为中国电厂做空冷设计，北大团队用计算建立新标准

导读：

空冷技术是如今火力电厂冷却系统的主流，但在21世纪初，这个系统如何设计还是个非常大的挑战。通过数值模拟计算，北京大学陈耀松团队实现了超越风洞实验的准确率，帮助国内多家电厂改造或设计空冷系统，并且推翻了国际同行的一项重要结论。

安亦然（北京大学） | 撰文

自2000年起，我全程参加了北京大学陈耀松教授课题组对国内多家电厂开展的空冷数值模拟仿真计算工作，前后历时五年多。这是我们团队进行技术科学研究与应用的一个成功案例，现撰文对此进行回顾与总结，供技术科学同行参考和借鉴。

21世纪之初，随着国内经济起飞，对能源的需求急速增加，工业用电需求增长尤为明显。为满足电力供应，各地纷纷开始规划、设计和投产大型火力发电厂。我国北方地区煤炭储量丰富，但水资源匮乏，难以满足火电厂所需的大量冷却用水。为解决这一矛盾，从国外引进了空冷电厂技术。传统火力发电，是用水冷塔对汽轮机排出的乏汽进行冷却（北京大学力学系对水冷塔强度的研究也曾对国内的发电技术起过重要作用），而空冷电厂主要是用空气对乏汽进行冷却，这种冷却技术最大的优点是节水。国外的统计数据表明，电厂的冷却部分可节水90%，全厂运行可节水70%。这对于我国北方地区的电厂建设无疑是很重要的。

在实际应用中，空冷技术又分为直接空冷技术和间接空冷技术。直接空冷是指直接使用空气冷却乏汽，在乏汽的管道下面安装大型风扇，用空气将热量带走，让乏汽在管道的翅片上凝结；间接空冷技术（哈蒙式和海勒式）仍然使用水冷却乏汽，但冷却水密闭循环使用，在循环过程中使用空气给冷却水散热。

这两种技术各有优缺点。直接空冷就像把巨大的暖气片架在空中，空冷平台通常高达几十米（600兆瓦机组的平台一般高达60米），管道面积相当于两个足球场，靠风把热量带走；间接空冷的散热仍旧使用冷却塔，散热管道布置在塔下的进风口处，不再向管道上淋水，平日也就看不到像以往湿冷电厂冷却塔那样冒着白色烟雾的壮观景象了。

空冷技术发源于欧洲，主要的研制和生产厂商多数是德国公司，其中GEA公司是全世界最知名的空冷设备制造商。刚问世时，空冷技术一般只用于小型电厂，随着技术的进步，大型电厂逐步采用。上世纪九十年代初，世界上第一家大型直接空冷电厂在南非马丁巴建成，规模很大，共有6台665兆瓦机组，使用GEA的直接空冷技术，空冷平台高度达到60米，机组空冷凝汽器管的总长达40万米，总冷却面积为110万平方米，总重4012吨，从空中看蔚为壮观。我国后来建成了很多规模更大的直接空冷电厂，我曾坐飞机去宁夏银川出差，快降落时可以在空中看到灵武电厂（我们也为灵武电厂做过数值模拟），其规模远大于马丁巴电厂，如此巨型的工业设施令人感觉十分震撼。下图为南非马丁巴电厂。

图1 南非马丁巴电厂

空冷电厂虽然节水，但也有致命的弱点，就是怕风、怕高温。很多人可能想当然地认为，风越大越好，可以带走更多的热量。但大风其实是空冷电厂最大的克星。上文提到的南非马丁巴电厂地处平原，建成后不久就遇到了一次大风，导致乏汽无法散热，多台汽轮机停机，造成了很大损失。

