电站空冷系统传热面布局优化及空气流场调控

发布时间：2020-10-31 17:07

　　 世界范围内水资源日渐匮乏,传统的蒸发冷却式高耗水湿冷换热装备已越来越不适应经济社会快速发展的需求。电站冷端系统空气冷却技术以其明显的节水优势获得了大力推广和应用。电站空冷系统的释热能力受诸多因素的影响,其中复杂多变的环境气象条件和多尺度空冷传热表面在结构和布局的同有缺陷是导致空冷系统冷却性能不佳的主要原因。本文以电站空冷系统为研究对象,采用基于小尺度组元输运特性的多尺度热质传递建模仿真和实验验证方法,从翅片管束、空冷单元和整个系统不同层面上,深入探索多尺度空冷传热表面输运性能的空间分布规律,发现多尺度空冷表面在结构和空间布局上的不足,进而提出适应复杂多变环境条件的新型传热表面构建原则和空气流场引导调控策略,为电站空冷技术的发展奠定理论基础。空冷换热器往往采用扩展翅片,空气在翅片管束通道内的流动阻力以及在扩展表面上的传热特性是影响换热器性能的关键因素。本文首先搭建了翅片管束风洞热态实验平台得到空气侧流动传热特性,进而建立准确的数值计算模型,以此为基础分析了空气进口速度、基管参数(排列方式、管间距、基管直径)、翅片参数(翅片倾角、翅片厚度、翅片间距)对翅片管束空气侧输运性能的影响。针对四排管不同基管排列方式探究了翅片表面等高和非等高开槽结构对空气侧强化传热的影响,结果表明矩形开槽周期性地扰动了平直翅片边界层的发展,提升了翅片管束的流动传热性能。另外,本文提出了翅片管束对流换热综合性能评价标准以表征单位功耗下翅片管束的换热量,并设计了最优翅片管型和扩展表面结构。通过对空冷系统进行多尺度仿真模拟,本文揭示了大尺度空冷系统输运性能的风效应作用原理以及空间分布规律。为削弱环境风对传统机械通风空冷凝汽器单元矩形布局的不利影响,提出了一种空冷凝汽器圆形布局方式。结果表明圆形空冷凝汽器布局可以提高迎风面风机的空气动力学性能,并减轻两侧凝汽器单元的热风再循环现象,因此有效改善了环境风作用下的空冷凝汽器性能。传统机械通风直接空冷系统具有环境风适应性差以及功耗高等固有缺陷,本文提出了自然通风直接空冷系统、混合通风直接空冷系统,并建立了基于新型空冷系统的传热表面构建原则。针对塔外垂直布置凝汽器单元“V”形翅片管束空气动力学性能的不足,提出了空冷凝汽器管束环形布局结构,以显著削弱相邻管束气流之间的相互影响,改善自然通风直接空冷系统的输运性能。针对凝汽器水平布置的自然通风空冷系统空冷单元入口空气流场畸变现象,提出了一种翅片管束倾斜布置方式,即翅片通道与基管长度方向呈30°夹角,使其与空冷塔抽力方向平行,以降低空气流经翅片时的转向阻力损失,减小压降。混合通风直接空冷系统中的冷却空气在自然通风空冷塔和轴流风机的联合驱动下流经换热器,形成以自然通风为主机械通风为辅的驱动方式来大幅降低风机功耗。本文获得了混合通风空冷系统热力性能参数随环境风速风向的变化规律,发现环境风作用下凝汽器圆形布置方式的混合通风空冷系统可在满足冷端换热需求前提下明显降低机组背压。基于“有效引导风场能量,实现风能资源化利用”的原则进行空冷系统冷却空气流场引导调控,以改善空冷设备输运性能,实现风能的资源化利用。研究结果表明,通过对机械通风空冷凝汽器迎风侧单元实施空气引导,可显著降低不利环境风效应,大幅改善直接空冷系统的热力性能。通过对自然通风空冷系统塔外垂直布置凝汽器单元内部和外部实施环境风引导,侧风面空冷凝汽器单元流动传热性能明显提升且不同冷却扇区热负荷非均衡性降低,空冷系统整体输运性能得到强化。总之,空气流场引导调控策略的应用可显著改善复杂环境风场下空冷系统的流动传热性能并有效降低机组的运行背压。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM621
【部分图文】：

华北电力大学博士学位论文??发电（图１－２）和光热太阳能发电（图１－３）的主要冷却方式，其显著的节水优势，??也改变了“水定水”的被动局面。电站冷端空冷系统通过空气直接或间接冷却汽轮??机排汽，基本不存在冷却水的损失，相比于同等容量的水冷机组，空冷机组可减少??耗水量约６５％以上１８】。??

华北电力大学博士学位论文??发电（图１－２）和光热太阳能发电（图１－３）的主要冷却方式，其显著的节水优势，??也改变了“水定水”的被动局面。电站冷端空冷系统通过空气直接或间接冷却汽轮??机排汽，基本不存在冷却水的损失，相比于同等容量的水冷机组，空冷机组可减少??耗水量约６５％以上１８】。??

器翅片管进行了大量调查研宄。其中，［）ｕａｎ等Ｍ通过对空气侧波形翅片扁平管流动??和传热特性的数值计算，研宄了翅片间距、波形跨度、波幅以及雷诺数对空气侧传??热性能的影响，并给出了最优结构配置（图１－７）。石磊等１｜（＞１通过数值模拟的方法对电??站直接空冷凝汽器椭圆管进行了研究，得到了阻力和换热系数随风速变化的计算公??式。Ｍａｔｏｓ等利用数值模拟的方法对圆管和椭圆管进行了结构优化，发现采用椭??圆管比圆形管有更好的换热效果和经济性。￥ａｈｍ等—研究了平直翅片管换热器翅??片角度对流动传热性能的影响，数据分析表明３０°为最佳翅片角度。孙晓鸣等１｜３１对??典型的椭圆翅片管进行了分析研宄，并对不同椭圆管偏心距和开槽翅片槽道错列高??度进行丫优化，结果表明，当短轴和长轴的比为２：３，换热效果最优。贾思宁等１｜４｜对??空冷系统常用Ｆｏｒｇｏ型铝管铝翅片和椭圆钢管钢翅片的流动传热性能进打／数价ＷＩ??究，通过管束性能评价因子Ｍ／／／ｌ／３对比发现，Ｆｏｒｇｏ型翅片管性能优丨讓尚翅〗；竹。??Ｍｉ和Ｇｒｏｓｓｌｙ针对顺排和叉排布置翅片管束，研究了翅片间距对其性能的影响，发??
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本文编号：2864242