1 000 MW機組間接空氣冷卻塔的三維數(shù)值模擬

王連接

(中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州510663)

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1 000 MW機組間接空氣冷卻塔的三維數(shù)值模擬

王連接

(中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州510663)

傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式和二維計算方法無法預(yù)測復(fù)雜環(huán)境下空氣冷卻塔的性能，因此利用計算流體動力學(xué)軟件包ANSYS Fluent 13.0，建立1 000 MW機組散熱器塔外布置的大型空氣冷卻塔三維數(shù)值計算模型，獲得了塔內(nèi)外空氣動力場、壓力場以及進出塔冷卻水溫度的差值。研究發(fā)現(xiàn)：隨著環(huán)境風(fēng)速的增大，空氣冷卻塔的散熱性能不斷下降，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過6 m/s時，環(huán)境風(fēng)對空氣冷卻塔散熱的不利影響趨于平緩；增設(shè)導(dǎo)風(fēng)板可減緩環(huán)境風(fēng)速對空氣冷卻塔的不利影響，環(huán)境風(fēng)速越大，導(dǎo)風(fēng)板的改善效果越顯著。

間接空氣冷卻塔；數(shù)值模擬；環(huán)境風(fēng)速；導(dǎo)風(fēng)板

在中國，采用間接空氣冷卻(以下簡稱“空冷”)方式的發(fā)電廠一般都位于風(fēng)速大、氣溫變化大等自然環(huán)境較為惡劣的地區(qū)，因而需要對各種間接空冷系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的實際性能進行研究?？绽渌蜕崞鞯牟煌に嚱M合給間接空冷系統(tǒng)的冷端冷卻性能預(yù)測增加了難度，傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式以及一、二維計算方法已經(jīng)不適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)空冷塔的性能預(yù)測，因此開展三維數(shù)值計算十分必要。

現(xiàn)有的間接空冷塔三維數(shù)值模擬計算主要集中于環(huán)境風(fēng)對空冷塔熱力性能和表面風(fēng)壓的影響等方面。宮婷婷[1]采用Fluent軟件對有、無導(dǎo)風(fēng)板情況下散熱器垂直外置的空冷塔進行了三維數(shù)值模擬，并提出熱效能系數(shù)和熱效能改進系數(shù)的概念，用于分析外界側(cè)風(fēng)作用時間接空冷塔的性能變化。石磊等[2]采用Fluent軟件計算自然通風(fēng)狀態(tài)下600 MW表面式間接空冷機組的空冷塔空氣流動和換熱特性，得到了環(huán)境風(fēng)影響下空冷塔的通風(fēng)量和散熱量。翟志強等[3]通過模型實驗研究了橫向風(fēng)下空冷塔單塔與雙塔的空氣流場特征，揭示了橫向風(fēng)是影響空冷塔及塔群空氣動力場的主要因素，并提出改善空冷塔流場的初步措施。唐革風(fēng)等[4]用有限體積法對有橫向自然風(fēng)時空冷塔的三維湍流場和溫度場進行了數(shù)值模擬，揭示了有風(fēng)時空冷塔散熱能力下降的主要原因。Wei等[5]通過現(xiàn)場測試和風(fēng)洞實驗研究了環(huán)境風(fēng)對空冷塔冷卻效率的影響，指出由于空冷塔進口的壓力分布不合理、空冷塔出口熱羽流狀況的打破及邊界層分離后空氣進入空冷塔等原因，致使空冷塔在環(huán)境風(fēng)的作用下冷卻效率降低。Al-Waked和Behnia[6]通過計算流體動力學(xué)(computation fluid dynamics,CFD)模擬，研究了橫向風(fēng)作用下自然通風(fēng)空冷塔的熱性能，并提出采用擋風(fēng)墻來削弱橫向風(fēng)的不利影響。文獻[7]的研究表明，在環(huán)境自然風(fēng)條件下，塔周空氣近似作圓柱繞流運動，隨著風(fēng)速的增大，空冷塔背風(fēng)側(cè)會形成漩渦和二次流，并在塔底形成較大的回流區(qū)，降低了空冷塔進風(fēng)口的有效進風(fēng)速率。

