赵小民
大唐蒲城第二发电有限责任公司 陕西省渭南市 715501
摘要：在缺水地区火电厂中直接空冷技术的应用较为广泛，但其空气冷凝器会直接受到环境风带来的影响。基于此，本文将结合某发电有限责任公司实例，深入探讨直接空冷系统汽轮机运行背压的计算方法，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
关键词：直接空冷系统汽轮机；数值模拟；运行背压
前言：空冷技术的快速发展使得火电厂装机容量不断提升，环境风场带来的影响也开始引起业界重视。结合实际调研可以发现，现阶段主流的计算流体力学商品软件无法较好满足直接空冷系统汽轮机运行背压的计算需要，为实现运行背压在环境风场条件下的直接计算，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。
1.直接空冷系统汽轮机运行背压的计算思路
1.1研究对象
为提升研究的实践价值，本文以某发电有限责任公司的空冷电厂作为研究对象。案例空冷电厂位于山区，由两期工程组成，一期包括660MW汽轮机组2台，二期包括1000MW机组2台。空冷电厂所在地的环境温度、风向和风力受季节影响较大，周围存在90～160m高度的山体，山体与空冷平台（一期工程）存在200m距离，厂区夏季环境温度、常年环境温度分别为30℃、7℃，图1为电厂坐标示意图，图中的1、2号为一期工程，3、4号为二期工程。在具体实践中，案例空冷电厂在基于模拟的直接空冷系统汽轮机运行背压计算中投入大量资源和精力，最终取得的研究成果与设计人员的经验一致，可见案例工程的相关实践具备较高借鉴价值。
.png)
1.2计算思路
为计算直接空冷系统汽轮机运行背压，需要针对性开展数值模拟，选择外界风场流动与汽轮机乏汽管道内部流动的内外流耦合方法，该方法的应用需要对汽轮机乏汽排汽散热管道在初始背压条件下的热量与流量进行计算，同时还需要对管道壁面温度进行计算，以此完成空冷器换热计算模型组合。标准不可压缩方程需要将作为源项的空冷器换热计算模型带入，假设需要加入方程中，这里的假设采用的温度函数为空气密度，方程的数值迭代求解采用有限体积法，乏汽管道壁面热流密度及乏汽与外界空气的换热量能够在每一个迭代步获得，如存在小于10－3的两个数值差异，乏汽换热量可近似获得，汽轮机背压值（乏汽压力值）可在之后通过乏汽状态方程计算获得。如存在数值差异较大情况，初始值可由得到的新数值替代，以此持续开展迭代计算，即可最终满足汽轮机背压值计算需要[1]。
2.直接空冷系统汽轮机运行背压的具体计算
2.1计算方法
基于方程对案例空冷电厂在空冷散热器和环境风耦合作用下的空气流场进行求解，内外流需同时进行计算，耦合在空冷散热器表面进行，可由此得到式（1）所示的连续性方程、式（2）所示的运动方程。
.png)
式中的p、u、分别为密度、速度、压力，进一步分析可得到：
.png)
式中的、、、分为流体动力学黏性系数、应变率张量、应力张量、单位二阶张量的分量。
如环境风场处于湍流状态，需选择湍流动能模型，该模型基于重整化群，同时采用无滑移条件的厂房壁面为边界条件，无穷远压力零梯度条件用于远场。空冷散热器采用无滑移条件的表面流动速度，内外流耦合的温度平衡及热流密度作为热量和温度条件，迭代收敛以迭代过程中内外流体热流密度和温度较为接近为依据。选择分离式压力修正法作为数值方法，以此完成方程求解，稳态数值解能够在时间趋于无穷时获得。选择半隐式压力速度耦合迭代作为压力修正方法，作为常用的压力修正法，方法的应用较为普遍。上述方程还需要增加考虑周围空气换热与空冷换热器的源项，同时简化空冷换热器，空气散热器热流密度和内外部温度耦合总换热量属于需要重点考虑的问题，因此空冷散热器顶部和散热器下部吸风风扇入口处温度需要得到重视，以此对散热器模型进行针对性简化，即可更好满足研究需要。通过相同压力损失的等效模型简化真实模型，立方体的几何形式可保证三维网格数目降低，计算网格质量能够同时提升[2]。