我国西北地区在2000年前后规划建设的大部分电厂，以直接空冷为主，少数采用间接空冷技术。由于我国之前在这方面的技术积累比较薄弱，没有设计建设大型空冷电厂的经验，而且为了节能和提高发电效率，到本世纪初期的电厂都用使用大型燃气轮机，像马丁巴电厂那样的665兆瓦机组已经是小的了，很多电厂开始投运1000兆瓦级别的超临界和超超临界机组。这样级别机组的汽轮机直接空冷散热，进一步加大了我国直接空冷电厂应用的难度。此外，我国的地理环境对于空冷电厂的运行也不友好，特别是西北地区，常年风大、夏季高温，都是空冷电厂的克星。另外，山西和陕西等地的很多电厂选址在山区，环境风的情况更为复杂，这对于空冷技术在国内的推广带来更大的困难。

我国空冷电厂就是在这种条件下开始起步的。2000年前后，国内的几大电力设计院（西北院、华北院），还有地方的山西院等，都开始使用空冷技术进行火电厂设计。对于火力发电厂的设计工程师来说，水冷技术已经掌握得非常好了，传统的工程热力学知识已经足够支撑日常的设计工作。但当电厂进入空冷时代，挑战来了，空冷技术某种程度上是靠天吃饭，风力、温度、地形、厂房布局都会对散热效果造成影响，并且这些因素组合后造成的影响更是让人无从下手。马丁巴电厂事故的教训对我国电力设计人员的影响很大，大家急切地希望弄清楚：大风是如何影响电厂散热的？如何避免大风的影响、保证电厂的稳定？

为了搞清楚这个问题，当时电力设计院参考国外研究马丁巴电厂的做法，开始寻求与研究机构合作。马丁巴电厂因大风停机之后，GEA公司曾委托巴黎大学对事故进行分析，进行了风洞试验研究，得出的结论是“炉后风”会对电厂空冷平台的散热造成影响，其原因是风绕过高大的汽轮机房后，会将空冷凝结器散发的热空气重新带到风扇的进风口，导致冷却空气温度提高，从而降低了散热效率，他们把这个结论称为“热风回流”。这个研究结果在当时被充分接受，大家都认为分析合理，很多国外风工程领域的学者（主要是南非和美国）还在此基础上发表了关于热风回流现象的研究文章。

在此背景下，国内的电力设计部门找到北京大学力学系，希望通过风洞试验对空冷电厂的设计进行分析，预测设计受风影响的程度。当时华北电力设计院、西北电力设计院正在设计一些规模较小的直接空冷电厂，北大力学系的顾志福老师承接了相关的研究任务，使用北大的低速风洞开展试验。他根据风洞的尺寸，加工了电厂的厂房模型，包括汽轮机房、空冷平台（散热翅片）、烟囱等，把模型放置在风洞试验段中的圆形平台上，通过转动平台，可以模拟不同方向的来风。

看似普通的风洞试验，其实难度很大，因为限制条件相当多，且非常苛刻。举例来说，北大低速风洞试验段的尺寸是3.5米X2.5米，电厂厂房和空冷平台缩比模型必须能满足这一尺寸要求。刚开始，大家觉得模型尺寸问题不大，只要风洞能放下就行。做了一段时间才发现，仅仅电厂模型外形相似，无法获得有意义的结果，要想有效模拟出环境风对空冷散热的影响，必须在空冷平台上加装风扇才行。

这可就困难了，空冷平台的风扇有好几十个，如何模拟呢？顾老师到中关村电子市场上找到零售的CPU风扇来模拟空冷平台的风扇，这样就还需要按照风扇的尺寸，重新加工平台和厂房的模型，同时还要保证模型可以放在试验段中。

这还不是最困难的。当时，顾老师认同“热风回流”的解释，希望在试验中模拟出热风回流的现象，这又如何是好呢？顾老师想的办法是在空冷平台散热器上布置甲烷气体出口，做实验时释放甲烷气体，在散热器表面的甲烷气体的无量纲浓度是1，然后在空冷平台风扇（就是那些小CPU风扇）下面布置很多打针用的针头，每个针头通过皮管连接到远处的试验控制台。试验时，需要很多研究生一起参加，大家在统一的号令下一起慢慢拉动针头抽气，对风扇入口的气体进行采样，然后再对气体样品进行成分分析，测定甲烷的浓度。这个试验的思路就是用气体的浓度模拟气体的温度，看看有多少高温气体被风扇吸入，这就相当于看到了热风回流，并能大致了解平台不同位置热风回流情况，同时试验还进行了流动显示，确实可以看到一部分平台上方的“热”空气又被风扇重新吸入了。

