散熱器熱負荷分配對間接空冷系統(tǒng)運行的影響

田松峰， 劉會陽， 柴艷琴

（華北電力大學 電站設備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北保定071003）

火力發(fā)電的大型空冷機組運行耗水量為常規(guī)濕冷機組的15%～25%，因此采用空冷系統(tǒng)成為解決“三北”地區(qū)富煤缺水矛盾的有效途徑［1］.隨著國家對淡水資源保護的重視，電站空冷系統(tǒng)的應用日趨廣泛.空冷技術分為直接空冷和間接空冷［2］.對于一臺600 MW 機組，間接空冷的年運行費用比直接空冷節(jié)約近700萬元，而且間接空冷對環(huán)境風的敏感程度低，同時也解決了小汽輪機的排汽冷卻問題［3］.隨著煤價和電價的不斷上漲，間接空冷系統(tǒng)的整體經濟性越來越優(yōu)于直接空冷系統(tǒng).因此，對間接空冷系統(tǒng)的研究和優(yōu)化具有重要理論意義和工程價值［4］.

目前，已有多位學者對間接空冷機組進行了研究.李春山［5］針對間接空冷機組，從百葉窗、冷卻扇區(qū)和高位水箱等方面總結分析了防凍度冬的安全措施.郝滿晉等［6］對接入附加冷卻的海勒式空冷系統(tǒng)進行了變工況研究，通過建立數(shù)學模型和實例計算，闡明了影響凝汽器壓力的各種因素.Kloppers等［7－8］對冷卻塔運行性能的實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行了分析比較.楊立軍等［9］基于電廠主要建筑物和空冷塔平面布局，對海勒式間接空冷散熱器的運行特性進行了模擬研究，分析了環(huán)境條件對進口空氣流速的影響.卜永東等［10］對電站空冷系統(tǒng)的變工況性能進行了數(shù)值研究，得出背壓隨環(huán)境風速的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢.

以上對間接空冷塔的模擬研究均將塔底散熱器簡化為圓環(huán)柱體.筆者以某2×300 MW 亞臨界機組SCAL型間接空冷塔為研究對象，根據(jù)散熱管束的實際尺寸和冷卻三角與塔體的布置方式，對塔底換熱單元建立了詳細的幾何模型，并在Fluent中將其簡化為多孔介質模型，通過設置各個多孔介質區(qū)域和阻力系數(shù)，使數(shù)學模型更真實地反映實際介質的流動情況.在該模型的基礎上，研究了散熱器熱負荷和環(huán)境條件對空冷塔內外流場流動特性的影響.同時，針對非滿負荷運行工況提出了改變冷卻扇區(qū)熱負荷分配的優(yōu)化方案，進行優(yōu)化前后的模擬分析，為空冷系統(tǒng)的改造和優(yōu)化提供了理論參考.

1 模型的建立及計算方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

利用Gambit軟件建立所研究空冷塔的幾何模型（見圖1）.該空冷塔基本幾何參數(shù)見表1.

選取直徑為400m、高度為400m 的圓柱體作為計算區(qū)域.根據(jù)空冷塔幾何模型的結構特點，將計算區(qū)域分為散熱單元、進風口塔內體、塔筒和外界環(huán)境等4個區(qū)域.計算分析前進行網(wǎng)格無關性驗證，最終確定各區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為410萬.計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分見圖2.

1.2 數(shù)學模型及邊界條件

圖1 空冷塔幾何模型Fig.1 Geographical model of the air－cooled tower

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

圖2 計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分Fig.2 Computational domain and mesh generation

空冷塔內外空氣的流動為三維定常流動，采用Boussinesq近似［11］，數(shù)值模擬中選用N－S方程和RNGk－ε 兩方程湍流模型.計算方法采用SEGREGATED 隱式方法，壓力－速度耦合采用Simple算法，壓力項選用Body Force Weighted離散，動量項和湍流黏性系數(shù)選用First Order Upwind離散.

由于多孔介質模型［12］可以用來描述充滿介質的流動和通過介質的熱傳導問題，與本文實際問題基本相符，因此采用多孔介質模型對空冷翅片管散熱器的阻力和換熱特性進行模擬.假設散熱器熱負荷恒定，通過計算得到單元熱負荷為248 291 W／m3，該源項如式（1）所示：

式中：si為附加的動量源項；ui為速度矢量；umag為速度的大??；μ 為動力黏度；1／α 為黏性阻力系數(shù)；C2為慣性阻力系數(shù)；ρ為空氣密度.

散熱器阻力的計算關系式參考如下經驗公式：

考慮到散熱器厚0.2m，得到散熱器單位長度阻力和法向速度之間的關系式：

通過式（1）～式（3），可以求得散熱器平面法向的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為909 167和11.1.