冷却前后流经等效模型乏汽周围的气体存在一定压力变化，压力差可记录为，以此在式（2）中带入，具体的压力差计算公式为：
.png)
式中的f、、分别为压力损失系数、平均气体密度（简化模型）、气体速度，需结合散热器性能参数表计算压力损失系数值。耦合换热量在每一个迭代步内的计算需要结合换热区域的流动方式，同时基于设备技术指标确定换热效率系数，为完成各个网格单元换热量的计算，需采用公式：
.png)
式中的、、、分别为网格单位环境气体温度、对应单位入口处乏汽温度、乏汽比热、乏汽质量流量，因此可基于式（8）计算全部模型换热量，空冷散热器总换热量可基于式（9）进行计算。
（8）
赵小民
大唐蒲城第二发电有限责任公司 陕西省渭南市 715501
摘要：在缺水地区火电厂中直接空冷技术的应用较为广泛，但其空气冷凝器会直接受到环境风带来的影响。基于此，本文将结合某发电有限责任公司实例，深入探讨直接空冷系统汽轮机运行背压的计算方法，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
关键词：直接空冷系统汽轮机；数值模拟；运行背压
前言：空冷技术的快速发展使得火电厂装机容量不断提升，环境风场带来的影响也开始引起业界重视。结合实际调研可以发现，现阶段主流的计算流体力学商品软件无法较好满足直接空冷系统汽轮机运行背压的计算需要，为实现运行背压在环境风场条件下的直接计算，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。
1.直接空冷系统汽轮机运行背压的计算思路
1.1研究对象
为提升研究的实践价值，本文以某发电有限责任公司的空冷电厂作为研究对象。案例空冷电厂位于山区，由两期工程组成，一期包括660MW汽轮机组2台，二期包括1000MW机组2台。空冷电厂所在地的环境温度、风向和风力受季节影响较大，周围存在90～160m高度的山体，山体与空冷平台（一期工程）存在200m距离，厂区夏季环境温度、常年环境温度分别为30℃、7℃，图1为电厂坐标示意图，图中的1、2号为一期工程，3、4号为二期工程。在具体实践中，案例空冷电厂在基于模拟的直接空冷系统汽轮机运行背压计算中投入大量资源和精力，最终取得的研究成果与设计人员的经验一致，可见案例工程的相关实践具备较高借鉴价值。
1.2计算思路
为计算直接空冷系统汽轮机运行背压，需要针对性开展数值模拟，选择外界风场流动与汽轮机乏汽管道内部流动的内外流耦合方法，该方法的应用需要对汽轮机乏汽排汽散热管道在初始背压条件下的热量与流量进行计算，同时还需要对管道壁面温度进行计算，以此完成空冷器换热计算模型组合。标准不可压缩方程需要将作为源项的空冷器换热计算模型带入，假设需要加入方程中，这里的假设采用的温度函数为空气密度，方程的数值迭代求解采用有限体积法，乏汽管道壁面热流密度及乏汽与外界空气的换热量能够在每一个迭代步获得，如存在小于10－3的两个数值差异，乏汽换热量可近似获得，汽轮机背压值（乏汽压力值）可在之后通过乏汽状态方程计算获得。如存在数值差异较大情况，初始值可由得到的新数值替代，以此持续开展迭代计算，即可最终满足汽轮机背压值计算需要[1]。
2.直接空冷系统汽轮机运行背压的具体计算
2.1计算方法
基于方程对案例空冷电厂在空冷散热器和环境风耦合作用下的空气流场进行求解，内外流需同时进行计算，耦合在空冷散热器表面进行，可由此得到式（1）所示的连续性方程、式（2）所示的运动方程。
式中的p、u、分别为密度、速度、压力，进一步分析可得到：
式中的、、、分为流体动力学黏性系数、应变率张量、应力张量、单位二阶张量的分量。
