間接空冷塔內(nèi)外流動和傳熱性能的數(shù)值模擬研究

向同瓊，田松峰

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

間接空冷系統(tǒng)由于其換熱端差小、煤耗率低(相對于直冷)、節(jié)水等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于富煤缺水地區(qū)的火力發(fā)電機組，其由混合式或表面式凝汽器、空冷散熱器和自然通風(fēng)冷卻塔組成?？绽湎到y(tǒng)的關(guān)鍵問題是夏季安全度夏和保證汽輪機滿發(fā)?？绽渌?nèi)外空氣的流動和傳熱性能受環(huán)境風(fēng)影響較大，因此，研究環(huán)境風(fēng)速變化對空冷塔性能的影響規(guī)律對于實時運行調(diào)控和提高機組真空具有重要意義。

針對環(huán)境風(fēng)對空冷塔性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究。A.F.du Preez和D.G.Kriiger[1，2]指出，側(cè)風(fēng)對空冷塔的影響與風(fēng)速、空冷塔結(jié)構(gòu)、壓力損失系數(shù)及散熱器的具體布置情況等有關(guān)。D.D.Derkson[3]通過風(fēng)洞實驗?zāi)M，從外部流動形式、壓力特性、入口流率等方面研究了側(cè)風(fēng)對空冷塔的影響。TANG.D.M[4]通過數(shù)值模擬研究了側(cè)風(fēng)對海勒式間接空冷系統(tǒng)空冷塔內(nèi)外的流場和溫度分布的影響。翟志強和符松[5，6]通過風(fēng)洞實驗細(xì)致研究了橫向風(fēng)對空冷塔空氣流場的影響。魏慶鼎[7]通過風(fēng)洞模型試驗和現(xiàn)場試驗研究了側(cè)風(fēng)對空冷塔冷卻效率不利影響的機理，結(jié)果表明，有風(fēng)時空冷塔的冷卻效率會大幅降低，塔內(nèi)流場失去了軸對稱特征，在塔出口會產(chǎn)生漩渦，使環(huán)境冷空氣倒灌入塔內(nèi)，降低了氣流的浮升驅(qū)動力。

本文對某2×300 MW發(fā)電機組的SCAL間接空冷系統(tǒng) (表面式凝汽器和鋼管鋼翅片間接空冷散熱器在空冷塔四周垂直布置)的空冷塔流動和傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 數(shù)值計算方法

1.1 物理模型

某汽輪機冷卻系統(tǒng)采用SCAL間接空冷系統(tǒng)，在空冷塔四周垂直布置的間接空冷散熱器是由橢圓鋼管繞制鋼翅片組成?？绽渌緟?shù)如表1所示。計算區(qū)域選取的是以空冷塔中心線為中心，邊長為500 m的立方體。為了使所研究的問題得到簡化，未考慮空冷塔X型柱、塔內(nèi)高位膨脹水箱、系統(tǒng)管線、照明等輔助設(shè)備，散熱器簡化為多孔介質(zhì)模型。整體計算模型及邊界條件如圖1所示。

利用gambit軟件生成網(wǎng)格。為提高計算精度和減少網(wǎng)格數(shù)目，將計算域分成3個區(qū)分別畫網(wǎng)格。空冷散熱器采用六面體網(wǎng)格，空冷塔采用四面體網(wǎng)格[8]。由于所計算區(qū)域的大空間與散熱器的尺寸相差甚大，因此采用尺寸函數(shù)法對大空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并通過網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最終確定總的網(wǎng)格數(shù)約為145萬。

表1 空冷塔基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of air cooling tower

圖1 間接空冷塔的計算模型及邊界條件Fig.1 Calculation model and boundary conditions of indirect air-cooling tower

1.2 數(shù)學(xué)模型

描述空冷塔內(nèi)外空氣流動和換熱的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，以及描述空冷塔鋼筋混凝土壁面導(dǎo)熱的導(dǎo)熱微分方程，可以統(tǒng)一寫成以下通用形式[9]:

