1 000 MW機(jī)組冷卻塔加裝導(dǎo)風(fēng)通道的方法研究

周蘭欣，郝 穎

（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）

1 000 MW機(jī)組冷卻塔加裝導(dǎo)風(fēng)通道的方法研究

周蘭欣，郝 穎

（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）

以冷卻塔相關(guān)傳熱傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬軟件，建立了1 000 MW機(jī)組自然通風(fēng)濕式冷卻塔的三維模型。針對(duì)冷卻塔中心區(qū)域換熱效率低的問(wèn)題，提出了在雨區(qū)加裝導(dǎo)風(fēng)通道的方案，通過(guò)導(dǎo)風(fēng)通道，將塔外冷空氣直接導(dǎo)入塔內(nèi)中心區(qū)域進(jìn)行換熱，并對(duì)不同導(dǎo)風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)尺寸及個(gè)數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和模擬。計(jì)算結(jié)果表明，加裝優(yōu)化后的導(dǎo)風(fēng)通道，可降低冷卻塔的出塔水溫。

機(jī)組；冷卻塔；導(dǎo)風(fēng)；通道；模擬；計(jì)算；加裝；方案

0　概述

自然通風(fēng)濕式冷卻塔是發(fā)電廠冷端系統(tǒng)中重要的熱力設(shè)備［1］。評(píng)價(jià)冷卻塔工作性能的主要指標(biāo)就是出塔水溫，經(jīng)驗(yàn)表明：水溫每降低1℃，凝汽器真空度提高1%［2］。

目前，許多冷卻水塔的工作流程，是讓環(huán)境冷空氣進(jìn)入冷卻塔雨區(qū)后，沿徑向向塔中心區(qū)域流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中，由于與水滴進(jìn)行熱質(zhì)交換，使空氣溫度升高，濕度增大，流速降低?，F(xiàn)提出在雨區(qū)加裝導(dǎo)風(fēng)通道的方法，簡(jiǎn)單易行，可使環(huán)境冷空氣經(jīng)導(dǎo)風(fēng)通道，直接到達(dá)雨區(qū)的中心區(qū)域，改善中心區(qū)域的換熱狀況。通過(guò)對(duì)1 000 MW機(jī)組自然通風(fēng)濕式冷卻塔進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，出塔水溫可降低0.66℃。

1　計(jì)算模型

對(duì)自然通風(fēng)濕式冷卻塔進(jìn)行數(shù)值模擬，通常根據(jù)冷卻水傳熱傳質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)噴淋區(qū)、填料區(qū)、雨區(qū)三個(gè)區(qū)域進(jìn)行模擬計(jì)算。在雨區(qū)和噴淋區(qū)采用離散相模型模擬氣水間的相互作用，其中空氣為連續(xù)相，水滴為離散相。填料區(qū)的氣水間傳熱傳質(zhì)以及阻力計(jì)算，采用自定義函數(shù)添加源項(xiàng)的方法進(jìn)行求解計(jì)算［3—4］。

1.1 連續(xù)相（濕空氣）控制方程

描述濕空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制方程為質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分守恒方程。方程的通用形式［5］：

式（1）中：ρ為空氣密度；ui為速度矢量；φ為通用變量，分別表示各向速度分量（u、v、w）、水蒸氣組分Y、溫度T、湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義擴(kuò)散源項(xiàng)。

1.2 離散相（水滴）控制方程

冷卻塔內(nèi)的冷卻水以水滴形式下落，與空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，使用離散項(xiàng)模型，模擬和追蹤水滴運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)水滴與空氣間耦合計(jì)算熱質(zhì)傳遞［5］。水滴的溫度變化為：

式（2）中：mp為液滴質(zhì)量；Tp為液滴溫度；T∞為濕空氣溫度；hfg為液滴的汽化潛熱，h為液滴表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

