CN101082533A - 适用于火力发电厂中空冷塔热态流场结构的模拟平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于火力发电厂中空冷塔热态流场结构的模拟平台及测试方法，是为了改善现有火力发电厂直接空冷系统中空冷凝汽器的散热效果，建立了空冷塔热态流场结构的模拟平台，通过模拟平台获得的空冷塔下的回流率及空冷塔前后的流态结构，为改善空冷凝汽器的散热效果提供合理的工程措施。本发明的空冷塔热态流场结构的模拟平台主要包括有热水箱、凝结水箱、空冷凝汽器、水泵；所述空冷凝汽器由蒸汽分配箱、翅片管束、风机和凝结水管组成；通过在热水箱、风机、翅片管束上设置温度传感器，然后对采集的不同温度进行比较获得空冷凝汽器的回流率R，从而得到空冷塔前后的流态结构。

Description

适用于火力发电厂中空冷塔热态流场结构的模拟平台及测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于测试热态流场特性的方法，更特别地说，是指一种适用于火力发电厂直接空冷系统中空冷塔热态流场结构的测试方法以及建立空冷塔热态流场结构的模拟平台。

背景技术

火力发电厂直接空冷系统具有节水、防冻性能好、占地面积小、投资费用低、利于环保等优点，然而，空冷机组最大的缺点是受自然环境因素影响严重，例如在严寒、酷暑、大风等条件下，将会降低空冷凝汽器的散热效果，严重影响空冷机组的正常运行，甚至导致机组跳闸停机，给电厂的安全运行带来负面的影响，同时也会造成巨大的经济损失。

由于火力发电厂直接空冷系统空冷凝汽器的强迫对流换热问题，是一个在环境风作用下产生的复杂分离尾流场中的强迫对流换热现象，涉及热气流与分离旋涡流的相互作用与干扰，在风机抽、吸动力作用下将产生一种特殊流动现象，即热回流。因此，如何正确模拟这一复杂流动现象，将是建立来流(来风)-动力(风机)-热浮力效应(冷凝汽器的热空气)相互作用的关键。

发明内容

本发明是一种适用于火力发电厂中空冷塔热态流场结构的模拟平台，主要包括有热水箱、凝结水箱、空冷凝汽器、水泵；所述空冷凝汽器由蒸汽分配箱、翅片管束、风机和凝结水管组成，翅片管束的上端与蒸汽分配箱的出口端连接，翅片管束的下端与凝结水管的入口端连接，风机安装在翅片管束的下方；热水箱通过热水管路与空冷凝汽器的蒸汽分配箱的入口端连接，空冷凝汽器的凝结水管的出口端通过回流水管路与凝结水箱连接，凝结水箱通过循环水管路与热水箱连接，且循环水管路上设有水泵、开关、流量计。

一种采用空冷塔热态流场结构模拟平台进行热态流场测试的具有下列步骤：

第一步：初始化大气边界层条件

大气边界层条件有环境大气温度T₁、粗糙元、风速、风向、大气湿度；

第二步：初始化空冷凝汽器单元条件

空冷凝汽器单元条件有蒸汽分配箱、凝结水管、翅片管束、风机、热水箱、凝结水箱、挡风墙、水泵；

第三步：将第一温度传感器实时采集的风机入口空气温度T₁′、第二温度传感器实时采集的翅片管束(72)出口端空气温度T₂分别与环境大气温度T₁进行温度比较获得空冷凝汽器的回流率R，所述回流率 $R=\frac{T_1^{\′}-T_1}{T_2-T_1};$

所述翅片管束出口端空气温度T₂＝50±5℃；

第四步：采用粒子图像测速装置实时采集，在回流率R条件下的热流场的流态结构图输出至计算机中，通过计算机的显示、处理，观察到在不同空冷凝汽器受环境影响下的热态流场结构。

