江苏科技计划项目总结报告Word文件下载.docx

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4.2任务指标完成情况 19

五、项目绩效分析 22

六、存在问题、有关建议及下一步研究设想 23

II

一、项目概况

1.1项目基本情况

东南大学项目负责人：

2016年7月—2018年6月

经费情况：

合计30万元。

其中，省拨经费15万元，自筹经费15万元。

1.2项目研究背景

汽轮机房是火力发电厂的重要组成部分，它不仅是发电设备的主要布置场所、蒸汽的主要流经地区，更是工作人员运行检修的重点区域，每间隔一定时间沿着运转层检修通道下到夹层和底层、再穿到另一侧的锅炉房将整个汽轮机房和锅炉房完整巡视查看一遍、确保各设备正常稳定运行是工作人员每天必须完成的任务。

汽轮机房空间体积巨大，除了控制室和部分机电小室以外，厂房内大部分空间是和外部相连通的，而由于内部包含了多个高温热力设备及管道，室内环境温度往往比外界高出不少，在炎热的夏季对工作人员的正常检修带来一定困扰；

而到了冬季，外界过多冷风的渗透不仅会造成采暖效果变差、室内温度降低，更有可能对建筑结构产生一定损害。

因此，火电机组汽轮机房通风技术的研究是一个与确保安全生产、营造舒适环境密切相关的课题。

火电机组汽轮机房具有以下几个主要特点：

①设备散热量大。

汽轮机及其辅助设备在运行过程中，散发出大量的余热，如一台600MW机组的汽轮机房内，设备散热量约为3MW，其平均热强度大约为32W/㎡；

②通风换气量大。

由于汽机轮房高度大并且设备散热量大，因此通风换气量大，如一台600MW机组汽轮机房（包括除氧间）通风换气量约为150×

104kg/h；

③热压大。

由于汽轮机房的厂房高大，造成进排风口的高度差很大，与此同时设备散热量大也使得汽机轮房

25

内外的空气密度差增大，而热压的大小又取决于两个开口处（进排风口）的高度差和室内外的空气密度差，所以汽机轮房的整体热压较大，如寒冷地区600MW

机组的汽轮机房，冬季汽轮机房的热压约为42Pa，夏季汽轮机房的热压约为5.8Pa。

目前国内外汽轮机厂房通风方案主要有四种：

自然进风、自然排风方案；

自然进风、机械排风方案；

机械进风、自然排风方案；

机械进风、机械排风方案。

四种汽机房通风方式的优缺点总结见表1。

表1 汽轮机房通风方式优缺点

通风方式

优点

缺点

自然进风、自然出风

运行成本低、投

少；

通风系统简单；

运行

、维护简单

进、排风窗面积较大增加了空气

的渗透也增加了采暖负荷；

局部地方过热、产生死角

自然进风、机械排风

系统简单，动力比大；

在各种工况下能保证排风量

自然进风开窗面积较大，冷风渗透量增加；

设备运行可靠性差，耗电较多；

维护、维修麻烦且管

理人员要求素质较高

机械进风、自然排风

能满足通风降温要求而且保证冬季采暖需求、气流分配均匀、没有死角；

冷风渗透减少，采暖需求量

减少

设备、风道占地面积大，布置麻烦，建设投资大，运行费用高；

对于运行管理的要求高

机械进风、机械排风

进风能力高，能有效排出室内热湿空气；

合理的进

行通风气流组织

建设初投资大，运行费用较高；

运行管理人员的素质要求较高

对上述四种通风方式进行分析比较：

（a）

从建设初投资分析，方式一投资最少，方式二和方式三其次，方式四投资最大；

（b）

从运行成本分析，方式一不用电，运行成本最低，其次是方式二和方式三，方式四成本最高；

（c）

从运行管理角度看，方式一运行管理简单、方便，方式二和方式三运行管理麻烦，而方式四需

要素质较高的技工或技术人员；

（d）

从运行效果分析，方式四最佳，其次是方式三和方式二，方式一效果最差。