水滴的蒸發(fā)速率為：

式（3）中：Ap為氣液接觸面積；hd為表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)；Cs為液滴表面蒸汽摩爾溶度；C∞為濕空氣中蒸汽摩爾溶度；Mw為液滴摩爾質(zhì)量。

1.3 填料區(qū)傳熱傳質(zhì)計(jì)算

填料區(qū)是冷卻塔內(nèi)進(jìn)行熱質(zhì)交換的主要區(qū)域，作用是增加水滴和空氣的接觸時(shí)間和換熱表面積。填料區(qū)結(jié)構(gòu)緊湊且數(shù)量眾多，精確模擬較難實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)填料區(qū)采用用戶自定義函數(shù)添加源項(xiàng)的方法進(jìn)行模擬［6］。

根據(jù)填料區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行離散化，如圖1所示。填料區(qū)徑向離散為m個(gè)柱體，沿垂直方向離散為n層，整個(gè)區(qū)由此離散為m×n×1個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的循環(huán)水流動(dòng)和換熱情況，可用溫度和質(zhì)量流率進(jìn)行描述。計(jì)算所得參數(shù)進(jìn)入下一網(wǎng)格進(jìn)行引導(dǎo)計(jì)算，以此計(jì)算后，得出填料區(qū)內(nèi)的全部換熱量。

計(jì)算填料區(qū)域內(nèi)的傳熱傳質(zhì)情況時(shí)，以Poppe模型作為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行分析，單位高度的傳質(zhì)系數(shù)可由淋水密度和空氣流率得出［7-8］。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出1.2m高度填料的傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式為：

圖1　填料內(nèi)熱質(zhì)傳遞簡(jiǎn)化模型

式（4）中：Mep為Merkel數(shù)；Lfill為填料高度；A為汽水接觸面積；mw為淋水密度；ma為空氣質(zhì)量流率。傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系由劉易斯關(guān)系式確定［］：

劉易斯數(shù)Lef可由Bosjnakovics公式得到［7］。

基于以上理論，得出第n層出口循環(huán)水質(zhì)量流率為：

第n層的循環(huán)水出口溫度為：

當(dāng)空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，在第n層填料控制單元中，單位體積內(nèi)的附加源項(xiàng)可通過(guò)式（8）描述，它通過(guò)用戶自定義函數(shù)添加源項(xiàng)至控制方程來(lái)實(shí)現(xiàn)［9］。

式（8）、式（9）中：ΔLfi為當(dāng)前填料層的高度，Cpw和Cpv分別為水的比熱和飽和水蒸氣的比熱，ΔTnw、分別為第n層填料內(nèi)水溫變化量、水蒸汽冷凝量、質(zhì)量源項(xiàng)和能量源項(xiàng)。

1.4 阻力計(jì)算

在冷卻塔中包括了氣水兩相間的作用力，可通過(guò)離散項(xiàng)模型進(jìn)行模擬。此外，還包括了結(jié)構(gòu)阻力，該部分阻力，可通過(guò)自定義函數(shù)添加動(dòng)量源項(xiàng)，利用控制方程的形式進(jìn)行求解計(jì)算。

動(dòng)量方程的一般形式為［10］：

式（10）中：Vp為空氣通過(guò)幾何邊界面的垂直速度分量；K為壓損系數(shù)，它是一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式［5，11］，表達(dá)式為：

式（11）中：mw、ma分別為水滴、濕空氣的質(zhì)量流量；L為填料高度。進(jìn)風(fēng)口、配水管路和收水器的壓損系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定［12］，分別為Kjfk=0.5、Kgw=0.5和Kssq=3.5。