这个试验在当时对电力设计院的工作确实有启发。设计师通过这个试验见到了比鬼还难见到的空气流态，这对他们的设计工作有了一定的帮助。但是随着他们对空气流态复杂性的认识，更高的要求随之而来。设计师仅仅知道空冷平台附近的空气流态，还不能满足设计需求，他们最希望了解的是在不同风向、风速、环境温度等气象条件下空冷平台的散热量到底是多少，如果能够知道这些不同条件下的散热量和备选的汽轮机参数，就可以计算出汽轮机运行的背压值。

所谓背压，其实就是汽轮机排放乏汽的压强，它相当于汽轮机运行的阻力。背压越高，汽轮机消耗的煤就越多，相应发电的成本就越高。如果背压过高，汽轮机必须停机，无法工作，特别是像马丁巴电厂那样，一阵大风吹来，汽轮机背压突然升高，电厂会立即跳闸，带来重大的损失。电力设计部门通过风洞试验对设计对象有了直观和定性的了解后，希望有某种办法获得在不同环境因素下的空冷散热量。这时，就轮到我们这些做计算流体力学（CFD）的研究人员登场了。

由于试验无法定量回答电力设计部门的问题，即电厂在不同环境因素下的空冷散热量数据，顾老师向陈耀松老师推荐这项研究，建议他使用计算的方法来尝试解决空冷散热的问题。说来很巧，一位与陈耀松老师合作进行航磁物探项目的伙伴李巍老师对电力系统非常熟悉，他听说这事后非常积极地帮助北大课题组与电力设计部门联系，交流问题和想法，商讨如何定量解决空冷散热这一重大难题。

当时，电力设计部门对CFD完全不了解，不知道CFD能对他们的问题发挥什么样的作用；而我们这些从事CFD的人对空冷电厂设计也几乎是一无所知，对相关问题没有明确的认识。李巍老师在这个时候发挥了重要的作用，他居中联络，多次请电力设计院的专家来北大交流，我也曾多次与李巍一起去走访电力设计院和电厂实地了解情况。在这个过程中，我们给电力工作人员介绍了CFD是什么、能做什么、是怎么做的，以及CFD在其他行当中有哪些成功应用，并讲解了我们关于空冷电厂如何进行CFD研究的设想。在交流过程中，设计院也逐步调整思路，整理出了可能需要的数据。

记得第一次交流是去山西河津。那时，河津要上马一套2X300兆瓦的空冷机组，电厂的设计工作委托给西北电力设计院。我和李巍先从北京跑到河津，向厂方介绍我们计划怎样开展数值模拟来分析电厂设计方案。由于之前没有充分交流，厂方根本听不懂我在说什么，只是出于对北京大学这块招牌的信赖和个人的礼貌，勉强听我讲完了设想。其实，当时我对电厂的实际需求也不清楚。在后续的交流中，我了解到，电厂最关心空冷系统的经济性和安全性，最好能像水冷电厂那样，对发电量和安全条件有个明确的预期。

对于我的计划，他们无从评论，建议我们去找西北电力设计院。我和李巍随即从河津乘长途汽车转往西安，一路上经过了禹门口和风陵渡，这些地方很有名，以前我只是在书上看到过。到了西安，我们在西北电力设计院见到了负责河津项目的设计师——杨平正。杨工很热情也很豪爽，给我仔细介绍了空冷电厂设计遇到的问题，以及设计师关心的问题，特别是风洞试验不能回答的问题。

