660 MW機(jī)組四合一式空冷塔變工況運(yùn)行的數(shù)值模擬

周二奇，陳 龍，侯艷峰

（華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071000）

660 MW機(jī)組四合一式空冷塔變工況運(yùn)行的數(shù)值模擬

周二奇，陳 龍，侯艷峰

（華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071000）

四合一式空冷塔由脫硫塔、濕式除塵器、煙囪和原始空冷塔組合而成。以某2×660 MW間接空冷機(jī)組的四塔合一式空冷塔為模型，通過CFD模擬，在空冷塔變工況條件下，分析了環(huán)境溫度、熱負(fù)荷、自然風(fēng)速、風(fēng)向和百葉窗角度等因素對換熱的影響。計算結(jié)果表明，調(diào)節(jié)迎風(fēng)側(cè)百葉窗的角度，可明顯提高四塔合一式空冷塔的通風(fēng)量。

間接空冷；空冷塔；模擬；溫度；負(fù)荷；自然風(fēng)；百葉窗；通風(fēng)量

0 概 述

在我國嚴(yán)重缺水的西北地區(qū)，建有較多空冷機(jī)組。與濕冷機(jī)組相比，間接空冷機(jī)組具有顯著的節(jié)水優(yōu)勢；與直接空冷機(jī)組相比，間接空冷具有低背壓、抗大風(fēng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。翟志強(qiáng)[1，2]等分析了橫風(fēng)對自然通風(fēng)干式冷卻塔的內(nèi)外空氣流場；趙振國[3]通過風(fēng)洞試驗研究了改善大風(fēng)天氣對混合式間接空冷機(jī)組空冷塔不利影響的方法；石磊[4，5]等研究分析了間接空冷塔的空氣流場和散熱器的傳熱性能；黃春花[6]等通過冷態(tài)試驗和計算對間接空冷塔的熱力性能進(jìn)行了分析研究；楊立軍[7]等對間接空冷系統(tǒng)空冷散熱器的運(yùn)行特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。

利用冷卻塔的熱空氣能抬升脫硫后的煙氣，煙塔合一在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢[8-11]。將脫硫塔、濕式除塵器和煙囪布置在間接空冷機(jī)組的空冷塔內(nèi)，構(gòu)建四塔合一式冷卻塔，能有效減少電廠占地面積，節(jié)省基建成本。

自然通風(fēng)冷卻塔的換熱性能受到環(huán)境溫度、機(jī)組負(fù)荷、百葉窗開度、自然風(fēng)速和風(fēng)向的影響，并受到散熱器的迎面風(fēng)速和空冷塔通風(fēng)量的影響。采用FLUENT軟件，通過數(shù)值模擬，在變工況條件下，分析了四塔合一式空冷塔的通風(fēng)換熱情況。

1 空冷塔模型

1.1 物理模型

以某2×660 MW超超臨界間接空冷機(jī)組的四塔合一空冷塔為模型，脫硫吸收塔、煙囪和濕式除塵器布置在間冷塔的空地上。散熱器在塔外垂直布置。空冷塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 空冷塔基本參數(shù)

1.2 數(shù)值模型

空冷塔空氣流場的換熱方程，由連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、k方程與ε方程等組成，方程的通用形式為：

式（1）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，v，ω，T等求解變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項。

采用多孔介質(zhì)代替散熱器翅片管束。在多孔介質(zhì)模型中，將流過模型時的流動阻力作為動量控制方程的源項，主要由黏性損失和慣性損失組成[12]。對于各項同性介質(zhì)，動量方程的源項為：

式（2）中：Si為動量方程的源項；μ為動力黏度；ρ為流體密度；vj為j方向的速度；vmag為速度大小。α為滲透率；C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)空冷散熱器的進(jìn)出口壓差與迎面風(fēng)速u的經(jīng)驗公式[13]，結(jié)合實(shí)驗數(shù)據(jù)，得到散熱器壓降與速度的關(guān)系式：