因此，本项目拟综合利用各种通风方案的优点，以自然进风、自然排风为基础，在局部高温和人员主要活动区域采用置换式可控弱气流机械送风的新型通风方式开展研究。

国内对火力发电厂汽轮机房的通风及节能问题已开始重视，目前已有相关研究者对汽轮机

房通风系统的优化及节能措施开展了部分研究工作。

浙江大学王建新使用CFD软件，对不同季节汽轮机房内温度和速度分布规律、自然通风和机械通风方式、风机开度及其运行模式对室内人工环境的影响进行了研究；

陈耀南对主厂房室内不同高度温度分布情况、夏季建筑开口通风量

、冬季门窗冷风浸入量等进行现场测试，研究了主厂房冬夏两季室内热环境分布的规律，并通过对比冬夏建筑开口风量数据，提出建筑开口面积的确定原则。

李侃对蒙达公司二期工程主厂房通风进行了设计和分析，指出通风天窗阻力大对主厂房通风造成的影响，并采用多边形组合天窗对其进行了改造，达到了预期的通风目的；

瞿家港采用数值模拟方法研究多个射流口送风与直接射流送风对冬季工况下汽轮机房采暖通风气流组织效果的影响，发现射流口送风在改善工作层平台处气流组织的同时使速度场分布更加均匀，可以达到较好的采暖效果。

国外有关厂房内通风的研究，主要有对厂房内相关结构的改造和优化、不同通风策略的影响效果以及室内空气品质的研究。

研究的精度高，模型比较复杂，结论更接近实际。

如Ardalan

Aflaki等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、百叶窗开度和角度对自然通风效果的影响情况；

M.Tanabe和A.Miyake通过CFD对厂房内空气流通进行了研究，讨论了厂房通风量、模块区域间距、围护结构材料对通风效果的影响，结果表明“通道效应”可以增加西侧风的风速，而当模块区域间距变大时侧风风量增加，格栅形式楼板可以增大垂直方向上空气流动速度。

Pierre-Sylvain

Mirade等研究了以连续通风策略作为参考依据，研究了六种依据时间的间歇通风和依据温度的间歇通风。

结果表明基于温度的通风策略比基于时间的通风策略可以更好控制室内温度并减少通风时间，基于温度的通风策略所采用的最佳温度间隔为0.7℃，而采用两种通风策略后可以减少每日能耗166kWh的电量。

另外，无论夏季或冬季，若使汽轮机房内温湿度达到相关规范要求，必然需要辅助的供冷或供暖设备，而汽轮机房围护结构的热工性能对厂房温湿度的影响显著。

本项目组针对国内火电厂汽轮机房围护结构构造已进行了相关调研，发现普遍存在着夏季隔热及冬季保温性能较差的情况，而目前在汽轮机房围护结构热工性能要求及其在极端气候条件下对厂房内热湿环境的影响的研究方面则基本处于空白状态。

我国幅员辽阔，因而针对各不同气候区研究汽轮机房围护结构构造，得到几种相对经济合理的围护结构形式，这对于调节控制不同季节汽轮机房内的热湿环境，改善人员及设备工作条件都有着重要的现实意义和工程价值，而且可以看出，节能潜力巨大。

综上所述，目前火力发电厂汽轮机房通风技术的研究主要局限于通风方案的改进和通风装

置的改造上，研究内容单一，而对厂房内气流组织多因素（进排风面积/位置、围护结构形式、送排风方式、热源位置等）影响的研究很少，所以研究不同围护结构、气候、通风方案下厂房内气流运动情况对于发电厂正常运行和安全生产具有一定的学术意义和工程参考价值。

二、项目实施情况

2.1研究过程

（1）现场测试，获得数值模拟边界条件及围护结构计算参数

以江苏华电句容发电机组、国电吉林龙华长春热电一厂发电机组、石河子天业发电机组汽轮机房为测试对象，利用Flir

E50红外热像仪、红外测温仪、美国VELOCICALC风速仪、JTR01温度热流测试仪等仪器测量室内热力设备及围护结构表面温度、空气温度/速度、进排风口空气温度/速度、进排风口位置/面积、格栅位置/面积、设备运行参数。