上述研究都局限于1 000 MW以下機組，而針對1 000 MW機組間接空冷系統(tǒng)的研究目前還比較少。本文依托某電廠2×1 000 MW間接空冷式機組工程，利用高性能計算機和CFD軟件包ANSYS Fluent 13.0，對1 000 MW機組散熱器塔外布置的大型空冷塔進行三維數(shù)值模擬，研究環(huán)境風(fēng)速、導(dǎo)風(fēng)板設(shè)置等對空冷塔性能的影響以及相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，并通過關(guān)鍵參數(shù)的對比驗證所建立的三維熱流體數(shù)學(xué)模型的可靠性和準(zhǔn)確性。

王連接：1 000MW機組間接空氣冷卻塔的三維數(shù)值模擬

1　表面式間接空冷系統(tǒng)

1.1工作原理

表面式間接空冷系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，經(jīng)散熱器冷卻后的低溫冷卻水在表面式凝汽器中，通過金屬管壁與汽輪機排汽進行對流換熱，水蒸氣在金屬管壁凝結(jié)后，凝結(jié)水匯集于凝汽器底部熱井，由凝結(jié)水泵送回汽輪機回?zé)嵯到y(tǒng)。溫度升高后的冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵送入自然通風(fēng)塔， 在空冷散熱器中與空氣對流換熱， 冷卻后的循環(huán)水再送回表面式凝汽器中冷卻汽輪機排汽，完成一個閉路循環(huán)。

圖1　表面式間接空冷系統(tǒng)工作原理

1.2工藝性能

本文依托某電廠一期工程(2×1 000 MW機組)開展間接空冷塔三維數(shù)值模擬計算。本工程位于寧夏回族自治區(qū)銀川市所轄靈武市境內(nèi)，場地自然標(biāo)高為1 365～1 385 m。間接空冷塔采用散熱器塔外布置、“一機一塔”的方案，單塔循環(huán)冷卻水量為104 405 m3/h，主機冷卻倍率取55。設(shè)計氣溫為14.5 ℃，設(shè)計背壓為11 kPa；夏季滿發(fā)氣溫為 30.45 ℃，夏季設(shè)計背壓為28 kPa。在冷卻塔0 m層以上離地10 m處，設(shè)計環(huán)境風(fēng)速為4 m/s。每臺機組設(shè)12 個冷卻三角扇段，共240 個鋁制冷卻三角，每個冷卻三角的長、寬、高均為2.6 m，三角的夾角約50°，冷卻三角距離地面2.4 m。散熱器翅片管束總面積約2 301 840 m2，冷卻三角總迎風(fēng)面積約27 600 m2。

1.3間接空冷塔

本工程間接空冷塔采用鋼筋混凝土高聳薄殼雙曲線型自然通風(fēng)冷卻塔型式，各部位的標(biāo)高和直徑見表1。

表1空冷塔各部位的標(biāo)高和直徑

部位標(biāo)高/m直徑/m地面處0.0189.70進風(fēng)口頂部28.585.16喉部154.4100.00出口193.0103.75

2　數(shù)值模型及邊界條件

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，以及描述空冷塔混凝土壁面導(dǎo)熱的微分方程可以統(tǒng)一寫成以下通用形式：

式中：ρ為密度，t為時間，φ為通用變量，Γφ為廣義擴散系數(shù)，Sφ為廣義源項，v為速度矢量。

動量方程采用考慮浮力效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，并考慮由于溫度變化而導(dǎo)致的空氣密度變化和浮升力的影響。

模型采用如下簡化處理：空冷塔的壁厚相對于空冷塔尺寸較小，建模時將空冷塔簡化成無限薄的曲面；翅片散熱器的厚度相對于冷卻三角尺寸較小，建模時將翅片散熱器簡化成無限薄的曲面。

為了節(jié)省計算時間，采用分塊非均勻網(wǎng)格進行區(qū)域離散，空冷塔內(nèi)部網(wǎng)格劃分較細(xì)，周圍空間網(wǎng)格劃分較粗。為了滿足計算精度和計算時間的要求，確保網(wǎng)格質(zhì)量，采用不同的網(wǎng)格數(shù)目進行模擬計算，檢驗計算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性。計算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，在冷卻三角及散熱器附近加密網(wǎng)格，共計4 233 990個計算單元。

