DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.06.033

火电厂汽轮机房局部机械通风数值模拟及优化

张弘¹，黄亚继¹，盛帮明²，陆云²，刘明涛²，王靓¹

(1. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京，210096；

2. 中国能建江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京，211102)

摘要：为了改善汽轮机房通风效果，保障人员舒适工作和设备安全运行，通过数值模拟研究江苏某2×1 000 MW机组汽轮机房内空气温度场和速度场的分布情况并验证模拟结果准确性，引入新型局部机械通风进行优化改进，研究机械通风流量及角度对温度场的影响。研究结果表明：当底层通风流量达6 m³/s、运转层通风流量达10 m³/s以上时，可以将人员主要活动区温度降至设计要求范围内；对于底层通风口，通风角度在0°~10°范围内，机械通风会将厂房内热空气排挤向自然进风口附近，抑制底层自然进风，该情况在实际工程中需要避免；当角度大于20°时抑制作用消失，但通风角度过大会使得厂房东侧温度升高，综合考虑通风角度选择20°较为合理。

关键词：汽轮机房；数值模拟；局部机械通风；优化改进

中图分类号：TK 284.8             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)06-1659-08

Numerical simulation and optimization on local mechanical ventilation in steam turbine room of thermal power plant

ZHANG Hong¹, HUANG Yaji¹, SHENG Bangming², LU Yun², LIU Mingtao², WANG Liang¹

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China;

2. Jiangsu Power Design Institute Co., Ltd., China Energy Engineering Group, Nanjing 211102, China)

Abstract: In order to improve the ventilation effect and guarantee the comfort of staffs and the security of equipments, numerical simulation was employed to research the distribution of temperature and velocity field of the air in one of the 2×1 000 MW power unit steam turbine room and the accuracy of simulation results were verified. The new local mechanical ventilation was introduced into optimization. The effect of changing mechanical ventilation flow rate and degree on temperature field was studied. The results show that the temperature of operation region can be reduced to the requirement when the ventilation flow rates are more than 6 m³/s and 10 m³/s respectively in the ground floor and operation floor. The situation should be avoided because mechanical ventilation would restrain natural ventilation by pushing the hot air towards the entrance when the ventilation degree is 0°-10°. When the degree is larger than 20°, the restrain effect disappears but the temperature rises in the east area, and so the ventilation degree should be set at 20°.

Key words: steam turbine room; numerical simulation; local mechanical ventilation; optimization

作为大型工业厂房，火力发电厂汽轮机房内部包含多种高温发热设备，且热源呈离散化分布；同时各类型号的管路设计紧凑、错综复杂，增加了空气流动阻力。因此，如果汽轮机房布局和通风设计不合理，极易产生局部高温、空气流通不畅等不理想区域^[1]，从而导致内部工作环境恶劣，不利于人员进行巡检和维护，更有可能影响设备安全运行，威胁人员生命安全。综上，合理设计汽轮机房结构布局，选择最佳通风调节方式具有积极而重要的意义^[2]。目前，汽轮机房所采用的通风方式主要有：自然进风、自然排风；自然进风、机械排风；机械进风、自然排风；机械进风、机械排风；以及局部自然、机械相结合的送风等方式^[3-4]。从成本和能耗上分析，自然、局部、机械通风的成本依次增加；而从通风效果上看，采用机械通风一般比自然通风效果好。因此需要根据实际情况合理选择不同的通风方式，从而达到控制成本、优化通风的效果。随着计算流体力学的发展，采用数值模拟方法来研究工业厂房及建筑内流体运动和传热得到广泛应用。例如AFLAKI等^[5]讨论了炎热天气下自然通风存在的问题，并研究了通风井、窗户与墙壁面积比、建筑朝向对自然通风效果的影响；ARGHAND等^[6]研究了3种不同的空气分配系统对敞开式办公室的影响，并改变热负荷及送风量观察其对3种通风方式的影响；谢良珊等^[7]分别比较了风压单独作用、热压单独作用、二者共同作用、自然进风机械排风4种工况下的通风效果；余宇峰^[8]探究了汽机房在春夏季节下机械通风所需要的通风量变化规律；陈金华等^[9]利用相似理论和数值模拟研究了进口不同送风温度对厂房内平均温度和最高温度的影响；陈勇等^[10]通过改变进风面积、风压、开孔位置研究其对室内通风量的影响效果。以往文献主要侧重于笼统地调整进出口通风形式、通风面积、送风量、送风温度等因素来优化通风，但由于改进均较为宏观，并未对厂房内部区域结构和空气流动形态有明显调整，虽然对靠近进排风口区域的空气流动会有增益效果，但当厂房的大空间将新风的改进效果稀释后，在远离进排风口的汽轮机房内部空气流动依然可能存在问题，原本局部通风不理想区域的改进效果并不明显。而本文主要侧重于对人员主要活动区域和局部不理想区域进行重点优化改进，因为人员主要活动区域的舒适度直接影响工作人员正常作业，是检验通风效果好坏的重要指标，更具有迫切性和必要性；而对于局部不理想区域，宏观上的改进措施效果较弱，需要更具有针对性的改善方法。本文通过引入新型局部通风方式，并对比和调整相关参数不仅使得改进更合理、明显、具有针对性，还兼顾节能和改造成本，对工程实际具有积极指导意义。

