四塔合一式間接空冷塔傳熱性能的數(shù)值研究

周二奇，陳 龍，郝 穎，侯艷峰，張 娜，趙曉莉，李紅莉，李金海（．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定07003；．河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050000）

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四塔合一式間接空冷塔傳熱性能的數(shù)值研究

周二奇1，陳 龍1，郝 穎1，侯艷峰1，張 娜1，趙曉莉2，李紅莉2，李金海2
（1．華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003；2．河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050000）

摘要：四塔合一式冷卻塔是將脫硫吸收塔、濕式除塵器和煙囪布置在塔內(nèi)的大型冷卻塔。以河北電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院承建的某2×660 MW電廠四塔合一式冷卻塔為模型，通過(guò)CFD模擬，得到了冷卻塔換熱的溫度場(chǎng)和空氣流場(chǎng)，分析了脫硫除塵設(shè)備、自然風(fēng)風(fēng)速和煙囪排煙對(duì)冷卻塔通風(fēng)換熱的影響。計(jì)算結(jié)果表明：無(wú)風(fēng)時(shí)，塔內(nèi)布置脫硫除塵設(shè)備對(duì)冷卻塔通風(fēng)量的影響小于0. 5%；煙囪排煙對(duì)冷卻塔通風(fēng)量的影響非常小；風(fēng)速較大時(shí)煙氣接觸冷卻塔的殼體，須做好塔體內(nèi)外的防腐措施；有風(fēng)時(shí)，脫硫除塵設(shè)備可以增大冷卻塔的通風(fēng)量，隨風(fēng)速變大，通風(fēng)量增大幅度最高為11. 4%。結(jié)論可為這種復(fù)合式冷卻塔的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：間接空冷；四塔合一；脫硫塔；濕式除塵器；自然風(fēng)；通風(fēng)量

0 引言

在富煤少水的三北地區(qū)，建有很多空冷機(jī)組。將脫硫塔、濕式除塵器和煙囪布置在間接空冷機(jī)組的冷卻塔內(nèi)，構(gòu)建四塔合一式冷卻塔，能減少電廠占地面積、節(jié)省基建成本。

空冷塔流場(chǎng)的研究主要考慮自然環(huán)境對(duì)冷卻塔換熱的影響。翟志強(qiáng)［1，2］等分析了橫風(fēng)對(duì)自然通風(fēng)干式冷卻塔的內(nèi)外空氣流場(chǎng)；趙振國(guó)［3］通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了改善大風(fēng)天氣對(duì)混合式間接空冷機(jī)組空冷塔不利影響的方法；石磊［4－7］等研究分析了間接空冷塔的空氣流場(chǎng)和散熱器的傳熱性能；黃春花［8－11］等通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)和計(jì)算對(duì)間接空冷塔的熱力性能進(jìn)行了分析研究；楊立軍［12］等對(duì)間接空冷系統(tǒng)空冷散熱器的運(yùn)行特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。四合一式冷卻塔的脫硫、除塵和排煙設(shè)備體積龐大，煙囪排煙散發(fā)熱量，影響冷卻塔的換熱流場(chǎng)。因此，需要研究塔內(nèi)設(shè)備和煙囪排煙及環(huán)境風(fēng)對(duì)冷卻塔換熱流場(chǎng)的影響。

采用FLUENT軟件，以在建660 MW機(jī)組的四塔合一式冷卻塔為例，分別建立傳統(tǒng)自然通風(fēng)冷卻塔的初始模型、塔內(nèi)設(shè)備布置方式不同的臥式冷卻塔模型和立式冷卻塔模型。對(duì)間接空冷塔的內(nèi)外空氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析了塔內(nèi)設(shè)備、煙囪排煙和環(huán)境風(fēng)對(duì)四合一間接空冷塔傳熱性能的影響。

1 冷卻塔模型

1. 1 物理模型

以某2×660 MW超超臨界間接空冷機(jī)組的間接空冷塔為模型，脫硫塔、煙囪和濕式除塵器布置在冷卻塔內(nèi)的空地上。散熱器采用鋁管鋁翅片4排雙流程塔外垂直布置的方式，散熱器面積157 萬(wàn)m2。冷卻塔基本參數(shù)如表1所示。

表1　冷卻塔基本參數(shù)

1. 2 數(shù)值模型

冷卻塔的空氣流場(chǎng)同時(shí)涉及流動(dòng)和換熱，其中導(dǎo)熱和對(duì)流為主要換熱方式。換熱方程由連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、κ方程與ε方程等共同控制［13］，方程的通用形式如下：

式中：ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ為通用變量，可以表示u，υ，ω，T等求解變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