煙氣的排放過程用離散相計算，考慮煙氣擴(kuò)散時與塔內(nèi)空氣的換熱形式為混合換熱。

計算自然風(fēng)的風(fēng)速，是用冪指數(shù)風(fēng)速廓線計算公式編寫的UDF函數(shù)，迎風(fēng)面的風(fēng)速分布為：式（4）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比為1∶1，計算域為邊長500 m的立方體。邊界條件為：迎風(fēng)面為速度入口，地面和塔筒為壁面，其他面為壓力出口。利用GAMBIT軟件生成網(wǎng)格，通過計算驗證，網(wǎng)格數(shù)大于80萬，對計算冷卻塔通風(fēng)量的影響小于0.5%，網(wǎng)格數(shù)大于140萬，通風(fēng)量的變化幅度變小，最終確定網(wǎng)格數(shù)為132萬。建立的數(shù)值模型，如圖1～圖3所示。塔內(nèi)各設(shè)備參數(shù)及外形尺寸，如表2所示。

圖1是作為對比的原始模型，圖2和圖3為臥式模型和立式模型。原始模型是傳統(tǒng)的自然通風(fēng)冷卻塔，臥式模型和立式模型為四塔合一式冷卻塔。臥式模型是將煙囪、除塵器和脫硫塔放在塔內(nèi)，分開布置；立式模型是將煙囪、除塵器和脫硫塔組合成一體后，在塔內(nèi)放置。

圖1 原始模型

圖2 臥式模型

圖3 立式模型

表2 塔內(nèi)設(shè)備參數(shù)（m）

2 計算結(jié)果分析

2.1 負(fù)荷變化對空冷塔換熱的影響

以夏季TRL工況為機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，環(huán)境溫度為32℃，壓力為85.9 kPa，相對濕度為0.55，無自然風(fēng)，不考慮煙囪的排煙損失。

在定義額定工況下，空冷塔的熱負(fù)荷為Q，散熱器迎面風(fēng)速隨空冷塔熱負(fù)荷增大的變化曲線，如圖4所示。對于原始模型，熱負(fù)荷從0.5Q到Q，散熱器的迎面風(fēng)速從1.76 m/s增大至2.23 m/s，增大27%，臥式模型和立式模型分別增大25%、26%。由圖4可知，隨熱負(fù)荷增大，三種冷卻塔模型的散熱器迎面風(fēng)速都呈線性增大。這是因為負(fù)荷增大，提高了散熱器與周圍空氣的對流換熱速度，使空氣流動速度加快。

圖4 散熱器迎面風(fēng)速隨熱負(fù)荷變化曲線

2.2 溫度變化對空冷塔換熱的影響分析

研究工況為機(jī)組在額定負(fù)荷下，不考慮煙囪的排煙損失，無自然風(fēng)。

圖5為散熱器的迎面風(fēng)速隨溫度升高的變化曲線。環(huán)境溫度直接影響空冷塔散熱器的迎面風(fēng)速，從冬季平均溫度零下6℃到額定溫度15℃和TRL工況溫度32℃，三種模型的散熱器迎面風(fēng)速隨溫度升高而下降的趨勢和幅度基本相同。當(dāng)環(huán)境溫度從低溫到高溫，原始模型的迎面風(fēng)速下降6.5%，臥式模型的迎面風(fēng)速下降6.7%，立式模型的迎面風(fēng)速下降6.4%。這是由于環(huán)境溫度升高削弱了周圍空氣與散熱器的對流傳熱，空氣受到的熱浮升力變小，從而使散熱器迎面風(fēng)速降低。

圖5 散熱器迎面風(fēng)速隨溫度變化曲線

2.3 排煙對空冷塔換熱的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環(huán)境溫度為32℃，壓力為859 hPa，相對濕度為0.55，無自然風(fēng)。

圖6為煙囪排煙時空冷塔內(nèi)煙氣和空氣的運(yùn)動跡線?？諝膺M(jìn)入冷卻塔后，向上運(yùn)動，未接觸到塔內(nèi)設(shè)備。在擴(kuò)散效應(yīng)下，煙氣與周圍的空氣摻混后加速向上運(yùn)動。

