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火力发电厂锅炉房通风效果的模拟分析

2025-02-17 47 上传者：管理员

摘要：通过对火力发电厂锅炉房自然通风的效果进行CFD模拟，得到了锅炉房的速度场和温度场，改变自然窗进风位置的措施会影响温度场和速度场的分布，从而影响全面通风的效果。根据室内气流及温度的详细分布状况得出了优选方案，为火力发电厂锅炉房及类似高大空间的通风设计提供参考。

关键词：
模拟分析
温度场
通风效果
速度场
锅炉房
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随着火力发电厂设计和建设的成熟度日益加强,锅炉房的温度环境及通风效果逐渐为人们所关注｡锅炉在运行期间会产生大量热量,在南方地区通常为露天设计,但是在北方地区,为保证冬季锅炉的正常运行,会对锅炉进行封闭设计,这样就会造成夏季锅炉房内温度过高,为了保证锅炉在适宜的温度下运行,需要设计通风系统,由于锅炉房体量大､高度高､锅炉散热量大,考虑运行经济性,通常采用自然通风｡根据目前投产运行电厂的反馈情况来看,虽然按照规范核查计算及选型均满足要求,但一些锅炉房内部局部的温度依然较高,运行人员在较高温度下舒适性较差,此类问题在投运后是不容易进行调整改进的｡故在方案设计阶段,预测锅炉房内气流组织和温度场分布是具有现实意义的｡

国内在20世纪80年代初才开始了室内供热､通风､空调方面的应用研究,而对大空间建筑气流组织的研究较晚｡2004年,李晓冬等[1]通过数值模拟,研究了分层气流组织在冬､夏季流场的分布特点,为大空间建筑暖通空调系统的节能和室内热环境的改善提供了依据｡而对火力发电厂锅炉房的模拟研究尚处于空缺阶段,笔者正是在此背景下对火力发电厂锅炉房自然通风的效果进行了CFD模拟,并力求寻找合理方案,以期提出该类型房间通风设计的优化指导建议｡

1、研究概况

本文选取内蒙古某1×1000MW机组实际工程为研究对象｡火力发电厂主厂房区域通常由五大模块组成,分别为汽机房模块､除氧间模块､煤仓间模块､锅炉房模块､炉后模块,锅炉房位于煤仓间和炉后区域之间,该项目的主厂房建筑平面图如图1所示,剖面图如图2所示｡

图1主厂房建筑平面图

图2主厂房建筑剖面图

本文选取上图中的锅炉房区域为研究对象,锅炉房运转层标高为17.000m,锅炉运转层封闭,运转层上下分开考虑通风措施,该方案运转层上部由设在锅炉房外墙运转层以上的两排建筑侧窗自然进风,由设在锅炉房屋面的屋顶自然通风器自然排风,运转层下部通过外墙的建筑窗自然通风｡本文仅对锅炉房运转层以上的区域进行研究｡

根据设计规范及设计手册[2]计算,夏季室外进风计算温度为27.4℃,按排风温度取40.4℃,进排风温差13℃,作业地带温度32℃,室内平均温度36.2℃｡总散热量为10.5MW[3],所需通风量为287.9×104kg/h｡设计选择锅炉屋顶设置2台喉口尺寸为4.0m,长度为25m的屋顶通风器｡实际通风量为292.1×104kg/h,中和界高度约为81.55m,通风量及中和界高度均满足锅炉房自然通风要求｡设计参数详见表1,表2｡

表1锅炉房进风窗设计计算参数表

表2锅炉房屋顶通风器设计计算参数表

2、工况一CFD模拟分析

计算流体力学(ComputationalFluidDynamic,CFD)是通过计算机进行数值模拟,分析流体流动和传热等物理现象的技术[4]｡通过CFD技术,可利用计算机分析并显示流场中的现象,从而能在较短的时间内预测流场｡CFD模拟能帮助理解流体力学问题,为实验提供指导,为设计提供参考,从而节省人力､物力和时间｡