根据杨工提供的信息和资料，我回京后跟陈耀松老师进行了仔细讨论，设计了一个很粗糙的算例，空间网格很简单，画了四个立方体柱子当作汽轮机房，画了一个悬在空中的大长方体当作空冷平台，把这个大方块内部设置成空冷换热单元，里面的换热模型方程式使用工程热力学的经验公式，空冷平台的一切参数都模化到这个大方块里面（包括乏汽流量，换热系数，换热面积，阻力系数等），参数很多，都是从设计院提供的数据中选取的。然后我在CFD程序中加上流动的方程式，让它计算“炉后来风”，这样一个风场与换热耦合的模型就设计好了。

图2. 空冷数值模拟简化模型

上图是我和陈耀松老师最早做模拟时简化的电厂和空冷平台，箭头代表风向和大小，箭头的颜色代表温度。下图是真实的人字形空冷换热单元照片，可以看到散热翅片，风机和乏汽管道。

我和陈老师一起试算并分析结果，前后花了近三周的时间基本上就把空冷换热计算需要怎么干搞清楚了。通过计算，我们可以给出在不同风向、风速和环境温度下乏汽换热的热量值，在此基础上就可以计算汽轮机的背压值了。同时计算可以给出各种三维视图，使工程师直观地了解风是如何带走热量的。有了这些初步结果，我们心里踏实了，知道这个问题可以解决，下面就需要电厂提供的真实数据进行计算。我把试算的结果发给西北院的杨工，杨工看过明确回答，这就是他们想要的！李巍看过后也很兴奋。接下来，我们要找电厂“实战”了。

河津电厂由于各种原因，一直不敢采用计算的方法，他们还是更希望做风洞试验。李巍决定不等河津了，先去山西电力设计院交流一下。于是我和李巍一起跑到了太原，主管空冷设计的彭继业总工接待了我们，听说我们能计算空冷换热后非常兴奋，表示山西院眼下正在设计一家大型的空冷电厂——陕西河曲电厂，电厂要建设一期两台600兆瓦空冷机组，同时要考虑二期两台600兆瓦机组的规划。彭总当即联系河曲电厂的负责人，约他们共同赴京商议委托计算的事宜。

没过几日，三方就在我们位于北京大学技物楼的实验室碰头了。山西设计院带来了大量数据（电厂图纸，厂区气象资料，汽轮机参数，空冷设备各种参数），厚厚一大摞。河曲电厂的情况远比马丁巴要复杂，虽然装机容量比马丁巴小很多，但设计中的空冷机组紧邻老式的水冷电厂，规划中的空冷平台距离水冷塔最近的地方只有30多米，这给设计带来了很大的不确定性，设计师对于水冷塔会给空冷平台造成什么影响毫无概念。因为电厂的上马时间已定，厂方希望计算的时间越短越好，急切地想看到设计效果。鉴于厂方除了选择计算别无它法，以及山西院强烈建议，大家很快就达成了协议。不过，厂方对计算周期不满，嫌时间太长；陈老师认为钱不需要给的太多。

没想到我们承担的第一个空冷电厂的计算任务，难度就比马丁巴还大！好在我们已经试算成功，已经有了五成胜算。在试算获得的经验基础上，我们做出了更细致的方案，首先是把电厂厂区的主要建筑物都包含在计算区域内，其次对大方块换热单元进行了细化，把每个风机对应的散热器区域作为一个换热单元，但形状仍旧是方块。我们重点关注了水冷塔，除了它的几何尺寸，我们还考虑了水蒸气对空冷系统有什么影响。我们利用从设计院拿到了河曲厂址的风玫瑰图，按照气象条件，设置需要计算的主要风向、风速和环境温度、湿度。此外，厂方还希望了解不同的平台高度、散热器挡风墙高度、平台与冷却塔脱开距离等参数对换热效果的影响。这样将所有需要考虑的参数组合起来后，需要计算的工况竟然多达5000多个，厂方要求的时间很短，难度着实不小。