其中所测量的部分参数（如进出风口空气温度/流速

、设备表面温度）作为后面模拟计算的边界条件和围护结构热工性能分析的初始参数，剩下的数据用作与模拟计算结果作对比，以检验数值模拟结果的可靠性。

具体测试时间、测试地点和测试内容等如下表2所示：

表2现场测试情况一览表

测试时间

测试场地

测试内容

2016年9月16日

室内空气温度/速度、进排风口空气温度/速度

~

2016年9月18日

江苏华电句容发

电机组

、进排风口面积、格栅位置/面积、热力设备表

面温度、设备运行参数、围护结构表面温度及

热成像情况

2017年1月21日

2017年1月24日

国电吉林龙华长春热电一厂发电机组

、进排风口面积、格栅位置/面积、热力设备表面温度、设备运行参数、围护结构表面温度及热成像情况、围护结构气密性和漏风情况

2017年7月9日

2017年7月-11日

石河子天业发电机组

、进排风口面积、格栅位置/面积、热力设备表面温度、设备运行参数、围护结构表面温度及热成像情况

（2）汽轮机房热力设备实际发热量计算

根据CAD图纸和现场观测的外观形状，将汽轮机房内部分热力设备如汽轮机高、中、低压缸

，发电机，冷凝器及小汽轮机室，各类高低加热器进行合理简化；

认为在长时间正常运行工况下各热力设备表面温度保持一定，现场多次测量所取的平均值即为热力设备表面温度。

根据实地测量所获得的设备表面温度及其周围空气流速，加上CAD图纸所提供的几何尺寸

，判断设备换热类型，并根据不同换热类型选择不同的传热学理论进行推导，研究并总结不同热力设备发热量的计算方法，该方法能适用于不同表面温度、不同外观形状、不同几何尺寸。

通过对主厂房热力设备散热特性进行数学描述，确定合适的传热学散热模型，使用Visual

Basic编写散热量计算程序，输入量包括：

设备特征长度、设备表面温度、室内温度、设备表面积、发射率；

输出量包括：

表面对流传热系数、对流散热量、辐射散热量；

选择项包括：

对流形式和设备外观及位置，计算设备散热量，并与其他文献中所获得的结果进行对比，验证计算的准确性。

根据计算结果，分析不同散热设备的散热情况，为有效布置各散热设备及合理选择通风方式提供依据，为后续Fluent通风模型参数选择和验证提供参考。

（3）常规通风数值模拟和可控弱气流通风优化模拟

分别根据三所电厂现场测量结果和散热量计算结果，设定边界条件，模拟出主厂房内空气温度场和速度场分布情况，并与实地测量中所选择的特征点相应参数进行对比，验证模拟结果的准确性，并分析误差产生的原因。

根据模拟结果，探究主厂房内空气温度场和速度场分布的合理性，确定可能存在的局部高温、流通不畅等区域，并分析产生的原因。

根据已有通风方式的不足，结合问题产生的原因，对三所电厂分别进行针对性的优化和改进：

对于句容电厂分别采用增开通风格栅、开启运转层窗户、开启辅助排风口等措施，定量分析了不同方式对B排温度场分布的影响；

并模拟了炎热气温下主厂房内温度变化情况，引入新型局部机械通风并探究了送风量和送风角度对温度场的影响情况。

对于长春电厂分别采用增开通风格栅和新型辅助机械送/排风口的改进措施，并对比两种改进方式的优化效果，定量分析了对各层B排温度场分布的影响情况。

对于石河子电厂分别采用降低凝汽器表面温度、在不同位置增开通风格栅等改进措施，对比分析了各自对高温区域的优化效果；

并模拟了寒冷气温下主厂房温度变化情况，对比了将风机反吹与关闭风机情况下厂房温度场差异，验证了风机反吹的必要性。

（4）汽轮机房围护结构优化分析

利用能耗分析软件Energyplus及Kvalue等软件针对南方夏季典型气候条件，研究不同围护结构方案的热工性能及其对室内温度的影响，提出适应该地区的围护结构热工要求及建议的构造做法。

利用能耗分析软件Energyplus及window、Kvalue等软件针对北方寒冷/严寒地区冬季典型气候条件，研究不同围护结构方案的热工性能及其对室内温度的影响，提出适应该地区的围护结构热工要求及建议的构造做法。

通过理论研究，研究与新型通风技术方案协调的围护结构适应构造做法。

通过不同围护构造方案的热工性能计算和传热性能测试分析，确定围护结构墙体、屋顶以及门窗等部件的热工性能要求，对夹芯板和压型钢板复合保温墙体的墙脚构造、窗套构造给出针对性的优化设计。

2.2校企联合研发团队组成

东南大学黄亚继教授为项目第一负责人，负责项目的总体规划、技术路线的制定和总体实施。

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司刘明涛高级工程师和无锡赛孚电力环境控制设备有限公司承方高级工程师作为合作企业方的负责人，分别负责可控弱气流汽轮机房新型通风技术的工程设计和具体实施方案的技术指导。