如环境风场处于湍流状态，需选择湍流动能模型，该模型基于重整化群，同时采用无滑移条件的厂房壁面为边界条件，无穷远压力零梯度条件用于远场。空冷散热器采用无滑移条件的表面流动速度，内外流耦合的温度平衡及热流密度作为热量和温度条件，迭代收敛以迭代过程中内外流体热流密度和温度较为接近为依据。选择分离式压力修正法作为数值方法，以此完成方程求解，稳态数值解能够在时间趋于无穷时获得。选择半隐式压力速度耦合迭代作为压力修正方法，作为常用的压力修正法，方法的应用较为普遍。上述方程还需要增加考虑周围空气换热与空冷换热器的源项，同时简化空冷换热器，空气散热器热流密度和内外部温度耦合总换热量属于需要重点考虑的问题，因此空冷散热器顶部和散热器下部吸风风扇入口处温度需要得到重视，以此对散热器模型进行针对性简化，即可更好满足研究需要。通过相同压力损失的等效模型简化真实模型，立方体的几何形式可保证三维网格数目降低，计算网格质量能够同时提升[2]。
冷却前后流经等效模型乏汽周围的气体存在一定压力变化，压力差可记录为，以此在式（2）中带入，具体的压力差计算公式为：
式中的f、、分别为压力损失系数、平均气体密度（简化模型）、气体速度，需结合散热器性能参数表计算压力损失系数值。耦合换热量在每一个迭代步内的计算需要结合换热区域的流动方式，同时基于设备技术指标确定换热效率系数，为完成各个网格单元换热量的计算，需采用公式：
式中的、、、分别为网格单位环境气体温度、对应单位入口处乏汽温度、乏汽比热、乏汽质量流量，因此可基于式（8）计算全部模型换热量，空冷散热器总换热量可基于式（9）进行计算。
.png)
完成换热量计算后，直接空冷系统汽轮机在当前迭代的运行背压可基于乏汽的状态方程计算得出，对比初始值判断是否需要继续迭代，不同空冷系统设备布局、不同风速和风向条件下汽轮机运行背压计算需要可由此较好满足。
2.2计算结果
采用上述方法进行计算，对案例空冷电厂的直接空冷系统安全性和经济性开展数值模拟，以此围绕一期之和二期脱开距离开展计算，比较脱开距离在135m、120m、105m时空冷电厂运行情况，汽轮机运行背压可通过计算顺利获取，同时对3m/s小风速、10m/s大风速环境下的脱开距离安全性和经济性进行比较。通过计算可以确定，120m脱开距离下，风向角为0°、45°、180°、337.5°时，1号机组的背压分别为35.83kPa、43.12kPa、58.95kPa、49.75kPa，2号机组分别为62.40kPa、48.17kPa、39.66kPa、72.33kPa，3号机组分别为52.51kPa、32.16kPa、73.00kPa、72.33kPa，4号机组分别为66.83kPa、43.36kPa、27.36kPa、77.90kPa。
结合计算结果进行对比可以发现，小风速下各台机受到的脱开距离影响较小，2、4号机组在风向角为337.5°和315°使会受到一定影响，此外各机组存在45kPa内的运行背压。受复杂地形影响，4号机组在来流存在较高背压。在二期和复杂地形影响下，正面来流下一期汽轮机组在某些工况时也存在超过预警背压情况，如前侧方地形复杂的4号机组在来流时正常运行会受到严重威胁。在相互影响的一、二期作用下，各机组正常运行均受到影响，如风向角下存在超过跳闸背压的2号机组运行背压，且这种情况几乎不受三种脱开距离影响，这种情况是由于脱开间距变化小于电厂主厂房和大空间山体带来的主体大涡特征尺度，因此恶劣工况在脱开距离增加15～30m时无法改善。同时，在大风速环境下315°来流时，存在送风风机正常的3、4号机组，以及风机存在很多热回流的1、2号机组。总的来说，上述数值模拟与案例空冷电厂的运行经验一致，本文研究的实用性得到证明。
结论：综上所述，直接空冷系统汽轮机运行背压的计算需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的计算思路、计算方法、计算结果等内容，则提供了可行性较高的运行背压计算路径。为更好保证直接空冷系统汽轮机的安全稳定运行，自编程序的科学设计、已有计算软件的内外流耦合条件加入同样需要得到重视。
参考文献：
[1]梁双印，隋云任，黄登超.空冷汽轮机冷端储冷式多元耦合提效技术实验研究[J].中国电机工程学报，2021,41(07):2427-2435.