本項目采用有限體積法進行計算，先是一階迎風(fēng)格式計算，然后是二階迎風(fēng)格式計算。地面為固體壁面邊界條件，環(huán)境風(fēng)速采用速度入口邊界條件，其他邊界取壓力出口邊界條件。間接空冷散熱器采用Radiator邊界模型，在Radiator邊界條件上給定阻力系數(shù)、傳熱系數(shù)。百葉窗采用多孔介質(zhì)階躍邊界條件，在此邊界上給定多孔介質(zhì)厚度和壓力階躍系數(shù)。

3　結(jié)果及分析

3.1靜風(fēng)工況下模型驗證

模型驗證只針對靜風(fēng)工況，結(jié)果如圖2至圖5所示。

圖2　流線(從1號扇區(qū)和7號扇區(qū)流向塔內(nèi))

圖3　對稱面流速矢量圖

圖4　對稱面壓力分布

圖5　標(biāo)高5 m處的壓力分布

由圖2至圖5可以看出：三維數(shù)值計算結(jié)果符合空冷塔自然對流流態(tài)，空氣動力場、流速場、壓力場分布合理?？绽渌饕阅軈?shù)的計算結(jié)果見表2，由表2可得冷卻三角出口空氣密度、散熱器阻力、抽力與阻力平衡值的計算相對誤差分別為0.92%、16.3%、2.21%。

表2靜風(fēng)工況下物性參數(shù)驗證

計算方式冷卻三角出口空氣密度/(kg·m-3)散熱器阻力/Pa抽力與阻力平衡值/Pa模型1.08652.51120.15經(jīng)驗公式1.07661.10117.49

間接空冷熱力阻力經(jīng)驗公式只適用于靜風(fēng)工況，在環(huán)境風(fēng)的作用下，空冷塔三維動力特性在不同扇區(qū)是不一樣的，其物性參數(shù)的分布也不均勻。

3.2環(huán)境風(fēng)速對空冷塔性能的影響

當(dāng)環(huán)境溫度為14.5 ℃時，給定進塔水溫為44.22 ℃，循環(huán)水量為104 405 m3/h，獲得出塔水溫隨環(huán)境風(fēng)速變化的計算結(jié)果(見表3)。由表3可知：在給定進塔水溫的工況下，空冷塔的通風(fēng)量和散熱量隨環(huán)境風(fēng)速的提高而降低，出塔水溫隨環(huán)境風(fēng)速的提高而升高，說明環(huán)境風(fēng)的存在對間接空冷塔的熱力性能產(chǎn)生不利的影響。

表3無導(dǎo)風(fēng)板時環(huán)境風(fēng)速對空冷塔散熱性能的影響

環(huán)境風(fēng)速/(m·s-1)通風(fēng)量/(kg·s-1)散熱量/MW出塔水溫/℃循環(huán)水溫降/℃0492591184.634.489.742472921048.335.618.61445112969.636.267.96641699893.436.687.33838293870.637.077.141035843848.237.257.24

在常規(guī)的經(jīng)驗計算及一、二維設(shè)計中，未考慮環(huán)境風(fēng)速對空冷塔三維空氣流場的影響，因此計算結(jié)果與實際存在一定的誤差。

3.3導(dǎo)風(fēng)板對空冷塔散熱性能的影響

為改善環(huán)境風(fēng)速對空冷塔散熱的不利影響，采用增設(shè)導(dǎo)風(fēng)板的方式改善空冷塔的空氣動力場?？紤]間接空冷塔附近的空間和常年主導(dǎo)風(fēng)向，在長年主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向-90°～90°的范圍內(nèi)，每隔60°均勻布置1個導(dǎo)風(fēng)板，共設(shè)置了4個導(dǎo)風(fēng)板，其中1—4號導(dǎo)風(fēng)板與x軸正向的夾角分別為135°、75°、-75°和-35°。導(dǎo)風(fēng)板長8 m，厚1 m，高27.5 m，距離散熱器3 m。

對間接空冷塔設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板時的工況進行模擬，計算結(jié)果見表4。

表4有導(dǎo)風(fēng)板時環(huán)境風(fēng)速對空冷塔散熱性能的影響

環(huán)境風(fēng)速/(m·s-1)通風(fēng)量/(kg·s-1)散熱量/MW出塔水溫/℃2486211077.235.374456471011.135.91641589934.936.34840112940.436.491040007945.036.46

