性能，使得其框架空间内部空气流场具有明显的旋转上升的特点，且呈中心对称分布，导致空冷单元翅片管束的冷却空气流量分配极不均匀，不同区域翅片管束的散热能力呈现很大差异，翅片管束传热面利用效率低，空冷凝汽器流动传热性能差。
　　通过CFD方法，应用商业软件Fluent，本文研究了直接空冷单元内部的空气动力学特性，发现在风机出口由于流通面积的突变，空冷单元底部形成了流动死区和涡流，并且在单元中心形成了严重的回流，导致流动阻力增加，阻碍了风机出口冷却空气向翅片管束方向的顺利流动，影响了直接空冷单元的流动传热性能。
　　基于空冷单元内空气动力学特征，本文提出了7种不同的导流方案，并采用CFD方法对7种导流方案的空冷单元热力性能进行了研究，确定了相对较为优化的方案作为空冷岛导流改造的最终方案。将空气导流改造方案应用于空冷岛其中一列单元，分析了环境风作用下，空气流场优化前后该列各个单元流动传热特性的变化，获得了各个单元翅片管束出口空气流速和温度的分布以及通过各个单元空气质量流量和单元热负荷的变化规律。结果发现，沿着环境风的流动方向，上游空冷单元风机入口空气流动变形加剧，风机无法正常工作，热力性能较下游单元低，更严重的是上游单元出现了空气倒流现象。虽然环境风对下游单元的影响相对较小，但是上游单元的空气倒流现象将热空气带回至风机入口处，并随着来流空气一起进入下游风机，使下游风机入口空气温度上升，空冷单元的流动换热性能下降。经过空冷单元导流改造后的流场优化组织，下游空冷单元的冷却空气流量和热负荷增加，热力性能有了明显提升。
　　将冷却空气导流改造方案应用于国内某300MW直接空冷电厂，并对其中一列共5个单元进行了导流改造前后的现场热力性能试验。通过测量获得了该列各个单元翅片管束出口空气的流速分布和机组背压的变化规律。与现场实测数据相比，数值模拟得到的空冷单元翅片管束出口气流速度分布基本吻合，表明通过CFD手段得到的空冷单元流场优化组织方案可行。直接空冷单元空气流场优化组织，可提高空冷系统的流动传热性能，降低机组背压。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 空冷电站的国内外发展现状

1．2 直接空冷技术

1．3 多尺度输运过程数值模拟方法

1．3．1 传热与流动多尺度问题分类

1．3．2 多尺度过程的模拟方法

1．4 空冷单元热力性能

1．4．1 国内外空冷凝汽器研究

1．4．2 国内外空冷轴流风机研究

1．4．3 国内外空冷系统性能及环境效应研究

1．5 本文研究内容

第2章 空冷单元流动传热性能研究方法

2．1 直接空冷单元物理模型

2．2 直接空冷单元数学模型

2．2．1 计算方法与网格划分

2．2．2 控制方程

2．2．3 考虑自然对流的影响

2．2．4 湍流模型的分类

2．2．5 湍流模型的选择

2．3 边界条件与收敛准则

2．3．1 采用radiator模型的翅片管束

2．3．2 风机模型的建立与设置

2．3．3 其它边界条件和收敛定义

2．4 数值模拟计算流程

2．5 现场热力性能试验

2．5．1 系统概况

2．5．2 试验目的

2．5．3 试验项目

2．5．4 试验仪器、仪表

2．5．5 试验过程

2．6 小结

第3章 空冷单元流动传热性能

3．1 风机出口空气动力特性

3．2 A型框架内空气动力场

3．3 管束流量和热负荷分配规律

3．4 考虑环境风影响的空冷单元热力性能

3．4．1 环境风作用下空冷单元建模

3．4．2 空冷岛一列单元内部流场及温度场

3．4．3 单元流量与热负荷分布规律

3．5 小结

第4章 空冷单元冷却空气流场优化组织

4．1 空气流场优化组织原则

4．1．1 不同导流方案的确定

4．1．2 无环境风作用情况

4．1．3 环境风作用情况

4．2 空气导流技术

4．3 不同导流方式的热力性能对比

4．3．1 翅片管束速度和温度分布

4．3．2 翅片管束速度和温度极值

4．3．3 翅片管束热负荷及单元质量流量

4．4 环境风作用下导流改造后空冷单元热力性能

4．5 小结

第5章 空冷单元热力性能试验

5．1 导流前后不同空冷单元的管束速度分布

5．2 导流前后机组背压的对比试验

5．3 小结

第6章 结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

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