[2]倪伟铭，杜小泽，杨立军，席新铭.大型火电机组母管制空冷系统特性[J].中国电机工程学报，2019,39(08):2403-2413+23.
（9）
完成换热量计算后，直接空冷系统汽轮机在当前迭代的运行背压可基于乏汽的状态方程计算得出，对比初始值判断是否需要继续迭代，不同空冷系统设备布局、不同风速和风向条件下汽轮机运行背压计算需要可由此较好满足。
2.2计算结果
采用上述方法进行计算，对案例空冷电厂的直接空冷系统安全性和经济性开展数值模拟，以此围绕一期之和二期脱开距离开展计算，比较脱开距离在135m、120m、105m时空冷电厂运行情况，汽轮机运行背压可通过计算顺利获取，同时对3m/s小风速、10m/s大风速环境下的脱开距离安全性和经济性进行比较。通过计算可以确定，120m脱开距离下，风向角为0°、45°、180°、337.5°时，1号机组的背压分别为35.83kPa、43.12kPa、58.95kPa、49.75kPa，2号机组分别为62.40kPa、48.17kPa、39.66kPa、72.33kPa，3号机组分别为52.51kPa、32.16kPa、73.00kPa、72.33kPa，4号机组分别为66.83kPa、43.36kPa、27.36kPa、77.90kPa。
结合计算结果进行对比可以发现，小风速下各台机受到的脱开距离影响较小，2、4号机组在风向角为337.5°和315°使会受到一定影响，此外各机组存在45kPa内的运行背压。受复杂地形影响，4号机组在来流存在较高背压。在二期和复杂地形影响下，正面来流下一期汽轮机组在某些工况时也存在超过预警背压情况，如前侧方地形复杂的4号机组在来流时正常运行会受到严重威胁。在相互影响的一、二期作用下，各机组正常运行均受到影响，如风向角下存在超过跳闸背压的2号机组运行背压，且这种情况几乎不受三种脱开距离影响，这种情况是由于脱开间距变化小于电厂主厂房和大空间山体带来的主体大涡特征尺度，因此恶劣工况在脱开距离增加15～30m时无法改善。同时，在大风速环境下315°来流时，存在送风风机正常的3、4号机组，以及风机存在很多热回流的1、2号机组。总的来说，上述数值模拟与案例空冷电厂的运行经验一致，本文研究的实用性得到证明。
结论：综上所述，直接空冷系统汽轮机运行背压的计算需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的计算思路、计算方法、计算结果等内容，则提供了可行性较高的运行背压计算路径。为更好保证直接空冷系统汽轮机的安全稳定运行，自编程序的科学设计、已有计算软件的内外流耦合条件加入同样需要得到重视。
参考文献：
[1]梁双印，隋云任，黄登超.空冷汽轮机冷端储冷式多元耦合提效技术实验研究[J].中国电机工程学报，2021,41(07):2427-2435.
[2]倪伟铭，杜小泽，杨立军，席新铭.大型火电机组母管制空冷系统特性[J].中国电机工程学报，2019,39(08):2403-2413+23.