式中:ρ為密度，kg/m3;t為時間，s;φ為通用變量，可以代表u，v，ω，T等求解變量;Γφ為廣義擴散系數(shù);Sφ為廣義源項;u為速度矢量，m/s。動量方程采用Realizable κ-ε雙方程湍流模型，并考慮由于溫度變化而導(dǎo)致的空氣密度的變化和浮升力的影響，采用Boussinesq近似;壓力離散采用Body Force Weighted格式，其余采用一階離散格式。

多孔介質(zhì)模型[10]將流經(jīng)物理模型空間的流動阻力看作是動量控制方程的源項，包括粘性損失和慣性損失，用下式描述:

式中:Si為第i(x，y，z)個動量方程的源項;D和C為系數(shù)矩陣;μ為動力粘度;ρ為流體密度;vj為j方向的速度;vmag為速度大小。

對于各向同性介質(zhì)，動量源項可以簡化為如下形式:

式中:α為滲透率;C2為慣性阻力系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，對空冷散熱器的翅片管進(jìn)行數(shù)值模擬，得到空冷散熱器的進(jìn)出口壓差與迎風(fēng)面風(fēng)速的關(guān)系為:

由此可計算出多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為1 556 456和1.708 4[12]。根據(jù)空冷散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以計算得出多孔介質(zhì)孔隙率為0.8。

在計算域的邊界上，迎風(fēng)面為速度入口條件，其他計算區(qū)域的邊界取為壓力出口。入口速度通常選用冪指數(shù)風(fēng)速廓線公式計算環(huán)境風(fēng)速。鑒于一般氣象站觀測的都是10 m高處的風(fēng)速，則迎風(fēng)面上的風(fēng)速分布可用下式表示[13]:

式中:u10表示距地面10 m高處的風(fēng)速;y為所求點的高度?？绽渌?、地面和空冷散熱器上下表面為無滑移壁面 (邊界條件)，設(shè)為絕熱?？绽渖崞鞯膬?nèi)外表面及塔出口面均為計算區(qū)域的內(nèi)部面，無需設(shè)定條件。

2 計算結(jié)果及分析

某發(fā)電廠地處中緯度地帶，屬半干旱暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，晝夜溫差大。根據(jù)氣象站的資料，多年年平均氣壓為98.94 kPa，多年平均相對濕度為63%，多年年平均風(fēng)速為1.9 m/s。該間接空冷系統(tǒng)的性能保證參數(shù) (即考核工況)為:當(dāng)大氣溫度為34.5℃，空冷塔10 m標(biāo)高處的平均風(fēng)速不大于4 m/s時，兩臺汽輪機組在TRL工況下空冷塔的設(shè)計散熱量為1 010 MW，空冷塔通風(fēng)量約為44 900 m3/s。

通過模擬計算得到:當(dāng)大氣溫度為34.5℃，空冷塔10 m標(biāo)高處的平均風(fēng)速為4 m/s時，空冷塔的通風(fēng)量和空冷散熱器的散熱量分別為考核工況的102.6%和98.9%。模擬結(jié)果表明，數(shù)值模型是正確可信的。針對不同環(huán)境氣溫 (26.2℃，38℃，42.5℃)，不同環(huán)境風(fēng)速 (4 m/s，5 m/s，6 m/s，7 m/s，8 m/s，9 m/s)進(jìn)行模擬計算，得到不同環(huán)境氣溫下空冷塔通風(fēng)量和散熱器的散熱量隨環(huán)境風(fēng)速的變化規(guī)律，如圖2、3所示。

圖2 不同環(huán)境氣溫下空冷塔通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化Fig.2 Flow rate of the cooling tower versus wind speed in different ambient temperature

從圖2可以看出，當(dāng)大氣溫度一定時，空冷塔的通風(fēng)量隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而降低。風(fēng)速低于6 m/s時，空冷塔通風(fēng)量隨著氣溫的升高而減小;當(dāng)風(fēng)速高于6 m/s時，空冷塔通風(fēng)量隨著氣溫的升高而增大。從圖3可以看出，當(dāng)大氣溫度一定時，空冷散熱器散熱量隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而降低。風(fēng)速低于6 m/s時，空冷散熱器散熱量隨著氣溫的升高而增大，但相差不多;當(dāng)風(fēng)速高于6 m/s時，空冷散熱器散熱量隨著氣溫的升高而增大，此時高溫處于有利狀況。

