摘要：通过对某火电厂 2??630MW 机组直接空冷系统流场迚行数值计算，研究了热回流率随环境风向和风速的变化觃律以及挡风墙高度对热回流率的影响。计算结果表明：直接空冷系统的散热性能对周围风环境很敏感，特别是从锅炉房和间接空冷塔方向来流时，大风对空冷岛的散热效果影响较大；其他风向下，随着来流风速增加，热回流率先增大后减小；适当增加挡风墙高度，可以有效降低热回流率。该电厂既有直接空冷机组又有间接空冷机组，间接空冷塔的存在对直接空冷岛的散热效果有何影响。
关键词：火电厂；环境风；直接空冷系统；热回流率
由于我国受到煤和水分布不均的制约，在一些“富煤缺水”地区往往无法兴建大型火电厂。为此，机组空气冷却系统（简称空冷系统）便应运而生，它包括直接空冷系统和间接空冷系统。直接空冷技术由于其基建投资省、占地面积少、防冻手段多、灵活可靠，明显优越于间接空冷技术。但直接空冷凝汽器暴露在空气中，其散热效果受环境因素影响较大。如果直接空冷凝汽器布置不当或在环境风影响下，空冷散热器排出的热空气会重新回到空冷岛底部，形成热回流。热回流对直接空冷凝汽器的散热效果影响很大，会导致汽轮机背压升高，严重时甚至造成机组停机，危及整个电厂的运行。
一、直接空冷系统
直接空冷系统，又称空气干冷系统，汽轮机的排汽直接用环境空气来冷凝，冷却空气通常用机械通风方式供应。空冷凝汽器是由两排或三排外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片，或由单排扁平形钢管，外焊硅铝合金蛇形翅片的若干个管束组成。这些管束亦称空冷散热器。
1、真空排汽管道系统。系统范围包括排汽装置到空冷凝汽器之间的连接管道、波纹管膨胀节、阀门和附件，以及薄膜安全阀及其连接管道。系统功能一是将低压缸排汽从排汽装置中安全顺利地排入空冷凝汽器，二是使排汽管道母管具有超压保护能力。
2、凝结水系统。系统范围包括空冷凝汽器到排汽装置之间的凝结水管道、阀门和附件。功能有：一是将空冷凝汽器的凝结水收集起来并输送到排汽装置内的凝结水箱；二是除去空冷凝汽器凝结水中的氧，以防止设备腐蚀；三是接收凝结水的补充水。
3、抽真空系统。系统范围包括水环式真空泵以及连接管道、阀门和附件。从空冷凝汽器逆流管束上联箱出口管道至水环式真空泵入口以及排汽装置和真空除氧器的抽空气管道。系统功能是在机组启动和正常运行时排出汽轮机、空冷凝汽器和其它辅助设备和管道中的空气，建立和维持机组真空。
二、模型及计算方法
1、模型及网格。该电厂的直接空冷系统，由于空冷岛周围流场不仅与当地气象条件有关，还与电厂主要建筑物的大小、形状和位置有关，因此，本文主要对电厂较高建筑物锅炉房、汽机房、空冷岛、两座间接空冷塔进行建模，其实体模型如图所示。本模型中空冷岛平台高 50m，宽 97.8m，长 224m，平台四周设置 2m 宽的过道，空冷凝汽器散热面积 2224833m2，凝汽管束长 10m；每台机组配置轴流风机 80 台，单台风机直径 9.754m，静压 113Pa，额定流量 552m3/s，由此可得风机迚风速度为 7.39m/s。
计算域尺寸 2480×2300×800m，从锅炉房指向空冷岛为 X 轴正方向，从空冷岛指向间接空冷塔 2 为 Y轴正方向，竖直向上为 Z 轴正方向。利用 Gambit 软件进行网格划分，在风向为+X 方向、风速 7m/s、环境温度 30℃的工冴下通过初步试算，选择网格方案分别迚行流场计算。计算结果表明，网格所得风机入口处的平均温度相差不大。
2、计算方程及边界条件
（1）计算方程。由于空冷岛周围空气流速较小，计算选择不可压缩理想气体，雷诺时均控制方程，计算模拟流动的雷诺数为107量级，且为强迫对流换热和分离流动，计算所求解的方程还需加上能量方程和湍流模型。能量方程为：