2　冷卻塔熱力特性模擬

2.1 幾何模型及邊界條件

以某1 000 MW機(jī)組為例，塔高165 m，頂部直徑為80.08 m，進(jìn)風(fēng)口高度11.64 m，進(jìn)風(fēng)口上緣直徑為123.942 m，進(jìn)風(fēng)口下緣直徑為133.33 m，填料層直徑為123.62 m，喉部直徑為75.21 m，填料厚度為1.2 m，淋水面積為12 000 m2?？紤]到周圍環(huán)境對(duì)冷卻塔換熱的影響，建立了直徑為500 m、高度為500 m的圓柱體計(jì)算區(qū)域，如圖2所示。利用GAMBIT軟件生成幾何模型，采用四面體和楔形網(wǎng)格混合的方式，劃分計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格。對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為130萬(wàn)。

設(shè)置了物理邊界條件，將環(huán)境區(qū)域外圍側(cè)面設(shè)為壓力入口，環(huán)境區(qū)域頂面設(shè)為壓力出口。離散相邊界條件為：將水池面、地面設(shè)為逃逸面，冷卻塔內(nèi)壁設(shè)為反射面。

圖2　計(jì)算邊界

2.2 模擬結(jié)果分析

參考工況參數(shù)：進(jìn)塔水量為21 503 kg/s，空氣干球溫度為29.96℃，相對(duì)濕度為70.3%，進(jìn)塔水溫為42.3℃，水滴當(dāng)量直徑為3 mm。

經(jīng)計(jì)算得到冷卻塔X—Y截面濕空氣溫度等值線分布圖以及氣流速度等值線分布圖，如圖3、圖4所示。

圖3　冷卻塔X-Y截面濕空氣溫度分布

圖4　冷卻塔X-Y截面濕空氣速度分布

從圖3、圖4可知，冷卻塔內(nèi)的氣水流場(chǎng)為軸對(duì)稱情況，在雨區(qū)進(jìn)風(fēng)口處的空氣流速較高，溫度最低。環(huán)境冷空氣從冷卻塔外圍向中心區(qū)域流動(dòng)，在此過(guò)程中，冷空氣與水滴進(jìn)行熱質(zhì)交換，流速降低，隨著空氣冷卻能力的下降，使得空氣溫度沿徑向逐漸升高?？諝鉂穸仍龃?，并在中心區(qū)域處達(dá)到最高值。通過(guò)對(duì)離散項(xiàng)水滴進(jìn)行跟蹤計(jì)算，最終得到出塔水溫為30.62℃。

3　加裝導(dǎo)風(fēng)通道

3.1 模型概述

針對(duì)冷卻塔中心區(qū)域換熱效率較低的問(wèn)題，提出加裝導(dǎo)風(fēng)通道的方案，管道一端布置在進(jìn)風(fēng)口處，另一端沿徑向通向塔中心區(qū)域，通道內(nèi)的新鮮空氣未經(jīng)過(guò)換熱，溫度和濕度都較低，具有較好的冷卻性能。導(dǎo)風(fēng)通道將空氣直接引入塔中心區(qū)域進(jìn)行換熱，可提高中心區(qū)域的換熱效果。初步設(shè)置了6個(gè)導(dǎo)風(fēng)通道，長(zhǎng)度為50 m，管道截面高5 m、寬5 m。導(dǎo)風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)布置，如圖5所示。

圖5　冷卻塔加裝導(dǎo)風(fēng)通道

3.2 模擬結(jié)果分析

加裝導(dǎo)風(fēng)通道后，X—Y截面空氣溫度分布和氣流速度分布，如圖6、圖7所示。相比于原型塔的X—Y截面分布圖，塔中心區(qū)域的空氣溫度降低約2℃，塔內(nèi)空氣流速更為均勻。

圖6　加裝導(dǎo)風(fēng)通道后X-Y截面濕空氣溫度分布

圖8、圖9分別為原型塔與加入導(dǎo)風(fēng)通道后的填料底部橫截面溫度分布。

從圖8、圖9可知，加裝導(dǎo)風(fēng)通道后，塔內(nèi)中心區(qū)域的溫度有所下降，靠近通道出口附近的溫度下降較為明顯，溫度分布更為均勻，中心區(qū)域降溫的最大值約4.5℃，冷卻效果明顯。