圖3 不同環(huán)境氣溫下空冷散熱器散熱量隨環(huán)境風(fēng)速的變化Fig.3 Heat rejection of air-cooled radiator versus wind speed in different ambient temperature

為了進(jìn)一步分析空冷塔四周受環(huán)境風(fēng)的影響程度，現(xiàn)將空冷塔劃分為4個區(qū)域:沿主導(dǎo)風(fēng)向逆時針旋轉(zhuǎn)，(-45°，45°)為迎風(fēng)區(qū)域 (W區(qū));(-135°， -45°)和 (45°，135°)為塔側(cè)區(qū)域(T區(qū))，分為左、右兩側(cè)區(qū)域 (迎著來流方向)，分別標(biāo)記為T1和Tr區(qū);(135°，-135°)為背風(fēng)區(qū)域 (L區(qū))，如圖4所示。

圖4 空冷塔劃分區(qū)域示意圖Fig.4 Air cooling tower's regionalism area sketch map

經(jīng)過計算，26.2℃靜風(fēng)時，W區(qū)通風(fēng)量為16 277.798 kg/s，T1區(qū)通風(fēng)量為 16 273.887 kg/s，Tr區(qū)通風(fēng)量為16 273.869 kg/s，L區(qū)通風(fēng)量為16 276.552 kg/s:可見無環(huán)境風(fēng)影響時，空冷塔四周進(jìn)風(fēng)是均勻的。下面分別計算不同環(huán)境氣溫、不同環(huán)境風(fēng)速下4個區(qū)域的平均通風(fēng)量。通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化曲線，如圖5～7所示。

圖5 26.2℃時各區(qū)域通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化Fig.5 Air flow rate of each region versus wind speed at 26.2℃

圖6 38℃時各區(qū)域通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化Fig.6 Air flow rate of each region versus wind speed at 38℃

圖7 42.5℃時各區(qū)域通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速的變化Fig.7 Air flow rate of each region versus wind speed at 42.5℃

從圖5～7可以看出，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，W區(qū)通風(fēng)量呈線性增加，換熱增強，并且W區(qū)通風(fēng)量隨環(huán)境溫度的降低而增加，但相差不大;L區(qū)和T區(qū)通風(fēng)量減小，換熱減弱。風(fēng)速為4～7 m/s時，T區(qū)通風(fēng)量低于L區(qū)通風(fēng)量，到8 m/s通風(fēng)量幾乎持平，隨后L區(qū)通風(fēng)量下降較快并且低于T區(qū)通風(fēng)量，風(fēng)速為9 m/s時，L區(qū)通風(fēng)量為負(fù)值，即此時塔內(nèi)出現(xiàn)了“穿堂風(fēng)”現(xiàn)象;風(fēng)速低于6 m/s時，L區(qū)通風(fēng)量緩慢減小，6 m/s以后L區(qū)通風(fēng)量驟減至負(fù)值，并且氣溫越低減小得越多;T區(qū)通風(fēng)量在7 m/s風(fēng)速以內(nèi)減小較快，7～9 m/s時，Tr區(qū)通風(fēng)量緩慢減小，而T1區(qū)會出現(xiàn)先增后減的趨勢，其中以38℃變化最為明顯。

圖8 26.2℃時，Z=0 m截面的速度矢量圖Fig.8 The velocity vector diagram on Z=0 m cross section at 26.2℃

圖9 26.2℃時，Y=15 m截面的速度矢量圖Fig.9 Velocity vector diagram on Y=15 m cross section at 26.2℃

圖8、圖9分別為26.2℃時，Z=0 m截面和Y=15 m截面的速度矢量圖。從圖8可以看出，有環(huán)境風(fēng)時，塔內(nèi)進(jìn)風(fēng)失去了軸對稱特征。W區(qū)進(jìn)風(fēng)速度增大因而通風(fēng)量增加，壓迫L區(qū)的空氣流入使之減小，從而使上升氣流中心向塔后壁推移;同時，在空冷塔一定高度內(nèi)，靠近壁面處的空氣流速較低，出現(xiàn)負(fù)壓回流現(xiàn)象，形成局部流動死區(qū)，縮小了塔的有效流通面積。隨環(huán)境風(fēng)速增加，該回流區(qū)增大，使得上升氣流中心進(jìn)一步向后壁擠壓，并且受塔外迎面風(fēng)的作用在塔頂上方形成了一個“風(fēng)帽”，使空冷塔出流偏折向下游，抑制了塔頂?shù)目諝獬隽?，降低了塔的抽吸能力，大大減少了空冷塔的總通風(fēng)量，換熱性能大幅度減弱。