圖6 塔內(nèi)煙氣和空氣的運(yùn)動跡線

表3為煙囪排煙和不排煙時空冷塔的通風(fēng)換熱情況。計算結(jié)果表明，當(dāng)煙囪排煙時，臥式模型空冷塔通風(fēng)量增大0.12%，立式模型空冷塔通風(fēng)量增大0.3%。由此可知，由煙囪排煙引起冷卻塔通風(fēng)量和散熱器迎面風(fēng)速的變化非常小，可忽略不計。

表3 煙囪排煙時冷卻塔通風(fēng)換熱量

2.4 自然風(fēng)速對空冷塔換熱的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環(huán)境溫度為32℃，壓力為85.9 kPa，相對濕度為0.55，不考慮煙囪排煙，有自然風(fēng)。

在TRL工況下，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速為4 m/s、8 m/s時，三種空冷塔模型空氣溫度的分布情況，如圖7、圖8所示。有自然風(fēng)時，空冷塔出口的空氣流動跡線均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且風(fēng)速越大，偏轉(zhuǎn)角度越大。當(dāng)自然風(fēng)速為8 m/s時，在原始模型和立式模型空冷塔中，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，有自然風(fēng)穿透散熱器的現(xiàn)象。隨風(fēng)速增大，塔內(nèi)空氣溫度不再均勻分布，原始模型高溫空氣向背風(fēng)面偏移，臥式模型和立式模型的部分高溫空氣由背風(fēng)面轉(zhuǎn)移到迎風(fēng)面。

圖7 風(fēng)速4 m/s時Z=0截面溫度云圖/K

圖8 風(fēng)速8 m/s時Z=0截面溫度云圖/K

空冷塔通風(fēng)量隨風(fēng)速變化的曲線，如圖9所示。隨風(fēng)速增大，三種空冷塔模型通風(fēng)量下降趨勢相同。風(fēng)速小于6 m/s時，塔內(nèi)設(shè)備對空冷塔的通風(fēng)量影響較??；風(fēng)速大于6 m/s時，塔內(nèi)設(shè)備使空冷塔通風(fēng)量增大。當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，相對于原始模型，臥式模型冷卻塔通風(fēng)量增大了4.7%；風(fēng)速達(dá)到12 m/s后，相對于原始模型，臥式模型和立式模型冷卻塔的通風(fēng)量，分別增大了11.4%、9.5%。

圖9 冷塔通風(fēng)量隨風(fēng)速變化曲線

2.5 風(fēng)向變化對空冷塔換熱的影響分析

對于原始模型和立式模型，空冷塔為左右對稱布置，現(xiàn)主要針對臥式模型進(jìn)行分析。

在TRL工況下，當(dāng)自然風(fēng)速為4 m/s時，且為反向來風(fēng)，臥式模型空冷塔散熱器中間截面的速度分布對比，如圖10所示。空氣對塔筒繞流形成的高速氣流區(qū)集中于塔的兩側(cè)，且高速氣流的區(qū)域面積基本相同。左側(cè)來風(fēng)時，空冷塔的通風(fēng)量為38 998 kg/s，右側(cè)來風(fēng)時，空冷塔的通風(fēng)量為39 049 kg/s。風(fēng)向改變后，進(jìn)入塔內(nèi)的空氣很快受到塔內(nèi)設(shè)備的阻擋和擾動，空氣向上抬升和分流，塔內(nèi)出現(xiàn)漩渦的面積減小，使空冷塔的通風(fēng)量略微增加。

圖10 風(fēng)速4 m/s時散熱器中間截面速度分布

2.6 百葉窗角度對空冷塔換熱的影響分析

進(jìn)行數(shù)值模擬時，通過控制多孔介質(zhì)孔隙率表示百葉窗的開度變化。為準(zhǔn)確反映各區(qū)域百葉窗的開度，將空冷塔散熱器區(qū)域分為四個扇區(qū)，分別調(diào)節(jié)各區(qū)的通風(fēng)量?？绽渌崞鞣譃榍昂笞笥宜膫€扇區(qū)，如圖11所示。