2 數(shù)值求解結果及分析

當環(huán)境溫度為307 K 時，對不同環(huán)境風速（0 m／s、2m／s、4m／s、6 m／s和8 m／s）和不同散熱器熱負荷（Q0、0.9Q0、0.8Q0、0.7Q0、0.6Q0和0.5Q0，其中Q0為間接空冷散熱器設計散熱量）的情況進行數(shù)值模擬.為便于分析，按正向來風方向，將空冷散熱器分為不同區(qū)域，如圖3所示：－45°～45°為迎風區(qū)域（W 區(qū)），45°～135°和－45°～－135°為側風區(qū)域（T 區(qū)），－135°～135°為背風區(qū)域（L區(qū)）.

圖3 空冷散熱器區(qū)域劃分示意圖Fig.3 Region division of the air－cooled radiator

當環(huán)境溫度為307K、環(huán)境風速為4m／s、風向沿x 軸正方向時，不同散熱器熱負荷下z＝0截面的空氣溫度分布見圖4.由圖4可知，空冷塔內空氣溫度分布不均勻，完成換熱后的氣流聚集在空冷塔L區(qū)，形成高溫高速流場.這是由于W 區(qū)進塔空氣流速較快，因此該區(qū)域冷卻單元的換熱效果好，完成換熱后的空氣溫度偏低.而T 區(qū)進塔空氣流速較低，導致該區(qū)域換熱效果較差，空氣溫度較高.隨著散熱器熱負荷的升高，塔內高溫區(qū)域逐漸擴大，空氣平均溫度升高，空冷塔換熱效果變差.

圖4 不同散熱器熱負荷下z＝0截面的空氣溫度分布Fig.4 Temperature distribution of section z＝0under different conditions of radiator heat load

不同環(huán)境風速下，空冷塔通風量和塔出口速度隨散熱器熱負荷的變化見圖5.由圖5可知，當環(huán)境風速低于4m／s時，通風量隨散熱器熱負荷的降低近似呈線性減小；然而，當環(huán)境風速高于4m／s時，其減小趨勢逐漸減緩.這是由于散熱器熱負荷降低使得散熱器周圍空氣溫度下降，減緩了其與外界環(huán)境的熱交換，從而削弱了空氣流動所致.當環(huán)境風速為2m／s時，通風量達到最大值，此時通風量受環(huán)境風速與空冷塔自身抽吸力的共同作用，環(huán)境風速提高了散熱器周圍的壓力，使空冷塔內外壓差進一步變大，塔內負壓更加明顯，因此進入空冷塔內的空氣量增大.

當環(huán)境風速為0～2m／s時，空氣在空冷塔自身抽吸力的作用下通過散熱器進入塔內，空冷塔四周進氣均勻，與散熱單元換熱情況基本相同.此時，進塔空氣流速和整體通風量主要受散熱器熱負荷的影響.當環(huán)境風速為2～8m／s時，W 區(qū)進塔空氣流速升高，而T 區(qū)和L 區(qū)進塔空氣流速降低，塔內空氣流動由不同位置的進口風速決定，因此，相對于熱負荷來說，環(huán)境風速對空冷塔通風量的影響更大.當環(huán)境風速為2m／s時，空冷塔通風量隨散熱器熱負荷的變化由45 923m3／s減小至38 913m3／s，減小了15.3%；當環(huán)境風速為8m／s時，其通風量由34 880 m3／s減小至30 811m3／s，減少了11%.當空冷散熱器熱負荷為Q0時，其通風量隨環(huán)境風速的變化由45 923m3／s減小至34 880m3／s，減少了24%；當空冷散熱器熱負荷為0.7Q0時，其通風量隨環(huán)境風速的變化由40 613m3／s減小至34 047m3／s，減少了16%.環(huán)境風速和散熱器熱負荷對塔出口速度的影響規(guī)律與通風量相似（見圖5（b））.

圖5 空冷塔通風量和塔出口速度隨散熱器熱負荷的變化Fig.5 Changes of ventilation rate and exit velocity of air－cooled tower with radiator heat load

3 散熱器熱負荷分配對空冷塔運行性能的影響

根據(jù)技術協(xié)議，該SCAL 型間接空冷系統(tǒng)的換熱元件采用橢圓管繞鋼帶翅片管型散熱器，組成150組冷卻三角，分為10個冷卻扇區(qū)，各扇區(qū)均設有獨立的進水閥、出水閥和泄水閥.扇區(qū)分布見圖6.由于不同位置處空冷散熱單元的換熱效果不同，表明塔內不同位置處的空氣流動情況亦存在差異.W 區(qū)散熱單元換熱效果好，空氣流動劇烈；而L 區(qū)和T 區(qū)散熱單元換熱效果相對較差，表明此處空氣流速較低.當空冷散熱器熱負荷小于設計值時，通過調節(jié)進、出水閥門開度可調節(jié)散熱管束內的水流量，使得W 區(qū)的扇區(qū)熱負荷升高，T 區(qū)和L區(qū)的扇區(qū)熱負荷降低，從而改變各扇區(qū)的熱負荷分配，最終達到改善空冷塔通風量和散熱器整體換熱效果的目的.