2.1根据设计选型及布局模拟分析

本研究需要对锅炉房､锅炉本体的尺寸大小､布置方式进行建模,基于建模仿真的准确度要求,网格需划分至mm的量级,而为了模拟室内空气的分布情况,计算区域又必须达到m的量级,对于实际问题而言,必将导致计算区域网格数量巨大,这会超过目前一般计算机的计算能力｡因此,在建模时对其进行了合理的简化处理[5]｡本模型对锅炉房的部分不规则建筑进行削取,将锅炉房简化为规整的六面体,锅炉本体简化为方形热源,将屋顶通风器按照“基本模型”简化为矩形开口｡工况一同设计方案,即进风窗分布在南､北､西三侧的墙上｡简化后的几何模型如图3所示,围护结构网格总览及风向示意图如图4所示｡

本文主要研究对象为火力发电厂锅炉房的通风环境,因此只需要考虑室内锅炉设备安全工作的温度要求,以及操作检修人员工作活动区域的温度和风速,对于其他因素没有太高要求,故只对室内的温度场与速度场进行分析｡在结果对比中,需要选取典型截面,根据典型截面的速度场和温度场等模拟结果来比较两种方案的异同点,选取X=13.5m(南侧窗户与锅炉之间),X=25.55m(通过锅炉及屋顶通风器中心),X=37.4m(北侧窗户与锅炉之间),Y=6m(锅炉东侧与锅炉房外墙背风面),Y=16m(通过东侧锅炉及屋顶通风器中心),Y=27m(通过西侧锅炉及屋顶通风器中心),Y=56m(锅炉西侧与锅炉房外墙进风面),为对比结果输出面,这些截面为锅炉附近的典型截面,能直观地反映发热量较大位置附近的温度场和速度场,从而反映送风效果｡截面位置示意图详见图5｡

图3锅炉房简化几何模型

图4围护结构网格总览及风向示意图

图5切片截面位置示意图

2.2速度场､温度场模拟结果分析

由于典型截面X=13.5m,X=25.55m,X=37.4m的变化规律相似,Y=6m,Y=16m,Y=27m的变化规律相似,本文受篇幅限制,主要展示X=25.55m和Y=16m截面的速度场和温度场｡X=25.55m的速度场和温度场详见图6,图7,Y=16m的速度场和温度场详见图8,图9｡

图6锅炉房X=25.5m截面速度场(一)

图7锅炉房X=25.5m截面温度场(一)

图8锅炉房Y=16m截面速度场(一)

图9锅炉房Y=16m截面温度场(一)

由速度场截图可知,通过锅炉及屋顶通风器中心的速度场分布较为平均,变化小,风速均在1m/s,锅炉顶部靠近屋顶通风器的局部区域达到3m/s,这与空气湍流的特性较为吻合,越靠近锅炉,自然通风的风速越小｡在工程实际中,可以考虑在靠近锅炉位置,人员经常检修巡查的位置增加局部通风,改善气流组织｡

由温度场截图可知,靠近墙体空间两侧的温度场规律一致,均为下部进风口处温度低,随着高度的上升,温度逐渐升高,下部进风温度与室外空气温度相同,为27.4℃,进入锅炉房后,在热压作用和锅炉引起的热质流动影响下,温度场呈“漏斗型”扩散,由图还可以看到工况一锅炉上部的温度约29℃,锅炉房顶部靠近屋顶通风器处形成了温度较高的涡旋温度场,此处屋顶通风器的空气温度约为41℃,整个室内环境平均温度36℃,排出屋顶通风器后在锅炉房屋顶扩散,这与设计计算的温度值有很好的吻合,也进一步验证了模型的合理性｡

根据以上模拟结果分析与设计的速度场和温度场对比可知,模拟方法和简化方法均有可行性,相互印证了本模拟方案的正确性,在本模型的基础下,可进一步对相关参数和条件进行调整模拟,从而得到具有参考性和适用性的结果｡

3、工况二CFD模拟分析

上节介绍了电厂锅炉房的通风环境概况及模拟条件,并得出了设计条件下的温度云分布､速度矢量图等,直观地反映了设计方案的通风环境分布,也验证了模型的合理性｡为了进一步找出锅炉房通风的较优布置方案,本小节以自然窗进风位置为变量进行模拟分析,并输出结果,以此得到不同变量对锅炉房通风环境的影响结果｡