圖11 空冷塔散熱器扇區(qū)俯視圖

計算方案和結(jié)果，如表4所示。在TRL工況下，當(dāng)自然風(fēng)速為8 m/s時，對于臥式模型，調(diào)節(jié)百葉窗開度使空冷塔通風(fēng)量較調(diào)節(jié)前提高10.7%。對于立式模型，調(diào)節(jié)百葉窗開度使空冷塔通風(fēng)量較調(diào)節(jié)前提高13.5%。通過分析可知，在大風(fēng)天氣，通過調(diào)節(jié)百葉窗開度，可顯著提高空冷塔的通風(fēng)量。

表4 百葉窗角度調(diào)節(jié)方案

3 結(jié) 語

以660 MW機(jī)組四合一間接空冷塔為例，在變工況條件下，分析了熱負(fù)荷、環(huán)境溫度、煙囪排煙、自然風(fēng)速風(fēng)向及百葉窗開度對四塔合一式空冷塔換熱性能的影響。

（1）對于四塔合一式冷卻塔，當(dāng)負(fù)荷增大，散熱器迎面風(fēng)速提高；隨著環(huán)境溫度升高，散熱器的迎面風(fēng)速降低。四塔合一式空冷塔與傳統(tǒng)自然通風(fēng)冷卻塔換熱性能的變化情況基本相同。因煙囪排煙，引起四塔合一式空冷塔通風(fēng)量的變化不超過0.3%，對空冷塔換熱性能的影響可以忽略不計。

（2）當(dāng)自然風(fēng)速大于8 m/s，四塔合一式空冷塔通風(fēng)量明顯大于原始空冷塔。塔內(nèi)設(shè)備起到了擋風(fēng)墻的作用，對于臥式模型而言，這種現(xiàn)象更為明顯，可使空冷塔的通風(fēng)量至少增大4.7%。

（3）隨著風(fēng)向的改變，空氣進(jìn)入空冷塔后受阻擋的程度不同，使空冷塔的通風(fēng)量有微小變化。在大風(fēng)天氣，通過調(diào)節(jié)百葉窗的開度，可以顯著提高四塔合一式空冷塔的通風(fēng)量。

[1]翟志強(qiáng)，朱克勤，符松.橫向風(fēng)對自然通風(fēng)干式冷卻塔空氣流場影響的模型實(shí)驗研究[J].實(shí)驗力學(xué)，1997，12（2）：306-311.

[2]唐革風(fēng)，蘇銘德，符松.橫向風(fēng)影響下空冷塔內(nèi)外流場的數(shù)值研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，1997（3）：328-336.

[3]趙振國，石金玲，魏慶鼎.自然風(fēng)對空冷塔的不利影響及其改善措施[J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報，1998，16（1）：112-120.

[4]石磊，石誠，湯東升.間接空冷散熱器及空冷鋼塔流動和傳熱數(shù)值研究[J].華東電力，2014，40（4）：663-666.

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Numerical Research on Changing Operation of 660MW unit of Four in One Type Indirect Air Cooled Tower

ZHOU Er-qi，CHEN Long，HOU Yan-feng
（School of Energy and Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，Hebei，China）

The four in one type air cooling tower is composed of desulfurization tower，wet precipitator，chimney and original tower.Use a four in one typeindirect air cooled tower of a 2×660 MW unit as research model，the influences of temperature，thermal load，natural wind speed，wind direction，angle of louvers upon the heat transfer of the tower were investigated under the condition of variable working condition through CFD simulation.The results show that adjusting the angle of louvers on the wind side can obviously increase the ventilation of the four in one type air cooling tower.

indirect air cooling；cooling tower；simulation；temperature；load；natural wind；louver；ventilation

TK264 61+1

A

1672-0210（2016）02-0004-05

2015-11-30

2015-12-23

周二奇（1988-），男，研究生，從事間接空冷機(jī)組節(jié)能技術(shù)方面的研究工作。