圖7　加裝導(dǎo)風(fēng)通道后X-Y截面濕空氣速度分布

圖8　未裝導(dǎo)風(fēng)通道填料底面溫度分布

圖9　加裝導(dǎo)風(fēng)通道后填料底面溫度分布

3.3 導(dǎo)風(fēng)通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3.1 導(dǎo)風(fēng)通道結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

進(jìn)入塔中心區(qū)域的空氣量與導(dǎo)風(fēng)通道的橫截面積有關(guān)，同時(shí)，也會(huì)影響冷卻塔的冷卻效果及出塔水溫。因此，選擇合理的導(dǎo)風(fēng)通道尺寸，可使加裝導(dǎo)風(fēng)通道冷卻塔的換熱效果達(dá)到最優(yōu)。設(shè)置管道個(gè)數(shù)為6個(gè)，確定管道高度為5 m、分別取管道寬為2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m，管道長(zhǎng)為30 m、35 m、40 m、45 m、50 m進(jìn)行模擬。模擬計(jì)算的結(jié)果，如表1所示。

表1　不同尺寸導(dǎo)風(fēng)通道模擬結(jié)果比較℃

由表1可知，當(dāng)導(dǎo)風(fēng)通道的寬度為10 m、長(zhǎng)度為45 m時(shí)，出塔水溫最低，比不加導(dǎo)風(fēng)通道時(shí)下降了約0.48℃。

3.3.2 導(dǎo)風(fēng)通道個(gè)數(shù)優(yōu)化

導(dǎo)風(fēng)通道的數(shù)量同樣影響進(jìn)入塔中心區(qū)域的空氣量，數(shù)量過(guò)少，從導(dǎo)風(fēng)通道進(jìn)入的空氣量就較少，使換熱效果不明顯，數(shù)量過(guò)多，將影響周圍雨區(qū)的換熱。因此，確定管道高為5 m，取管道寬為2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m，管道長(zhǎng)為30 m、35 m、40 m、45 m、50 m，管道個(gè)數(shù)分別設(shè)為8個(gè)、10個(gè)、12個(gè)，分別進(jìn)行模擬。模擬的結(jié)果，如表2、表3、表4所示。

表2　8個(gè)導(dǎo)風(fēng)管道的模擬結(jié)果℃

表3　10個(gè)導(dǎo)風(fēng)管道的模擬結(jié)果℃

表4　12個(gè)導(dǎo)風(fēng)管道的模擬結(jié)果℃

由表2～表4可知，當(dāng)導(dǎo)風(fēng)通道的長(zhǎng)度為45 m、通道個(gè)數(shù)為8個(gè)時(shí)，出塔水溫最低，比不加導(dǎo)風(fēng)通道時(shí)下降了約0.53℃。

3.3.3 導(dǎo)風(fēng)通道長(zhǎng)度配置優(yōu)化

為了使換熱更加均勻，得到更好的換熱效果，可選取不同長(zhǎng)度的管道進(jìn)行混合布置，使塔內(nèi)不同半徑上的空氣質(zhì)量均有所改善，混合布置方案，如表5所示。

表5　導(dǎo)風(fēng)通道長(zhǎng)度混合布置方案

當(dāng)導(dǎo)風(fēng)管的長(zhǎng)度取35 m、45 m進(jìn)行混合布置，且管道數(shù)為10個(gè)時(shí)，出塔水溫較低。加裝優(yōu)化后的導(dǎo)風(fēng)通道的模擬結(jié)果，如圖10、圖11所示。

圖10　X-Y截面濕空氣溫度分布

圖11　填料底面溫度分布

通過(guò)模擬可知，選取導(dǎo)風(fēng)通道的管長(zhǎng)為35 m、45 m進(jìn)行混合布置，出塔水溫為最低，比長(zhǎng)度相同導(dǎo)風(fēng)管降低了0.13℃。因此，采用不同長(zhǎng)度的導(dǎo)風(fēng)通道布置，可獲得較低的出塔水溫。