本发明热态流场结构的测试方法的优点：(1)通过在空冷凝汽器入口端引入热水，真实模拟冷空气与空冷凝汽器(ACC)的强迫对流换热；(2)对风机的性能指标进行特定的限定，可以再现空冷凝汽器在环境风作用下产生复杂分离尾流场中的强迫对流换热现象，涉及热气流与分离旋涡流的相互作用与干扰，以及在风机抽吸动力作用下将产生一种特殊流动现象(热回流)；(3)空冷凝汽器内通入恒定温度的热水构成热循环系统，通过测量空冷凝汽器进、出口温度的温度，计算各测点的回流率大小，探求不同来流条件下空冷塔前后流态结构的变化对空冷塔下热回流率的影响。

附图说明

图1是本发明空冷塔热态流场结构模拟平台的结构示意图。

图2是进行空冷塔热态流场的控制流程框图。

图2A是大气边界层条件设定界面。

图2B是空冷凝器单元的条件设定界面。

图3是设计风墙高度H＝108.3mm时截面流线图。

图4是风墙高度H＝150mm时截面流线图。

具体实施方式

本发明的测试方法是为了改善现有火力发电厂直接空冷系统中空冷凝汽器的散热效果，建立了空冷塔热态流场结构的模拟平台，通过模拟平台获得的空冷塔下的回流率及空冷塔前后的流态结构，为改善空冷凝汽器的散热效果提供合理的工程措施。

参见图1所示，本发明的空冷塔热态流场结构的模拟平台主要包括有热水箱2、凝结水箱8、空冷凝汽器7、水泵9；所述空冷凝汽器7由蒸汽分配箱71、翅片管束72、风机73和凝结水管74组成，翅片管束72的上端与蒸汽分配箱71的出口端连接，翅片管束72的下端与凝结水管74的入口端连接，风机73安装在翅片管束72的下方；热水箱2通过热水管路11与空冷凝汽器7的蒸汽分配箱71的入口端连接，空冷凝汽器7的凝结水管74的出口端通过回流水管路12与凝结水箱8连接，凝结水箱8通过循环水管路13与热水箱2连接，且循环水管路13上设有水泵9、开关5、流量计4；为了使热水管路11中的热水温度T₃＝70±5℃恒温，热水箱2采用大功率9KW的电加热棒对热水箱2进行加热，同时采用恒温控制器1和温度传感器3(T型热电偶)对热水箱2输出口输出的热水水温进行恒定温度控制，从而为空冷塔热态流场提供了恒定热源；第一温度传感器安装在风机73上，用于采集风机73入口空气温度T₁′，第二温度传感器安装在翅片管束72上，用于采集翅片管束72的出口端空气温度T₂，第一温度传感器、第二温度传感器均为T型热电偶。

参见图2、图2A、图2B所示，本发明用于对火力发电厂直接空冷系统中空冷凝汽器受环境影响下的热流场结构的测试方法，应用该空冷塔热态流场结构模拟平台进行的热态流场测试方法有下列步骤有：

第一步：初始化大气边界层条件

大气边界层条件有环境大气温度T₁、粗糙元、风速、风向、大气湿度；

第二步：初始化空冷凝汽器单元条件

空冷凝汽器单元条件有蒸汽分配箱71、凝结水管74、翅片管束72、风机73、热水箱2、凝结水箱8、挡风墙、水泵9；

第三步：将第一温度传感器实时采集的风机73入口空气温度T₁′、第二温度传感器实时采集的翅片管束72出口端空气温度T₂分别与环境大气温度T₁进行温度比较获得空冷凝汽器的回流率R，所述回流率 $R=\frac{T_1^{\′}-T_1}{T_2-T_1};$ 式中，R表示热回流率，T₁′表示风机73入口空气温度，T₁表示环境大气温度，T₂表示翅片管束72出口端空气温度；

