環(huán)境風影響下間接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化措施概述

錢福杰

國家能源集團國電懷安熱電有限公司 河北 張家口 076150

正文：

0 引言

對于間接空冷系統(tǒng)，來自凝汽器的循環(huán)水流經(jīng)空冷散熱器管內(nèi)，管外冷卻空氣受自然通風冷卻塔內(nèi)外空氣密度差產(chǎn)生的浮升力驅(qū)動流經(jīng)散熱器翅片管束，實現(xiàn)和循環(huán)水的熱量交換，因此環(huán)境風對間接空冷系統(tǒng)的輸運性能具有很大影響。針對風場效應，國內(nèi)外研究更多關(guān)注的是夏季高溫、或全年平均氣溫條件下散熱器空氣側(cè)的流動換熱特性，揭示空冷扇區(qū)及散熱器單元的輸運性能差異和不平衡溫差，并提出相應的系統(tǒng)優(yōu)化和改進措施。

1 采用擋風墻優(yōu)化換熱性能

針對環(huán)境風的不利影響，Kroger等首先提出了加裝擋風墻來有效地提高散熱器單元水平布置和豎直布置方式的間接空冷系統(tǒng)的冷卻性能。Zhai等研究了擋風墻對空冷電站串聯(lián)布置的雙塔流動換熱性能的影響，指出雙塔側(cè)面布置、且擋風墻寬度在10m～20m之間時可大幅度提高雙塔冷卻效率。Lu等應用數(shù)值方法研究了風向為0°、10°、20°、30°、40°、50°、和60°時的風向效應，指出與同等風速條件下間接空冷系統(tǒng)的冷卻性能與風向高度相關(guān)，在風向為 0°和60°時，加裝三葉片式擋風墻可完全消除環(huán)境風的不利影響，而其它風向在某風速條件下仍導致輸運性能下降。此外，以15m高的小型間接空冷系統(tǒng)為數(shù)值模擬研究對象，Lu等指出加裝擋風墻可實現(xiàn)風資源的合理利用，使具有不利影響的冷卻空氣進入空冷散熱器進行換熱。

Ma等優(yōu)化了擋風墻的加裝角度，結(jié)果表明在低速風場中，冷卻空氣的流動干涉現(xiàn)象消失，在高速風場中，冷卻空氣在散熱器外部的二次流得到強化。Chen等探究了在空冷散熱器內(nèi)外加裝擋風墻對冷卻效率的影響，通過分析散熱器整體和扇區(qū)局部的流動及溫度分布特性，指出擋風墻外側(cè)布置優(yōu)于內(nèi)側(cè)布置并能在高風速環(huán)境下有效降低汽輪機背壓。Gu等研究了固體擋風墻、塔內(nèi)固體交叉墻、塔內(nèi)網(wǎng)狀交叉墻、以及百葉窗四種擋風墻結(jié)構(gòu)，指出固體擋風墻為提高空冷塔冷卻效率的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，但受到環(huán)境風向的限制，而百葉窗可通過靈活控制來提高不同風向條件下的冷卻效率。

2 優(yōu)化空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對塔體結(jié)構(gòu)，Goodarzi等設計了一種新型冷卻塔，在風速為10m/s條件下，間接空冷系統(tǒng)的冷卻效率可提高9%。為降低塔體風力載荷，Goodarzi等提出了降低塔體高度的建議。針對空冷電站中的雙塔布置，Liao等研究了塔間距對整個空冷系統(tǒng)輸運性能的影響，指出塔間距較小時，雙塔之間的空氣流動干擾加劇，從而惡化其冷卻性能。