为保证任务不拖延，我们组织课题组所有的学生一起参加计算，就像个施工队，大家分工合作：有人负责划分不同参数的网格，有人负责设置不同的参数，有人负责高性能计算机的使用，有人负责计算结果的画图和数据处理，我负责撰写报告。经过一个多月的努力，在合同时间内我们完成了全部计算任务，提交了分析报告。我们不仅计算出了不同风向、风速、环境温湿度下汽轮运行的背压值，还计算出在何种参数组合的情况下会出现跳闸的情况。这些都是定量结果，是当时风洞试验无法给出的。更重要的是，通过我们的计算发现，导致空冷系统散热效率降低的最主要原因并不是“热风回流”，而是大风绕过高大建筑物，气流下洗，将风机的冷却风“堵住”，无法将热量带走，所以导致风机效率下降。这一发现为保证空冷电厂的安全运行提供了新的思路——提高风机的通风量。

随着河曲电厂的计算一炮打响，很多电厂的计算任务纷纷找上门来。截至2005年，有超过30家空冷电厂使用我们的计算结果进行设计和环境评估。这些电厂遍布西北各地，包括新疆、内蒙古、陕西、山西、宁夏、甘肃等富煤而缺水的地区。为了与电厂充分沟通，我和李巍几乎走访了所有与我们联系的电厂和电力设计院，结识了很多电力系统的朋友，见识了很多以前在学校里没有见过的事，经历了很多业务方面的评审和争论。在这个过程中，我们课题组逐步完善和改进计算的方法，使得计算结果越来越精细，为设计院提供了更多的信息和数据。

当然，改进的过程也不是一帆风顺的。记得有一次，东北电力设计院联系我们，他们设计了内蒙古通辽的空冷电厂。通辽电厂规模虽然不是很大，地势也不算复杂，但这个地方常年风大，且夏季高温，高温和大风经常同时出现，给电厂的设计带来了很大的挑战。为了确保设计的可靠性，通辽电厂委托北京大学同时进行数值模拟和风洞试验。

这次，我们课题组和顾老师同时上场，分头进行各自的工作，各自独立提交了研究报告。到了评审的时候，电厂和设计院的评审人发现，风洞试验和数值模拟给出的电厂受大风影响的原因是不同的，风洞试验的观点是热风回流导致散热效率降低，而数值模拟的观点是大风导致风机效率降低。更为重要的是，风洞试验中，换热差的区域都集中在平台的下风处，而数值模拟给出的换热差的区域与厂区风速分布直接相关。

当时电厂的投资方对这样的结果很不满意，他们不理解为什么同一家单位给出了两种不同的观点，他们认为风洞试验眼见为实，更加可靠，但又得不到汽轮机背压的定量结果；数值模拟看不见摸不着，不知道我们这几个月到底做了什么，不过倒是能拿出一大堆设计院需要的数据。设计院的工程师通过对比两种方法的数据，已经意识到“回流说”的局限性，空冷平台的迎风面一定不会发生“热风回流“，但这里的风机工作条件很差，散热效果也就很差，甚至是最差的。大家围绕空冷系统受大风影响变差的原因进行了激烈持久的争论，评审会甚至有点像学术讨论会了。经过一天的争论，最后大家基本接受了数值模拟给出的结论，从此，这些观点成为空冷界的主流观点。

后来，又有一家电厂要进行空冷电厂扩容，在两台30兆瓦空冷机组旁边增建两台60兆瓦机组，这就是山西长治的漳山电厂。为了验证数值模拟的准确性，他们联系我们先对已经投运的两台30兆瓦机组进行计算验证，他们根据运行记录，给出风向风速环境温度让我们进行计算，然后把计算出的汽轮机背压值给他们进行对比。通过几轮对比发现我们的计算结果与运行记录是非常吻合的，误差最大也没超过10%。这次对比让我非常高兴，这证明我们的计算是很可靠的！