圖6 扇區(qū)分布圖Fig.6 Sector distribution of the air－cooled radiator

以環(huán)境溫度為307K、熱負荷為0.7Q0時的工況作為參考工況，研究散熱器熱負荷非均勻分配前后空冷塔內外的流場特點.按照增加W 區(qū)扇區(qū)散熱量，減小T 區(qū)和L 區(qū)扇區(qū)散熱量的思路，對熱負荷分配設計了5種方案，具體方案如表2和表3所示.

圖7為風速4m／s時，風向沿x 軸正向，改變熱負荷分配前后z＝0截面空氣溫度的分布圖.由圖7可知，按照方案一～方案五改變空冷散熱器熱負荷分配后，空冷塔內高溫區(qū)域明顯減小.這是由于改變散熱器熱負荷分配后，塔內空氣流動加劇，低速漩渦區(qū)域減小，使得速度分布趨于均勻，從而增強了冷卻空氣與散熱器之間的熱量交換，導致塔內空氣平均溫度降低，增強了空冷塔的換熱能力.

表2 不同扇區(qū)熱負荷分配方案Tab.2 Heat load distribution schemes for different sectors

表3 各扇區(qū)單位熱負荷分配方案Tab.3 Distribution schemes of unit heat load for each sector

表3 各扇區(qū)單位熱負荷分配方案Tab.3 Distribution schemes of unit heat load for each sector

各扇區(qū)單位熱負荷扇區(qū)方案一 方案二 方案三 方案四 方案五1號211 047 248 290 198 632 223 461 248 290 2號 211 047 248 290 198 632 223 461 248 290 3號 211 047 248 290 198 632 223 461 248 290 4號 211 047 248 290 198 632 223 461 248 290 5號 211 047 248 290 198 632 223 461 248 290 6號 136 560 99 316 198 632 223 461 248 290 7號 136 560 99 316 136 560 99 316 62 073 8號 136 560 99 316 136 560 99 316 62 073 9號 136 560 99 316 136 560 99 316 62 073 10號136 560 99 316 136 560 99 316 62 073

圖7 不同熱負荷分配方案下z＝0截面的空氣溫度分布Fig.7 Temperature distribution of section z＝0under different heat load distribution schemes

方案二、方案四和方案五中，由于在A 區(qū)的5個扇區(qū)內分配的熱負荷較高，所以此時塔內W 區(qū)空氣溫度偏高，而L 區(qū)空氣溫度較低，塔內溫差較大，換熱效果變差.這說明此處的空冷散熱器熱負荷超出了W 區(qū)高環(huán)境風速的冷卻能力，所以需要適當降低A 區(qū)散熱器的熱負荷，升高B 區(qū)的熱負荷.方案三中，空冷塔B 區(qū)散熱器分配了相對較多的熱負荷，完成換熱后的氣流聚集在空冷塔L 區(qū)，形成高溫高速流場.綜上所述，方案一中塔內空氣平均溫度均勻且偏低，有效改善了空冷塔的運行性能，為理想方案.

不同散熱器熱負荷分配方案下，空冷塔通風量和塔出口速度隨環(huán)境風速的變化見圖8和圖9.由圖8和圖9可知，空冷塔通風量和塔出口速度的曲線呈相似分布，均隨著環(huán)境風速的增大（0～8m／s）呈現(xiàn)先增大后減小的單駝峰形演化趨勢.相對于熱負荷均勻分配方案，改變扇區(qū)熱負荷分配后的空冷塔通風量和塔出口速度均有不同程度增大，空冷塔內的換熱效果得到不同程度改善，盡管在某級風速下，二者略有下降，但空冷塔總體的換熱性能得到優(yōu)化，尤其是在高風速條件下，換熱效果更佳.這是由于W 區(qū)散熱單元升高熱負荷后，冷卻空氣所受到的浮升力增大，進口空氣流速增大，從而使得換熱效果增強.

圖8 不同熱負荷分配下空冷塔通風量隨環(huán)境風速的變化Fig.8 Changes of ventilation rate of air－cooled tower with wind speed under different heat load distribution schemes

圖9 不同熱負荷分配方案下塔出口速度隨環(huán)境風速的變化Fig.9 Changes of exit velocity of air－cooled tower with wind speed under different heat load distribution schemes

4 結 論

（1）空冷塔通風量隨散熱器熱負荷的降低而減小，且隨環(huán)境風速的增大減小趨勢下降.散熱器熱負荷與環(huán)境風速對塔出口速度的影響規(guī)律與通風量相似.

（2）針對環(huán)境溫度為307K、環(huán)境風速為6m／s、散熱器熱負荷為0.7Q0時的工況，對其扇區(qū)熱負荷進行不同分配.改變散熱器熱負荷分配后，冷卻空氣與散熱器間的熱量交換增強，空冷塔通風量和塔出口速度增大，空冷塔的運行性能得到改善.模擬結果得出了更好的熱負荷分配方案，即空冷散熱器扇區(qū)A 區(qū)／B 區(qū)的熱負荷分配為429.25 MW／277.75 MW（方案一），此時空冷塔通風量和塔出口速度均得到了有效改善.

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