3.1自然窗进风位置对全面通风环境的影响

在实际工程中,从锅炉房穿出的管道较多,通常会占据炉后方向的较大空间,故炉后方向的开窗面积和位置均会受到影响,两侧无管道穿出,自然开窗的条件较好｡结合实际,在锅炉､锅炉房的几何尺寸､热源分布､进风窗面积､通风系统形式等不变的情况下,通过改变自然窗进风位置的措施,分析锅炉房室内的温度场､速度场的变化规律,研究自然窗进风位置对室内通风环境的影响效果｡

工况一为设计条件,即进风窗分布在南､北､西三侧的墙上;工况二将西侧的窗户均取消,平均分到南北侧,保证总自然窗的面积不变｡工况一和工况二的对比示意图见表3｡

表3工况一､工况二概览表

工况二改变了进风位置,其他均不变,经过模拟,需要选取典型截面,根据典型截面的温度场和速度场等模拟结果来比较两种方案的异同点,选取X=25.55m(通过锅炉及屋顶通风器中心),Y=16m(通过东侧锅炉及屋顶通风器中心)两个典型截面进行对比分析｡

3.2速度场､温度场模拟结果分析

工况二的X=25.55m的速度场和温度场详见图10,图11,Y=16m的速度场和温度场详见图12,图13｡

由图10,图11显示的速度场及温度场截图可知,工况二的屋顶通风器处形成了比较明显的两处速度渐扩区域,在锅炉房上部形成了风速较小的速度场,工况二相比于工况一的热压作用减小,单位面积空气流量减少,结合工况二的温度场,锅炉房上部温度均高于工况一,说明气流组织较差,导致顶部的温度偏高,影响全面通风效果｡

由图12,图13显示的速度场及温度场截图可知,工况二的速度场和温度场规律性更强,这是因为进风窗平均分布在南北两侧墙上,外部进风的作用几乎相同,其他的规律与前文分析保持一致｡由图还可以看到工况二锅炉上部的温度约35℃,较工况一锅炉上部的29℃更高,由于西侧进风窗的取消,导致披屋热量聚集,且不能有效排除,从而使得局部的气温上升,温差达到了6℃,锅炉房顶部通风器处排风温度达到了近44℃｡工况一的实际通风效果优于工况二｡

图10锅炉房X=25.5m截面速度场(二)

图11锅炉房X=25.5m截面温度场(二)

图12锅炉房Y=16m截面速度场(二)

图13锅炉房Y=16m截面温度场(二)

4、结论

通过以上的模拟结果对比,改变自然窗进风位置通风的效果｡通过模拟可知,进风窗的位置需尽量布置在能使进风作用行程最长的位置,锅炉房一侧墙体一般与汽机房相连,另外三侧均应尽可能地平均分布,特别是在有披屋的锅炉房,按照工况二的分析,锅炉上部的温度约35℃,导致披屋热量聚集,且不能有效排除,因此更需要在披屋侧设置进风窗,消除进风死角｡按照工况一的设计方案,能够保证自然通风在27.4℃的进风条件下,针对1×1000MW的锅炉,排风和锅炉房顶部屋顶通风器处温度在41℃以下,室内环境平均温度在36℃左右,满足了规范对锅炉房的室内设计温度要求｡本文的模拟分析结果为该类型房间通风设计的优化提供了指导建议｡

参考文献:

[1]李晓冬,高军,许世杰.大空间建筑侧送分层气流组织数值模拟与探讨[J].建筑热能通风空调,2004(2):64-66.

[2]孙向军.电力工程设计手册:火力发电厂供暖通风与空气调节设计[M].北京:中国电力出版社,2017.

[3]电力规划设计总院.发电厂供暖通风与空气调节设计规范:DL/T5035—2016[S].北京:中国计划出版社,2016.

[4]杜国付.不利条件下冷却塔通风效果CFD模拟优化分析[J].建筑科学,2008(6):75-80.

[5]丁勇,李百战,刘红.重庆某“双层皮”外围护结构通风效果实测及分析[J].暖通空调,2007(8):42-45.

文章来源:沈艳,贾欢渝,何艳.火力发电厂锅炉房通风效果的模拟分析[J].山西建筑,2025,51(05):113-116.