空冷散熱器外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布置方式多樣，數(shù)值模型需進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用多孔介質(zhì)模型代替散熱器的翅片管束。多孔介質(zhì)模型將流過(guò)模型時(shí)的流動(dòng)阻力作為動(dòng)量控制方程的源項(xiàng)，分為粘性損失和慣性損失，對(duì)于各向同性介質(zhì)，動(dòng)量方程的源項(xiàng)用下式表示：

式中：Si為動(dòng)量方程的源項(xiàng)；μ為動(dòng)力粘度；ρ為流體密度；vj為j方向的速度；vmag為速度大??；α為滲透率；C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)空冷散熱器進(jìn)出口壓差與迎面風(fēng)速u(mài)的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合得到散熱器壓降與速度的關(guān)系式如下：

計(jì)算多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為195 423和2. 040 8，根據(jù)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算多孔介質(zhì)的孔隙率為0. 711。

自然風(fēng)的速度為冪指數(shù)風(fēng)速廓線計(jì)算公式編寫(xiě)的UDF函數(shù)，迎風(fēng)面的風(fēng)速分布用下式表示：

式中：u0為距地面10 m高度的風(fēng)速；y為所求點(diǎn)的高度。

數(shù)值模型與物理模型體積1∶1進(jìn)行建模，計(jì)算域?yàn)檫呴L(zhǎng)500 m的立方體。計(jì)算域的邊界設(shè)置：迎風(fēng)面為速度入口，地面和塔筒設(shè)置為壁面，其他面為壓力出口。利用Gambit生產(chǎn)網(wǎng)格，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量大于80萬(wàn)后，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)冷卻塔通風(fēng)量影響小于0. 5%，網(wǎng)格數(shù)量大于140萬(wàn)后，通風(fēng)量變化幅度變小，最終確定網(wǎng)格數(shù)量132萬(wàn)。

圖1為傳統(tǒng)的冷卻塔模型。排煙、脫硫和除塵設(shè)備在冷卻塔內(nèi)的布置方式分臥式和立式兩種，如圖2和圖3所示。臥式模型是將煙囪、除塵器和脫硫塔在塔內(nèi)分開(kāi)布置；立式模型是將煙囪、除塵器和脫硫塔組合成一體在塔內(nèi)放置；初始模型是沒(méi)有布置脫硫、除塵和排煙設(shè)備的冷卻塔。

參照設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際施工情況，塔內(nèi)排煙、除塵和脫硫設(shè)備的外形尺寸如表2所示。

圖1　初始模型

圖2　臥式模型

圖3　立式模型

表2　塔內(nèi)設(shè)備參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2. 1 脫硫除塵設(shè)備對(duì)冷卻塔流場(chǎng)的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環(huán)境溫度32℃，859 hPa，相對(duì)濕度0. 55，無(wú)自然風(fēng)，暫不考慮煙囪排煙。

在冷卻塔的抽力作用下，進(jìn)入冷卻塔的空氣被加熱以后從冷卻塔的出口流出。圖4（a）、（b）、（c）分別是初始模型、臥式模型和立式模型冷卻塔流場(chǎng)的速度云圖，對(duì)比三種模型的速度云圖可知塔內(nèi)設(shè)備對(duì)冷卻塔溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布無(wú)明顯影響。表3給出了三種模型冷卻塔的通風(fēng)量、換熱量和散熱器迎面風(fēng)速的情況，由表可知，塔內(nèi)布置脫硫除塵設(shè)備后，冷卻塔的通風(fēng)量和換熱量影響都小于0. 5%。

圖4　Z＝0截面速度云圖

表3　TRL工況下冷卻塔換熱情況比較

2. 2 煙囪排煙對(duì)四合一冷卻塔流場(chǎng)的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環(huán)境溫度32℃，859 hPa，相對(duì)濕度0. 55，煙囪排煙，無(wú)自然風(fēng)。

表4為煙囪排煙時(shí)冷卻塔的通風(fēng)換熱情況，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：煙囪排煙時(shí)，臥式模型冷卻塔通風(fēng)量增大0. 12%，換熱量增大0. 17%；立式模型冷卻塔通風(fēng)量增大0. 3%，換熱量增大0. 2%。比較表3和表4可知，煙囪排煙引起冷卻塔通風(fēng)量、換熱量和散熱器迎面風(fēng)速的變化非常小。

表4　煙囪排煙時(shí)冷卻塔通風(fēng)換熱量

2. 3 自然風(fēng)對(duì)冷卻塔流場(chǎng)的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環(huán)境溫度32℃，859 hPa，相對(duì)濕度0. 55，煙囪排煙，有自然風(fēng)。

圖5（a）是風(fēng)速8 m／s時(shí)初始模型塔內(nèi)外空氣溫度分布圖，隨自然風(fēng)速增大，進(jìn)風(fēng)穿透散熱器，塔內(nèi)溫度分布變的不均勻，高溫區(qū)向背風(fēng)面偏移。圖5（b）和（c）是風(fēng)速8 m／s時(shí)臥式模型和立式模型冷卻塔溫度場(chǎng)的分布云圖，冷卻塔內(nèi)的部分高溫區(qū)由背風(fēng)面轉(zhuǎn)移到了迎風(fēng)面。