1  工程简介

本文研究对象为江苏某2×1 000 MW超超临界机组，汽轮机房的长×宽×高为200 m(X轴)×41 m(Z轴)×43 m(Y轴)。厂房共分3层，即底层(Y=0 m)、夹层(Y=8.6 m)和运转层(Y=17 m)，C排为北侧外墙，A排为南侧外墙，B排为人员检修通道。1号和3号高压加热器位于运转层以上(Y=25 m)，2号高压加热器和5号低压加热器位于运转层(Y=17 m)，6号，7号和8号低压加热器位于夹层(Y=8.6 m)，除氧器位于室外(Y=34.5 m)。已有的通风方式为自然进风、自然排风，新风从底层大门或百叶窗进入，在风压和热压^[11-12]的共同作用下经过天井、各层间格栅、孔洞间隙流向上方，最终通过屋顶天窗排出，过程中吸收并带走厂房内多余热量。具体厂房结构布置如图1所示。

图1  汽轮机房通风示意图

Fig. 1  Schematic diagram of steam turbine room ventilation

2  模型建立及边界条件设定

2.1  物理模型建立及简化

根据汽轮机房设计图纸中所绘制的结构及设备尺寸位置，建立相应的物理模型。由于汽轮机房内结构复杂、设备众多，为了便于模型建立及网格划分，对模型进行以下简化：

1) 本研究对象为两机一控，认为汽轮机房以集控室中截面呈镜面对称，只建立一台机组的物理模型以简化不必要的计算量；并定义中截面与底层C排的交点为坐标原点。

2) 汽轮机房内各热源的外表面形状近似为规则物体，如标准的圆柱体、立方体等。

3) 由于除氧器及相关管道位于室外，建模时不考虑该部分设备。

4) 由于现场测量过程中机组负荷无明显变化，认为各热力设备处于稳定工作状态，多次多点测量的表面平均温度即为其表面温度。

5) 忽略表面温度与环境温度之差在2 ℃以内、直径小于0.5 m的细小管路，若有局部细小管路集中部分，等效为相应直径的大管路。

由于B排为工作人员主要检修通道及活动区域，该位置附近温度场及速度场分布的合理性显得尤为重要；而在模拟中发现底层和运转层B排温度分布不理想，因此在原汽轮机房结构基础上，分别在底层(Y=0 m)、运转层(Y=17 m)B排附近增加直径为0.9 m的机械通风口，具体位置如图2所示。为了减少机械送风能耗和改造成本，更充分利用每一股新风，扩大其影响范围和降温效果，并防止B排附近热力设备对新风的阻挡，经过多次尝试后确定底层通风口布置4个，中心点坐标分别为(39.5，0.5，14)，(52.5，0.5，14)，(60，0.5，14)，(75，0.5，14)；运转层通风口布置3个，中心点坐标分别为(34.5，17.5，12)，(50，17.5，12)，(65，17.5，12)。新风送向C排，并定义通风角度θ为送风方向与C排墙面垂线方向之间夹角，沿垂线顺时针方向为正。

2.2  数学模型

1) 汽轮机房内空气的流动及传热满足连续性方程、动量方程、能量方程，见文献[13-15]。

2) 经计算雷诺数Re介于287 500~555 000之间，流体处于湍流状态，湍流模型选择标准κ-ε模型。

3) 空气流速远小于声速，马赫数Ma＜1，认为空气为不可压缩的黏性流体。

4) 由于汽轮机房内部含有多个热源，辐射模型选择DO模型。

5) 通风量平衡方程：

    (1)

其中：G_gate为底层大门进风量，kg/s；G_window为窗户进风量，kg/s；G_leak为各层漏风量，漏进为正，漏出为负，kg/s；G_machinery为机械进风量，kg/s；G_out为屋顶排风量，kg/s。

6) 通风热平衡方程：

     (2)

其中：h_in和h_out分别为自然通风进、出口空气焓，J/kg；和分别为机械通风进、出口空气焓，J/kg；和分别为漏风进、出口空气焓，J/kg；Φ_con为汽轮机房内热力设备对流散热量，W；Φ_rad为热力设备辐射散热量，W；Φ_solar为太阳辐射热量，W；Φ_wall为墙壁散热量，对厂房内散热为正，对外散热为负，W。