比較表3和表4可以看出：當(dāng)風(fēng)速為2～4 m/s時，增設(shè)導(dǎo)風(fēng)板對空冷塔散熱有一定的改善，但效果不是很明顯；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為6～8 m/s時，導(dǎo)風(fēng)板能較好地增大空冷塔的通風(fēng)量和散熱量，從而降低空冷塔的出塔水溫；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為10 m/s時，導(dǎo)風(fēng)板的作用已經(jīng)十分明顯，出塔水溫相對于無導(dǎo)風(fēng)板降低了0.79 ℃。因此，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于6 m/s時，導(dǎo)風(fēng)板可以使塔內(nèi)迎面風(fēng)速得到明顯的削減，顯著地改善空冷塔的流態(tài)，使得流速更加均勻。

4　結(jié)論

本文采用經(jīng)過大量工程驗證的商用CFD軟件ANSYS Fluent 13.0建立了1 000 MW機組散熱器塔外布置的大型空冷塔三維數(shù)值計算模型，獲得了間接空冷塔內(nèi)外空氣動力場、壓力場以及進出塔冷卻水溫度的差值，得到以下結(jié)論：

a)采用間接空冷熱力阻力的經(jīng)驗公式間接驗證三維數(shù)值模型計算結(jié)果，證實了利用Fluent軟件建立的間接空冷塔模型及相關(guān)輸入?yún)?shù)的可靠性，表明所建間接空冷塔熱力性能三維數(shù)值計算程序可正確計算間接空冷塔的熱力性能。

b)環(huán)境風(fēng)的存在會對空冷塔熱力性能產(chǎn)生不利的影響，環(huán)境風(fēng)速越高，空冷塔的通風(fēng)量和散熱量越低，出塔水溫越高。

c)在常規(guī)的二維設(shè)計中，未考慮環(huán)境風(fēng)速對空冷塔三維空氣流場造成的影響，應(yīng)根據(jù)設(shè)計風(fēng)速考慮適當(dāng)?shù)脑O(shè)計余量。

d)增設(shè)導(dǎo)風(fēng)板可以增加空冷塔的通風(fēng)量和散熱量，降低循環(huán)水出塔水溫，減弱環(huán)境風(fēng)速對空冷塔的不利影響。環(huán)境風(fēng)速越大，改善作用越明顯，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于6 m/s時，導(dǎo)風(fēng)板的改善作用比較顯著。

e)導(dǎo)風(fēng)板設(shè)置形式多樣，為了取得更好的改善效果，下階段可進一步開展導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化設(shè)置工作。

[1] 宮婷婷. 側(cè)風(fēng)對于間接空冷塔性能影響的實驗研究及數(shù)值模擬[D].濟南：山東大學(xué)，2012.

[2] 石磊，石誠，余喆，等.間接空冷散熱器空冷塔流動和傳熱的數(shù)值研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，48(4)：535-540.

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(編輯李麗娟)

3D Numerical Simulation on Indirect Air Cooling Tower of 1 000 MW Unit

WANG Lianjie

(Guangdong Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510663,China)

Traditional empirical formula and 2D calculation method can not forecast performance of air cooling tower in complex environment, therefore this paper uses computational fluid dynamics software package ANSYS Fluent 13.0 to establish a 3D numerical calculation model for large-scale air cooling tower arranged outside heat radiator of the 1 000 MW unit and obtains air dynamic field and pressure field inside and outside the tower and difference values of cooling water temperature of import and export tower. Research discovers with increase of environmental wind speed, heat dissipation performance of the air cooling tower gradually decreases, and when environmental wind speed exceeds 6 m/s, negative influence of environmental wind speed on heat dissipation of the air cooling tower becomes flat. In addition, it is able to slow down negative influence of environmental wind speed on the air cooling tower. The larger environmental wind speed is, the more obvious improvement effect of wind deflector is.

indirect air cooling tower; numerical simulation; environmental wind speed; wind deflector

2016-04-18

2016-06-20

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.003

TK212.3

B

1007-290X(2016)09-0013-04

王連接(1988)，男，福建晉江人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事空氣冷卻系統(tǒng)模擬及優(yōu)化的研究工作。