项目参与人员共15人，分工明确，各司其职，定期召开项目分析、总结交流会，推进项目的顺利实施。

表3研发团队成员组成及项目分工

姓名

职称

专业

项目分工

所在单位

教授

热能工程

项目总体规划

傅秀章

副教授

建筑节能

围护结构性能研究

袁竹林

CFD数值模拟指导

金星

讲师

围护结构构造研究

刘长奇

博士生

气流组织影响因素分析

董璐

CFD数值模拟和实测

张弘

硕士生

CFD数值模拟和实验

王靓

张正普

围护结构性能研究与测

试

刘明涛

高工

项目技术指导

中国能源建设集团江苏省电力设计院有限

公司

陆云

工程师

建筑设计

盛帮明

暖通空调

孙纯军

承方

电气工程

新型通风方案技术指导

无锡赛孚电力环境控制设备有限公

司

许承

2.3项目经费的使用和管理情况

项目经费预算中的省拨款、单位自筹资金已经按计划到位。

项目组所在单位对科技拨款严格按照科技经费开支范围的有关规定，专款专用，有力地保障了项目的顺利实施和圆满完成。

项目的决算情况如下表。

江苏省科技计划项目经费决算表

经费单位：

万元

项目来源

项目编号

项目名称

基于可控弱气流汽轮机房新型通风技术研发

经费投入

经费支出

来源

投入数

科目

支出数

其中：

省拨款

投入合计

29.9988

支出合计

27.9973

12.9985

1、省拨款

15

（一）直接费用

2、部门、地方配套

1、设备费

4.7080

3、承担单位自筹

14.9988

（1）设备购置费

4、其他来源

（2）设备试制费

（3）设备改造与租赁费

2、材料费

13.5403

3.7187

3、测试化验加工费

1.1090

4、燃料动力费

5、差旅费

2.2871

1.8179

6、会议费

7、国际合作与交流费

8、出版/文献/信息传播/

知识产权事务费

1.0256

9、劳务费

2.4720

10、专家咨询费

11、其他支出

0.3553

（二）间接费用

2.5

绩效支出

经费结余

2.0015

项目负责人（签字）：

财务负责人（签字）：

（承担单位财务专用章）

2018年10月24日

三、项目技术情况

3.1主要解决的关键技术与创新点

3.1.1主要解决的关键技术

①实地测量获得的有关参数的准确性

实地测量的一些参数包括汽轮机的发热量、汽轮机设备表面温度分布、围护结构的内外表面温度、气流速度以及汽轮机房室内外的温度分布和气流速度等将作为数值模拟的边界条件，而边界条件的准确性将直接影响到数值模拟的准确性。

需要特别指出的是夏季和冬季汽轮机房室内外的参数分布存在很大的差异，故需分别测量。

②几何模型的绘制与简化

由于设计方提供的图纸为平面图纸，且包含信息量巨大，不同电厂汽轮机房设计不尽相同

，因此准确绘制不同地区汽轮机房立体的计算模型将耗费许多工作量，而汽轮机房内设备众多

、管路复杂、结构各异，建立几何模型时必须要做相应的简化，而如何进行合理简化使得既不影响模拟计算结果，又能体现对所研究的对象的描述，是项目过程中需要重点解决的一项关键技术。

③网格的划分

CFD数值模拟过程中，划分的网格质量将影响到模拟结果的精确度，而汽轮机房的空间大而复杂，所以需要划分高质量的网格也是项目过程中需要解决的一项关键技术。

为此,本研究采用分块法对汽轮机房模型进行网格划分，对于设备集中的区域进行局部网格加密，采用不同步长的非结构化网格进行多次划分，确定出不影响网格独立性的步长。

④针对特定地区或结构厂房的优化措施

由于本项目所研究的多个地区厂房所处的气候条件、设计结构、建造材料有所差异，如何针对特定气候特点或设计结构，将可控弱气流通风概念进行针对性的设计，对常规设计方案优化改进具有一定难度,为此对不同气候区的电厂汽轮机房分别进行测试,结合前期调研结果,获得特定地区厂房的计算参数。