图2  原汽轮机房结构图与改进方案局部机械通风口布置位置

Fig. 2  Structure of original project and location of local mechanical ventilation in improvement project

2.3  边界条件

使用热线风速仪、红外热像仪对空气温度、流速、热力设备表面温度等物理量进行实地测量(如图3所示)，测量时间为夏季炎热时期，室外环境温度32 ℃，多次多点测量取平均值作为最终边界条件设定值，具体情况如下：

1) 自然进风口如大门、百叶窗、运转层窗户为速度入口边界条件，速度为实测值，温度为室外温度。

2) 屋顶排风口为表压0 Pa的压力出口边界条件。

3) 中截面为对称面边界条件。

4) 各热源、管道、楼板、墙壁为无滑移壁面定温边界条件，具体数值如表1所示。

表1  主要热源温度边界条件参数(环境温度为32 ℃)

Table 1  Parameters of temperature boundary conditions of main heat resource (ambient temperature of 32 ℃)

图3  汽轮机低压缸及发电机表面温度(红外热像仪拍摄)

Fig. 3  Surface temperature distribution of low pressure cylinder and generator(taking by thermal infrared imager)

3  模拟结果及分析

3.1  模拟结果准确性验证

在实地测量过程中，各层均选取了多个具有代表性的位置，如高温区域附近、人员活动频繁区域附近、各层格栅开口附近等，作为特征点用来检验模拟结果的准确性。本文所研究的温度场及速度场位置均为相应楼层地板以上1.5 m处。特征点①~⑩具体选取位置及地理坐标方位如图4所示。

特征点温度和速度的实验及模拟结果如图5所示。从图5可以看出：实验和模拟的结果基本吻合，温度误差都控制在1 ℃以内，速度误差控制在0.1 m/s以内，验证了模型的准确性和计算的正确性。但其中底层天井和转角附近的误差较高，这是因为在实地测量过程中，由于外部时常有阵风出现，导致天井进风口的空气流速有所波动，进风流量不稳定；并且进风面积较大，使得进口平均风速的测量误差较大。

3.2  模拟结果分析

从图4(a)可以看出：由于底层北侧集中了多个高温热力设备及管道(如前置泵的表面温度为86.3 ℃)，对流辐射散热量巨大，在厂房北侧中部形成了局部高温区域；同时，由于自然进风空气动力不足，而且厂房南北跨度较大，从大门和百叶窗进入厂房的空气只能影响入口附近，对于较远的B排和C排影响效果有限，因此，厂房高温区域相应的空气流动较为缓慢，形成局部高温流动死区，不利于人员在此作业。由图5可知：在B排人员检修区域的局部温度高达36 ℃以上，无法满足《火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程》(以下简称《规程》)^[16]中所要求的：在环境温度为32 ℃时，工作区域温度不得超过35 ℃。

从图4还可以看出：下层空气可以经过天井和层间开设的镂空格栅流向上层，增大附近空气流动，并且使得周围温度有所降低，因此，在满足其他结构要求的情况下，适当增大格栅面积有助于提升汽轮机房内空气流动及降低温度。

从图4(e)和4(f)可以看出：由于本文模拟工况为运转层玻璃全部打开的情况(为了验证在最大通风量的情况下运转层温度场是否能满足《规程》要求)，因此A排空气流通效果较好，温度较低，但在小汽轮机北侧B排和C排中部，由于各热力设备的阻挡，空气流动效果有限，图5中的⑧号测点也反映了存在局部温度高于35 ℃的区域；然而实际情况中考虑到空气质量及短路风流^[17]等问题，只会打开其中一部分，因此运转层温度将会有所升高，空气流通效果将会较大幅度降低。

图4  各层特征点布置位置

Fig. 4  Location of feature points distribution

图5  特征点实验值与模拟值对比

Fig. 5  Comparison of experiment values and simulation values of different feature points

4  优化改进

4.1  局部机械通风方式

根据以上分析可以确定本研究对象所采用的自然通风方式在夏季炎热时期已经无法达到《规程》中所要求的通风效果，因此本文引入新型局部机械通风方式(已申请发明专利并已公示)进行优化改进，具体通风口的布置位置在图2中已经标明。优化目标是使得B排温度在所研究的工况下达到《规程》所要求的35℃以下。

新型局部机械通风方式的基本工作原理为：夏季炎热时期，开启风机正吹，将外界温度相对较低的空气(若环境温度过高则需要对新风进行冷却)引入厂房，增大空气流动速度，降低高温区域温度；冬季寒冷时期，开启风机反吹，将汽轮机房内上部热空气引入底层，防止冷风渗透，减少低温区域，增加热空气循环次数。