所述翅片管束72出口端空气温度T₂＝50±5℃；

第四步：采用粒子图像测速装置实时采集，在回流率R条件下的热态流场的流态结构图输出至计算机中，通过计算机的显示、处理，观察到在不同空冷凝汽器受环境影响下的热态流场结构。

在本发明中，风机73包括的指标有流量 ${\mathrm{\λ}}_q={\mathrm{\λ}}_n{\mathrm{\λ}}_L^3,$ 压差 ${\mathrm{\λ}}_p={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_n^2{\mathrm{\λ}}_L^2,$ 功率 ${\mathrm{\λ}}_N={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_n^3{\mathrm{\λ}}_L^5,$ 其中，λ_L为长度比尺，λ_n为风机转速比尺，λ_ρ为空气密度比尺，λ_q为风机流量比尺，λ_p为风机压差比尺，λ_N为功率比尺。

由于火力发电厂正常运行时，冷空气被风机73吸入通过与空冷凝汽器7的翅片管束72进行管外强迫对流换热，出流的热空气在环境风作用下常会出现热风回流现象。由于热回流的产生(特别在炎热的夏季)对空冷凝汽器散热效果影响很大，甚至会造成系统的停机。为了定量说明热回流的大小，为此定义热风回流率的概念：

$R=\frac{T_1^{\′}-T_1}{T_2-T_1}---\left(1\right)$

R表示热回流率，T₁′表示风机73入口空气温度，T₁表示环境大气温度，T₂表示翅片管束72出口端空气温度；

平均热回流率定义为

$\stackrel{\‾}{R}=\frac{\mathrm{\ΣR}}{N}---\left(2\right)$

N表示分布在风机73下方的测点个数。

为了测试本发明空冷塔热态流场结构模拟平台的有效性，将本发明测得的回流率应用到实际的火力发电厂中，通过调理挡风板的摆放位置、高度，得到了空冷塔的运行工况。对主厂房和空冷塔进行风洞吹风试验，通过改变自由来流的风速和风向，测量模拟平台各断面上空冷凝汽器进、出口温度，确定在不同来流条件下空冷塔下各测点的回流率大小，给出最大回流率的运行工况，并采取改善措施以降低空冷塔热回流的大小，以便提高空冷凝汽器的散热效果。同时通过PIV采集即可得到不同工况下空冷塔前后流场结构。

为了改变空冷塔前后的流场结构本发明中采用风墙(挡风板)的不同高度条件进行测试：

当风墙高度H＝108.3mm时的采用本发明测试方法测得的截面流线如图3所示，来流风向角β＝0°(西风)、风速为6m/s时在不同风墙高度条件下的流线片。

当风墙高度H＝150mm时的采用本发明测试方法测得的截面流线如图4所示，来流风向角β＝0°(西风)、风速为6m/s时在不同风墙高度条件下的流线片。

从图3、图4可以看出，当自然风从锅炉房吹过空冷塔时，由于空气在锅炉房顶部、空冷平台的边缘发生了分离，在其背后分别形成了巨大的尾流区(回流区)。也即在汽机房与空冷平台上方、远离汽机房的挡风墙与地面之间有两个巨大的漩涡结构。空冷凝汽器排出的大量热空气有一部分在汽机房上的漩涡结构与靠近汽机房的边缘风机的抽吸作用下，回到凝汽器下方的进风口；远离汽机房的热回流在下游漩涡结构和边缘风机的作用下回到空冷塔下形成热回流。从图3还可以看出，由于设计条件下的挡风墙高度较低，在锅炉房背风面的大涡结构的作用下，靠近汽机房的空冷平台边缘，出现了少许的“倒灌”现象。