Goodarzi等提出了一種散熱器橢圓形布置方式，Liao等則深入研究了此類橢圓形散熱器匹配傳統(tǒng)雙曲線型塔體的新型間接空冷系統(tǒng)，通過分析橢圓散熱器長短軸比例對輸運性能的影響，指出長短軸高比率的橢圓散熱器換熱性能在高風速條件下最優(yōu)，因此針對常年高風速場址，可選取高比率橢圓形散熱器的間接空冷系統(tǒng)。另外，Liao等還提出了空冷散熱器三角形布置方式，結(jié)果表明此種新型布置方式同樣能提高間接空冷系統(tǒng)的冷卻效率。Kong等研究了散熱器兩側(cè)布置的新型間接空冷系統(tǒng)在不同風速且環(huán)境風向為0°、45°、及90°時的輸運特性，結(jié)果表明除了在高風速14m/s且風向為90°的情況下，其冷卻效率得到明顯提升。Chen等研究了散熱器橢圓形布置的間接空冷系統(tǒng)流動換熱特性，指出常年高風速廠址應選取長短軸高比例的空冷散熱器。Kong等研究了散熱器周向布置的自然通風直冷系統(tǒng)，結(jié)果表明翅片管束間的空氣擾流在低風速條件下完全消除，且側(cè)風扇區(qū)在高速風場中的空氣入口渦流也得到明顯抑制。

3 采用干濕聯(lián)合技術(shù)

Ahmadikia等通過數(shù)值模擬和理論計算分析了噴霧和環(huán)境風對自然通風冷卻塔性能的影響，并與其它實驗結(jié)果進行了對比來驗證數(shù)值模擬的可靠性。結(jié)果表明噴霧預冷可有效增強間冷塔的冷卻性能，且在一定范圍內(nèi)，噴水量越大冷卻效果越明顯。He等通過建立模型實驗探究了兩種滴流介質(zhì)的預冷效果，指出選擇預冷媒介時要綜合考慮預冷效果和阻力損失。Xia等通過建立了風道數(shù)值模型并對比了水平和垂直噴霧冷卻的預冷效果，結(jié)果表明在夏季高溫時，在相同的風速條件下，垂直噴霧的冷卻效果更優(yōu)，同時完全蒸發(fā)的噴霧流量隨風速增加則急劇降低，并且環(huán)境溫度和濕度也會影響完全蒸發(fā)流量。楊作梁等比較了對大型直接空冷機組加裝直接噴淋裝置、蒸發(fā)式凝汽器、表面式凝汽器這3種技術(shù)方案，從多個方面對機組性能進行分析并提出了適用條件，為電廠技術(shù)改造提供理論參考。

Heyns和Kr?ger等將直接空冷系統(tǒng)中的部分空冷單元替換為干濕聯(lián)合冷卻單元并引入干濕兩用換熱管束來優(yōu)化傳熱性能。通過實驗研究得到了干濕兩用管束的液膜傳熱系數(shù)、空氣—水質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)、以及空氣側(cè)壓降的實驗關(guān)聯(lián)式，結(jié)果表明當環(huán)境溫度偏高時，干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)處于濕冷模式運行時可獲得與大尺度空冷凝汽器相同的低背壓值，而干濕聯(lián)合系統(tǒng)所需代價卻低于直接空冷系統(tǒng)。Asvapoositkul等通過實驗和數(shù)值模擬分析對比了不同工況下濕冷、干冷、以及干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的熱力性能，指出循環(huán)水與空氣流量比值為影響冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。此外，干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的熱力性能介于濕冷和干冷之間并取決于干濕端的冷卻空氣流量。

4 結(jié)論與展望

上述國內(nèi)外研究涵蓋了加裝擋風墻、空冷塔和空冷散熱器結(jié)構(gòu)改造、以及蒸發(fā)輔助冷卻和干濕聯(lián)合技術(shù)。事實上，在工程實際中考慮空冷散熱器不同扇區(qū)的循環(huán)水流量重新分配可同樣實現(xiàn)電站機組的經(jīng)濟運行。此外，具有創(chuàng)新意義的理論模型，例如與太陽能的結(jié)合、與薩伏紐斯轉(zhuǎn)子的結(jié)合等，則為后續(xù)研究提供了理論參考。