從圖9可以明顯看出，在塔底部W區(qū)，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，通風(fēng)量持續(xù)增加，散熱增強。對于L區(qū)，由于來流遇到空冷塔形成“圓柱繞流”運動，兩股繞流氣流在空冷塔L區(qū)入口相撞形成渦流，阻礙L區(qū)進(jìn)風(fēng)以致通風(fēng)量減小;環(huán)境風(fēng)強度的增大將導(dǎo)致漩渦的增強，進(jìn)風(fēng)阻力增加，L區(qū)通風(fēng)量持續(xù)下降，換熱減弱。到9 m/s時，L區(qū)沒有進(jìn)風(fēng)，并且經(jīng)過W區(qū)的熱風(fēng)氣流直接從L區(qū)流出，形成“穿堂風(fēng)”，與塔外繞流匯合形成大范圍的二次擾流。此時經(jīng)過L區(qū)散熱器的風(fēng)量增加以及二次流的擾動增強了換熱，散熱量稍有增加。

低風(fēng)速時，W區(qū)和L區(qū)兩股強度不同的氣流，在塔內(nèi)T區(qū)相遇后卷起一對對稱的逆向漩渦，并在T區(qū)和L區(qū)的交界處誘導(dǎo)出一對二次漩渦，增加了T區(qū)進(jìn)風(fēng)阻力;塔外“圓柱擾流”運動使得T區(qū)氣流切向速度很大，進(jìn)氣壓力低以致該區(qū)域通風(fēng)量減小，換熱減弱。隨著環(huán)境風(fēng)速增大，塔底部產(chǎn)生的漩渦回卷流動加強，范圍加大，一直上升影響到塔中部，削弱了塔內(nèi)的通暢性，使進(jìn)入T區(qū)的空氣量和該區(qū)散熱量銳減。

數(shù)值模擬的計算結(jié)果是基于來流穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)傳熱的假設(shè)得到的，與實際情況存在一定差異。自然狀態(tài)下，一定的環(huán)境風(fēng)速范圍內(nèi)，風(fēng)向具有隨機性的特點;因此數(shù)值計算結(jié)果還需要風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的驗證[14]。

3 結(jié)論

本文對間接空冷散熱器空冷塔內(nèi)外空氣的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，并將空冷塔劃分為4個區(qū)域，研究了環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速對空冷塔各區(qū)域的通風(fēng)量和散熱量的影響。

(1)風(fēng)速低于6 m/s時，空冷塔通風(fēng)量隨著氣溫的升高而減小，散熱量相差不大;當(dāng)風(fēng)速高于6 m/s時，通風(fēng)量和散熱量均隨氣溫的升高而增加，此時高溫處于有利狀況。

(2)由于環(huán)境風(fēng)的存在，塔內(nèi)上升氣流中心向塔后壁推移，并在塔頂形成一個“風(fēng)帽”，使得空冷塔出口空氣流量減小。

(3)隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，W區(qū)入口風(fēng)速增大因而通風(fēng)量呈線性增加，換熱增強。

(4)隨著環(huán)境風(fēng)速增加，由于塔外氣流切向速度增大和塔內(nèi)縱向與橫向漩渦的作用，導(dǎo)致T區(qū)通風(fēng)量減小，換熱減弱。

(5)隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，由于“圓柱繞流”運動形成漩渦的作用導(dǎo)致L區(qū)通風(fēng)量減小，并且到9 m/s風(fēng)速時，塔內(nèi)形成“穿堂風(fēng)”，使L區(qū)通風(fēng)量為負(fù)值。但由于經(jīng)過L區(qū)散熱器的風(fēng)量增加以及二次流的擾動增強了換熱，此時L區(qū)散熱量稍有增加。

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