从图3图4还可以看出，与设计高度的风墙相比较，随着挡风墙高度的增加，风墙高度为150mm时，锅炉房后面的大涡结构上抬，同时有向下游甩去的趋势，这样就把靠近汽机房的平台边缘上升热空气很少一部分卷回空冷平台下方；空冷塔下游的漩涡结构也向上抬升，并且涡核明显远离空冷平台，向下游甩去。由此可以得出：随着挡风墙高度的增大，锅炉房后的整体流线上抬，锅炉房的背风面产生的漩涡结构向上抬升，远离锅炉房的空冷平台下游产生的漩涡结构也向上抬起，并且涡核向下游甩去。同时我们从来流方向的速度剖面可以看出，与设计风墙高度相比，加高风墙高度后，空冷平台上方的速度型明显变窄，并且靠近底部的速度明显变小(水平惯性力作用减小)，在浮力作用不变的条件下，这有利于热空气的排出。

因此，挡风墙高度增大，从空冷凝汽器翅片管束排出的热空气，由于空冷塔前后漩涡结构的上抬，被卷回到空冷塔底部的机会相对减少，降低了空冷塔底部的热回流率，从而改善了空冷凝汽器的散热效果。

Claims (3)

1、一种适用于火力发电厂中空冷塔热态流场结构的模拟平台，其特征在于：主要包括有热水箱(2)、凝结水箱(8)、空冷凝汽器(7)、水泵(9)；所述空冷凝汽器(7)由蒸汽分配箱(71)、翅片管束(72)、风机(73)和凝结水管(74)组成，翅片管束(72)的上端与蒸汽分配箱(71)的出口端连接，翅片管束(72)的下端与凝结水管(74)的入口端连接，风机(73)安装在翅片管束(72)的下方；热水箱(2)通过热水管路(11)与空冷凝汽器(7)的蒸汽分配箱(71)的入口端连接，空冷凝汽器(7)的凝结水管(74)的出口端通过回流水管路(12)与凝结水箱(8)连接，凝结水箱(8)通过循环水管路(13)与热水箱(2)连接，且循环水管路(13)上设有水泵(9)、开关(5)、流量计(4)；为了使热水管路(11)中的热水温度T₃＝70±5℃恒温，热水箱(2)采用大功率9KW的电加热棒对热水箱(2)进行加热，同时采用恒温控制器(1)和温度传感器(3)对热水箱(2)输出口输出的热水水温进行恒定温度控制，从而为空冷塔热态流场提供了恒定热源；第一温度传感器安装在风机(73)上，用于采集风机(73)入口空气温度T₁′，第二温度传感器安装在翅片管束(72)上，用于采集翅片管束(72)的出口端空气温度T₂，第一温度传感器、第二温度传感器均为T型热电偶。

2、根据权利要求1所述的空冷塔热态流场结构的模拟平台，其特征在于：温度传感器(3)为T型热电偶。

3、根据权利要求1所述的空冷塔热态流场结构的模拟平台，其特征在于：应用该空冷塔热态流场结构模拟平台进行的热态流场测试方法有下列步骤：

第一步：初始化大气边界层条件

大气边界层条件有环境大气温度T₁、粗糙元、风速、风向、大气湿度；

第二步：初始化空冷凝汽器单元条件

空冷凝汽器单元条件有蒸汽分配箱(71)、凝结水管(74)、翅片管束(72)、风机(73)、热水箱(2)、凝结水箱(8)、挡风墙、水泵(9)；

第三步：将第一温度传感器实时采集的风机(73)入口空气温度T₁′、第二温度传感器实时采集的翅片管束(72)出口端空气温度T₂分别与环境大气温度T₁进行温度比较获得空冷凝汽器(7)下方的回流率R，所述回流率 $R=\frac{T_1^{\′}-T_1}{T_2-T_1};$ 式中，R表示热回流率，T₁′表示风机(73)入口空气温度，T₁表示环境大气温度，T₂表示翅片管束(72)的出口端空气温度；

所述翅片管束(72)的出口空气温度T₂＝50±5℃；

第四步：采用粒子图像测速装置实时采集，在回流率R条件下的热态流场的流态结构图输出至计算机中，通过计算机的显示、处理，观察到在不同空冷凝汽器受环境影响下的热态流场结构。

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