如圖5（b）和（c）所示，臥式模型和立式模型冷卻塔煙囪排煙，煙氣溫度大于同高度空氣的溫度，由于擴(kuò)散效應(yīng)，煙氣與塔內(nèi)空氣混合換熱后流出冷卻塔。風(fēng)速為8 m／s時(shí)，混合煙氣接觸到上部塔筒和冷卻塔出口外沿。

圖6為風(fēng)速變化對(duì)冷卻塔通風(fēng)量的影響。隨風(fēng)速增大，三種冷卻塔模型通風(fēng)量下降趨勢(shì)相同。風(fēng)速小于6 m／s時(shí)，塔內(nèi)設(shè)備對(duì)冷卻塔的通風(fēng)量影響較小；風(fēng)速8 m／s時(shí)，相對(duì)于初始模型，臥式模型冷卻塔通風(fēng)量增大4. 7%；風(fēng)速達(dá)到了12 m／s后，相對(duì)于初始模型，臥式模型和立式模型冷卻塔通風(fēng)量增大了11. 4%和9. 5%。

圖5　Z＝0截面溫度云圖（K）

圖6　風(fēng)速變化對(duì)冷卻塔通風(fēng)量的影響

冷卻塔通風(fēng)換熱對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響表現(xiàn)在機(jī)組的運(yùn)行背壓上。通過(guò)換熱量的變化計(jì)算得到汽輪機(jī)排汽壓力隨環(huán)境風(fēng)速變化的曲線如圖7所示。風(fēng)速?gòu)?增大到12 m／s時(shí)，初始模型汽輪機(jī)排汽壓力升高4. 5 kPa，臥式模型和立式模型汽輪機(jī)排氣壓力升高3. 5 kPa。

圖7　風(fēng)速對(duì)機(jī)組背壓的影響

3 結(jié)論

（1）無(wú)風(fēng)時(shí)，脫硫除塵設(shè)備對(duì)冷卻塔通風(fēng)量和換熱量的影響都小于0. 5%，對(duì)散熱器的迎面風(fēng)速基本無(wú)影響。

（2）排煙使冷卻塔通風(fēng)量和換熱量的變化小于0. 3%，對(duì)冷卻塔換熱性能的作用可忽略。

（3）風(fēng)速小于8 m／s時(shí)，四合一和初始冷卻塔的通風(fēng)量、換熱量及汽輪機(jī)排汽壓力沒(méi)有明顯差別，風(fēng)速大于8 m／s時(shí)，四合一冷卻塔換熱抗大風(fēng)能力優(yōu)于初始模型冷卻塔，因?yàn)樗?nèi)設(shè)備起到擋風(fēng)墻的作用。要注意的是，自然風(fēng)達(dá)到8 m／s時(shí)，煙氣在塔筒內(nèi)外擴(kuò)散接觸到塔筒壁和外沿，塔筒內(nèi)外壁面需進(jìn)行防腐蝕處理。

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Numerical Research on Heat Transfer Performance of the Four in One Type Indirect Air Cooled Tower

ZHOU Erqi1，CHEN Long1，HAO Ying1，HOU Yanfeng1，ZHANG Na1，ZHAO Xiaoli2，LI Hongli2，LI Jinhai2
（1．School of Energy and Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，China 2．Hebei Electric Power Design＆Research Institute，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：The four in one type indirect air cooled tower puts desulfurization tower，wet precipitator and chimney inside．Taking the four in one type indirect air cooled tower of a 2×660MW unit built by HEPD as a studying ob?ject，the flow and temperature fields of the cooling air are presented by CFD simulation．The influences of desulfu?rization devices，wind speed，chimney smoking on ventilation and heat transfer of the tower are investigated in this paper．The simulation results show the influence of desulfurization devices on ventilation quantity is less than 0. 5% without wind，as well the influence of chimney smoking on ventilation quantity is less than 0. 5%．Anticorrosion measures are necessary as flue gas touching the shell of the tower while the wind speed increasing，and desulfuriza?tion devices could increase ventilation quantity as wind speed increasing，whose growth rate can reach 11. 4%．The conclusion can provide reference for the design and optimization of the tower．

Keywords：indirect air cooling；four in one type tower；desulfurization tower；wet precipitator；wind；ventilation

作者簡(jiǎn)介：周二奇（1988－），男，碩士研究生，主要從事間接空冷機(jī)組節(jié)能研究，E?mail：15733221415＠163. com。

收稿日期：2015－11－03。

中圖分類(lèi)號(hào)：TK264. 1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 003