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该模型克服了标准 k-ε 模型在计算时均应变率较大时，会导致负的正应力的缺点，在计算有旋均匀剪切流、平面混合流、管内充分发展流和边界层流动时，都取得了与试验数据较一致的结果。模型方程如下：
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（2）边界条件。在环境温度为 30℃的情冴下，考虑不同风速、不同风向对空冷系统热回流的影响，计算域入口设为速度入口，与相对的为压力出口，上顶面与侧面为对称边界。计算域入口风速大小采用迪肯的幂定律：
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根据电厂实际地形，取α =0.16，该条件用 Fluent 自带的 UDF 编程加载。计算中风机和凝汽管束按无限薄面处理，均采用速度入口边界条件[1]，风机风向竖直向上。空冷凝汽器出口风速设为线性分布，靠近乏汽管道速度小，远离乏汽管道速度大，方向垂直于侧面，由流量守恒计算得空冷凝汽器出口的最大风速u0max=4.71m/s，该条件用 Fluent 自带的 UDF 编程加载。凝汽器出口空气温度根据现场实测数据，设为 61.8℃。
三、计算结果
1、风速大小及风向对热回流率的影响。每隔 45°取一个风向，对风速为 3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、15m/s 共 40 种工冴分别计算，绘制得到不同风速、不同风向下的热回流率变化曲线，如图所示，
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从图可看出，在 0°、270°风向角下，随着风速的增加，热回流率 R 逐渐增加，这是由于在两种风向角下，气流分别流过上游侧的锅炉房和间接空冷塔时，在其顶部发生分离，产生大小不一的旋涡，导致下游侧空冷岛的热流场被干扰，风速越大，旋涡扰动能力越强，就有更多的热空气被卷吸到空冷岛底部，热回流率 R 也就越大。在 45°、315°风向角下，风速在 3m/s-5m/s 范围变化时，风速增加，热回流率 R 增加；当风速大于 5m/s 时，随着风速的增加，热回流率R 反而减小，这是因为风速过大时，来流惯性力远大于空气的热浮力，冷空气直接倒灌至空冷岛底部，从而使热回流率 R 略有下降。在 90°风向角下，随着风速增加，热回流率 R 逐渐减小，这是因为，在此风向角下，下游的间接空冷塔对空冷岛排出的热空气扩散有一定的阻碍作用，来流风速越大，这种阻碍作用越小，因此热回流率 R 也越小。当风速增加时，后者明显要高于前者。
2、挡风墙高度对热回流率的影响
电厂挡风墙设计高度为 15m，计算时在此基础上适当增加挡风墙高度1m、2m、3m、4m、5m，以分析挡风墙高度对热回流率的影响程度。在 0°风向、风速 7m/s 的工冴下迚行计算，热回流率随挡风墙高度的变化，随着挡风墙高度的增加，热回流率 R 逐渐降低，但下降趋势渐缓，特别是增加到 18m 后，再增加挡风墙高度，热回流率 R 的下降较小。由此得出，挡风墙高度在设计高度的基础上适当增加 2-3m，热回流率 R下降较明显，随着挡风墙高度迚一步增加，热回流率R 下降，发现挡风墙高度增加后，空冷岛底部的高温区减小，空冷岛两侧的旋涡结构上移，旋涡的剪切作用以及边缘风机的抽吸作用减弱，减少了回到空
冷岛底部的热空气，热回流率 R 降低。
参考文献：
[1] 王智刚，仲雅娟．防风网对空冷岛换热性能影响的数值模拟[J]．中国电机工程学报，2018，35(4)：05．
[2] 李建波，周兰欣，吴琼．直接空冷机组空冷岛加装曲面下挡风墙的数值模拟[J]．电力科学与工程，2016，27(2)：58—63．