4　結(jié)語(yǔ)

建立了比較完整的自然通風(fēng)濕式冷卻塔模型，分析計(jì)算了1 000 MW機(jī)組的熱力特性，提出了在雨區(qū)加裝導(dǎo)風(fēng)通道的方案，以提高中心區(qū)域換熱效率。同時(shí)，對(duì)導(dǎo)風(fēng)通道的主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）通過(guò)加裝導(dǎo)風(fēng)通道，直接將低溫空氣引進(jìn)冷卻塔中心區(qū)域，模擬分析了改進(jìn)后的冷卻塔熱力特性，得到了最優(yōu)結(jié)果，使出塔水溫下降了0.53℃。

（2）采用不同長(zhǎng)度的導(dǎo)風(fēng)通道布置，以改善冷卻塔不同半徑處的換熱效果，使換熱更均勻。計(jì)算結(jié)果表明，選用通風(fēng)管道長(zhǎng)度為35 m、45 m進(jìn)行混合布置，可使冷卻效果最佳，進(jìn)一步降低了出塔水溫約0.13℃。

［1］趙振國(guó).冷卻塔［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1997.

［2］李秀云，林萬(wàn)超.冷卻塔的節(jié)能潛力分析［J］.中國(guó)電力，1997，30 （10）：34-36.

［3］趙元賓.側(cè)風(fēng)對(duì)于自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)影響機(jī)制的研究［D］.山東大學(xué).2009.

［4］Al-waked R，Behina M.CFD simulation of wet cooling tower ［J］.Applied Thermal Engineering，2006，（26）：382-395.

［5］N.Williamson，S.Armfield，M.Behnia.Numerical simulation of flow in a natural draft wet cooling tower-The effect of radial thermo fluid fields［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28 （2）：178-189.

［6］FLUENT：User's Guide［M］.Fluent Inc，2003.

［7］N.Williamson，S.Armfield，M.Behnia.Numerical simulation of flow in a natural draft wet cooling tower-The effect of radial thermo fluid fields［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28（2）：178-189.

［8］J.C.Kloppers.A Critical Evaluation and Refinement of the Performance of Wet-cooling Towers［D］.South Africa：University of Stellenbosch，2003.

［9］Y.Fourneir，V.Boyer.Improvements to the N3S-AERO heat exchanger and cooling tower simulation code［J］.The 12th IARH Symposium in Cooling Tower and Heat Exchangers，Sydney，Australia，2001（1）：31-38.

［10］趙順安.海水冷卻塔［M］.北京：中國(guó)水利出版社，2007.

［11］J.C.Kloppers，D.G.Kroger.The Lewis factor and its influence on the performance prediction of wet-cooling tower ［J］.International Journal of Thermal Sciences，2005，44（9）：879-884.

［12］周蘭欣，蔣波，陳素敏，自然通風(fēng)濕式冷卻塔熱力特性數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40（2）：208-213.

Method Study on the Installation of Catheter Channels in the Cooling Tower of a 1 000 MW Power Unit

ZHOU Lan-xin，HAO Ying
（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Based on the relative theories of heat and mass transfer in the cooling tower，a three-dimension model of the natural draft wet cooling tower of a 1 000 MW power unit has been built with computer simulation software. Considering the low heat transfer efficiency of the central region，this paper proposes the solution of installing several catheter channels in the rain zone.The outer cold wet air can transfer heat in the central region directly through the catheter channels.This paper also simulates different structure size and number of catheter channels.Calculation shows that outlet water temperature drops with the installation of catheter channels.

unit；cooling tower；catheter；channel；simulation；calculation；installation；plan

TK264.1

A

1672-0210（2016）01-0015-06

2015-12-08

周蘭欣（1956-），男，教授，主要從事電廠冷端設(shè)備的節(jié)能與系統(tǒng)優(yōu)化方面的研究工作。