图3. 电厂空冷数值模拟网格

随着空冷技术的不断进步，新的需求也出现了，比如国内西北地区夏季大风和高温经常同时出现，如何能改造现有技术，从而保障电厂的顺利运行呢？我们课题组的王一伟在毕业后加入中国科学院力学所，他想了很多办法。在他和力学所姜宗林老师的努力下，设计了好几种改造空冷散热的办法，比较遗憾的是这些技术目前仍旧没有被推广使用。如果这些技术得到有效推广，对于空冷电厂的安全和减排增效无疑是大有裨益的。

在我们进行空冷研究的这几年间正是中国飞速发展的几年，什么事都变化很大。我去了很多电厂进行实地考察，见到了很多当地人的生活实景。记得在做漳山电厂的项目时，我多次去长治交流。漳山电厂是一家新体制的电厂，使用全新的设备，聘任新的员工，工资高，管理严格苛刻，职工不再是铁饭碗。它的隔壁是老体制的漳泽电厂，只有两台20兆瓦的水冷机组，却有体制内职工近万人，他们似乎与新邻居生活在两个世界，这里人互相之间仍旧以同志相称。今后漳泽电厂何去何从？当时谁也不知道，但它总会被淘汰的。那这么多职工怎么办呢？我想，这个问题比计算空冷复杂多了，仅靠我们这点知识和能耐是远远不够的。

附记

陈耀松

这篇文章对力学理论研究和工程实践之间的交流，解决了建筑设计中一大难题。它展示了“技术科学”的特征——“用数学方法帮助解决工程中的问题”（钱学森语）。

北大力学专业受纵向管理的局限，与建设部门联系较少。改革开放以来，外面建设热火朝天，而我们还在几个“古典数学问题”上打圈圈。北大有个风洞，孙天风教授带着顾志福提前开展建筑空气动力学研究。近代高层建筑设计，必须考虑“风力”这个影响因素。北大有个风洞，于是各方来求，任务很重。顾志福知道我们搞计算空气动力学，都是算飞机导弹（没有生产任务就从文献中找课题）。当时，他承担了首都博物馆的风力试验任务，特地划出一部分经费要我们做建筑风力计算，以作对比。我们算的结果与试验实测结果符合得很好，于是他建议我们电厂空冷用计算代替风洞模型试验。

发电厂厂区很大，建筑很多。我们那时刚算完首都博物馆的任务，计算大气回流没有困难。软件本身能计算热流，大气温度变化的外界影响也能算。我与安亦然商量，电厂的计算难点在于如何体现热交换器的作用。热交换器有专门的工厂生产，工厂提供它的几何尺寸以及驱动风扇的增压和散热效果。我们发现软件有矩形散热单元，内部相当于“多孔介质”。我们先选择“矩形”尺寸与工厂提供的几何外形相近，而“多孔介质”的阻力系数按它与工厂提供的增压以及冷却片阻力总体效果相同来选择。多孔介质是能传热的，它的传热系数也同样做。我们先为这样设计的冷却器单独做了一次风吹冷却计算，成功。然后安排学生做空冷电厂整体计算，在设计院要求的期限内完成了任务。

我记得漳山电厂的计算非常成功。不但厂方根据计算预报调度电力，它的预报能力还溢及其他。而大同电厂用的风洞模型吹风和甲烷扩散比拟，曾遇预报失败。原因在于前者因模型尺度太小，难以复现局部回流，后者则用甲烷扩散比拟气体热扩散，但它没有热力膨胀效应。

我与安亦然亲自动手，三周完成，李巍帮我们与设计院谈判。以后陆续有多个新建电厂要算，我组得了不少钱。某大学得知此事后，便通过西北电力局校友将空冷计算课题“挖走”。因为他们不会算，西北局校友便将北大全套计算资料寄去。只是写错了地址，寄来了北大，我们才恍然大悟，为何“此后再无空冷课题”。这可能涉及到了知识产权的归属问题，这方面我们一直没有足够关注。