⑤新型通风方式运行参数确定

针对不同结构或外界条件的汽轮机房，新型通风方式的运行参数（如送风位置、送风量、

送风角度）不尽相同，因此如何将新型通风方式和已有汽轮机房通风系统相结合，确定最佳的运行参数，探究合适的运行管理模式是将该方案投入运行的关键技术。

本研究通过建立多个汽轮机房通风系统的物理模型,将数值模拟结果与实地测试数据进行对比分析,修正模型,提高模拟结果的可靠性。

3.1.2主要创新点

①本项目采用的基于传热学原理的散热量计算方法不同于以往文献中所采用的经验公式计算方法，更加接近实际情况,且能获得每个热力设备各自的散热情况，有助于分析确定汽轮机房内需要重点关注和改善的通风区域,从而为厂房通风和节能提供更好的参考依据。

②本项目研究对象的选择包括了多个汽轮机房，能够探究和对比不同地区不同结构的汽轮机房通风效果的相似性与差异性，为不同地区厂房通风优化提供特定的指导意见，大幅提高项目的工程价值和意义。

③本项目对于常规通风方式的优化改进更针对人员主要活动区域，比起以往文献中笼统地修改进出口通风方式或通风量等措施更加精细，更直接地作用于人员活动区域，从而改进效果更好更明显，而且比以往研究的改进方式成本更低、能耗更少。

④本项目所研究的可控弱气流新型通风方式是由本项目组自行研发设计并已获取相关专利权的科研成果，可以有效改进已有通风系统中局部流通不畅和高温区域，充分利用不同季节下对通风和采暖需求的不同，有效节省能耗，并通过进一步研究确定最佳运行参数，以最经济的能耗获得最佳的通风采暖效果。

3.2项目取得的突破性进展

3.2.1热力设备实际散热量计算

（1）汽轮机房热力设备通风计算可以使用：

外掠平板对流传热模型，大空间自然对流传热模型以及漫灰表面辐射模型；

（2）通过实测数据和数学计算，得到了三个不同区域电厂主厂房热力设备散热量数据，

如下表4所示：

表4三个不同区域电厂主厂房热力设备散热量（单位：

MW）

设备名称 句容电厂 长春电厂 石河子电厂

汽轮机

2.21

1.20

1.00

高压加热器

1.01

0.26

0.45

低压加热器

0.61

0.099

0.051

凝汽器

1.45

0.163

0.44

热力管道

0.58

0.40

0.33

总计

5.86

2.122

2.271

（3）热力设备自然对流表面传热系数均在7~9W/（m2•K），介于空气的自然对流传热系数范围1~10

W/（m2•K）范围内；

主厂房内设备总散热量约为相应机组功率的0.6%左右。

汽轮机、高加、低加、凝汽器、蒸汽管道的散热量比例约为43∶20∶2∶20∶15。

（4）三个区域的电厂汽轮机房内，汽轮机本体的发热量均占各自总发热量的绝大部分。

由于长春电厂在冬季测试，室内环境平均温度仅有24℃左右，汽轮机组表面与环境温差高达4

0℃以上，因此汽轮机的散热量百分比较大；

同时长春电厂需要向外输送热蒸汽，而相应的蒸汽管道保温较差表面温度高达45℃，导致其热力管道的散热量百分比较大；

石河子电厂冷凝器的保温效果较差，表面温度高达60.7℃，导致其散热量较大；

并且石河子电厂的除氧器位于主厂房内部（统计在高压加热器范畴），相比其他两所电厂高加散热量百分比有所增加。

（5）汽轮机厂房内各热力设备对流换热量和辐射换热量分别约占总散热量的57%和43%，这是因为设备表面温度较高而表面传热系数相对较低所导致的，因此可以通过选择机械式进

、排风的通风方式来增大热力设备附近空气流动速度，提高表面传热系数、降低设备表面温度，从而减少设备散热量。

（6）辐射散热量受设备表面温度的直接影响，且表面温度稍有下降辐射散热量能有较大幅度的减少，因此在实际生产过程中应重视高温热力设备表面保温材料的选择，尽量选择保温性能好的材料，降低设备表面温度，从而降低设备辐射散热量，并且不会使得人员在靠近设备时由于高温辐射影响而倍感炎热。

3.2.2针对句容电厂的模拟及优化

（1）通过对句容电厂CAD图纸和实地情况进行对比分析研究，建立合适的物理模型和与之相匹配的数学模拟，利用 Fluent