4.2  机械通风流量对温度场的影响

在本文研究的夏季炎热工况下，将局部机械通风口的出口温度设定为环境温度32 ℃，不同机械通风流量下，底层和运转层B排温度分布情况如图6所示。

从图6可以看出：对于底层，通风流量6 m³/s基本可以使得工作区域的温度控制在35 ℃以内，且流量越大温度最高值越小；而随着通风流量的继续增加，大部分区域的通风效果继续增强，但在靠近自然进风口位置，过多的机械新风会将汽轮机房内的热空气排挤至自然进风口(X=0 m)附近，对自然进风产生抑制作用，导致图中水平方向X=20~40 m范围内机械送风的温度比自然进风的温度高；且通风流量越高，热空气被排挤向自然进风口的距离越大，该现象是实际工程中所不希望发生的。对于运转层，随着通风流量的增大，温度降低，考虑节能需求，通风流量10 m³/s基本能满足《规程》要求。

4.3  机械通风角度对温度场的影响

为了消除底层机械通风对自然进风可能产生的抑制作用，改变底层机械通风角度θ，研究不同通风角度对底层B排温度场分布的影响，具体温度场分布情况如图7所示。

从图7可以看出：当通风流量为2 m³/s时，由于流量太低，新风在流动过程中很容易因为设备及管道的阻挡而丧失流动能力，因此B排温度场随通风角度的变化趋势并不明显，改进效果有限；当通风流量继续增大时(由6 m³/s变化至14 m³/s)，随着通风角度的逐渐增大，B排最高温度均逐渐降低，因此在0°~40°范围内，通风角度越大，底层B排最高温度越低。

图6  底层和运转层B排温度场随通风流量的变化

Fig. 6  Variation of temperature distribution of Row B in ground floor and operation floor with ventilation flow rate

对比通风流量分别为6，10，14 m³/s时的温度场变化可以发现，当通风角度为0°和10°时，均会导致汽轮机房内热空气被挤向自然进风口附近，抑制自然进风效果，使得X=20~40 m范围内的温度比原通风方案的温度高；当通风角度继续增大至40°时，机械通风对自然进风的抑制作用逐渐消退，X=20~40 m范围内的温度与原通风方案基本相同，都处于较低水平，因此实际工程中尽量保证通风角度大于20°。

图7  不同机械通风流量下底层B排温度场随通风角度θ的变化

Fig. 7  Temperature changing situation with ventilation degree θ of Row B in ground floor at different mechanical ventilation flow rates

进一步观察任意某通风流量下X=80~100 m范围内的温度随角度的变化情况可以看出，随着通风角度的增大，该范围内温度也相应升高，这是因为角度越大，新风沿X轴正方向上的速度分量越大，更易将高温区域的热空气推向汽轮机房东侧(X=100 m)，导致该区域温度更高，因此在保证不影响自然进风的前提下，选择20°的通风角度更合适。当通风角度相同时，随着机械通风流量的增大，X=80~100 m范围内的温度逐渐降低，这是因为机械通风流量越大，新风具有更好的延续性，衰减过程更长，降温范围更广阔，因此在减少能耗和保证最高温度满足《规程》要求的前提下，选择6~10 m³/s的机械通风流量较为合适。

5  结论

1) 通过模拟结果与实地测量的特征点相应参数进行对比，确定模拟结果准确性；通过对结果分析发现，原有的汽轮机房自然通风方案存在局部高温流动死区、通风效果无法满足《火力发电厂采暖通风与空气调节设计技术规程》的要求等问题。

2) 引入新型局部机械通风方式，模拟后发现当底层通风流量达到6 m³/s以上、运转层达到10 m³/s以上时，能使各层B排人员工作区的最高温度降到《规程》要求范围内，提高人员工作环境舒适度；但随着底层通风流量增大，会将汽轮机房内热空气排挤向自然进风口，从而抑制自然进风，增大进风口附近空气温度，因此需要调整通风角度。

3) 当机械通风角度从0°变化到40°的范围内，通风角度越大，底层B排最高温度越低，但会导致汽轮机房东侧(X=100 m)附近空气温度越高。

4) 当机械通风角度处于0°~10°范围内时，底层机械通风对自然进风会产生抑制作用，导致自然进风口附近空气温度升高；当通风角度大于20°时，抑制作用消失，自然进风口附近空气温度处于较低水平。

5) 由于通风角度低于20°可能会抑制自然进风，过高会使厂房东侧温度升高，因此机械通风角度选择20°较为合适；同时通风流量越大，厂房东侧空气温度越低，在既保证降低能耗又能满足《规程》要求的情况下，机械通风流量选择6~10 m³/s较为合适。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-07-18；修回日期：2016-10-29

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(11190015)(Project (11190015) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：黄亚继，博士，教授，博士生导师，从事电厂节能环保研究；E-mail：heyyj@seu.edu.cn