環(huán)境風速對SCAL型間接空冷塔性能的影響

萬超, 陳勝利, 呂凱, 程東濤, 劉學亮

(西安西熱節(jié)能技術有限公司, 陜西 西安　710054)

電力工業(yè)的快速發(fā)展在消耗大量一次能源的同時，也消耗了大量的水資源[1]。空冷技術以空氣取代水作為冷卻介質，直接或間接地冷卻汽輪機排汽[2]，在我國北方富煤缺水地區(qū)得以大規(guī)模應用。直接空冷系統(tǒng)對于外界環(huán)境大風的敏感性要高于間接空冷系統(tǒng)[3]，日常檢修維護工作量大，且在夏季高溫條件下運行背壓高，冬季極寒條件下防凍壓力大。間接空冷系統(tǒng)在上述方面有更大的優(yōu)勢，目前國內設計和應用較多的是表面式凝汽器及散熱器塔外垂直布置的SCAL型間接空冷系統(tǒng)[4-5]。在此基礎上，考慮利用空冷塔自抽吸力抬升煙氣，將脫硫塔及煙囪修建在間接空冷塔內，簡稱“三塔合一”[6]。

間接空冷塔的自然抽吸作用源于塔進出口空氣密度差引起的循環(huán)推動力[7]，而環(huán)境風速變化對空冷塔進風口及出口羽流截面的影響較為明顯，進而影響空冷塔的進風量和散熱性能[8-9]，影響機理十分復雜。相關院校[10-12]、科研院所[13-14]及學者從空冷塔結構、塔內外空氣流場和運行性能等方面進行了一系列研究工作。Derkson[15]和Benderjt等[16]通過風洞實驗研究了環(huán)境風對空冷塔內外空氣流場的影響，通過對空冷塔外部空氣流動以及入口流速的分析，發(fā)現(xiàn)空冷塔迎風側入口附近的空氣流場受外界風影響非常明顯。Kr?ger等[17-21]通過數(shù)模計算分析了在橫向風條件下散熱器布置方式對空冷塔散熱性能及周圍流場的影響，并提出合理布置散熱器及安裝擋風墻來降低橫向風對空冷塔的不利影響。Rafat A1-Wakeda[22]、趙元賓[23]和Lu等[24]模擬研究了擋風墻的安裝及開孔位置對空冷塔附近空氣流場及散熱特性的影響。翟志強等[25-27]通過物理模型實驗，研究了塔內水平布置散熱器的空冷塔在橫向風條件下單塔與雙塔的空氣流動特征，揭示了環(huán)境風對單個空冷塔及空冷塔群空氣動力場影響的主要機理。

從目前已經公開發(fā)表的文獻資料看出：研究對象大多集中于塔內水平布置散熱器形式的空冷塔，研究工作基本借助數(shù)模、物模完成，模型簡化處理較大，而且鮮有現(xiàn)場試驗驗證，對空冷塔內外流場、壓力場的研究也僅局限在局部，缺乏整體和全面性。

本文以某2×600 MW等級的SCAL型空冷塔為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬計算了不同環(huán)境風速條件下間冷系統(tǒng)的熱力性能，并與現(xiàn)場試驗對比，驗證計算準確性；分析了空冷塔的主要性能參數(shù)如總阻力、進塔風量、出塔水溫、散熱效率等的變化規(guī)律，歸納總結了環(huán)境風速對空冷塔整體性能的影響機理，為空冷塔科學經濟運行和工程設計提供技術參考。

1　模型建立

1.1　數(shù)學模型

由于空冷塔周邊空氣可視為不可壓縮流體，則外界空氣流場應滿足下列三維控制方程[28]：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程:

(2)

能量方程:

(3)

式中,ρ為空氣密度;u為速度;p為壓力;T為溫度;Si為動量方程源項;ST為能量方程源項;k為流體導熱系數(shù);cp為比熱容;μ為流體動力黏性系數(shù);i=1,2,3。

電廠建筑物外流場存在大量的分離區(qū),文中湍流模型選用RNG k-ε模型,通過耦合方式將壓力和密度聯(lián)立,采用SIMPLE算法,利用壓力修正法來求解定常外流場控制方程[29],整個數(shù)值模擬計算過程基于Fluent軟件實現(xiàn)。

1.2　幾何模型

研究對象為超臨界表凝式間接空冷系統(tǒng)(SCAL型),采用一機一塔的形式。按照廠區(qū)平面布置圖建立數(shù)模所需模型,主要建筑物如鍋爐房、汽機房、煙囪等都在模型中體現(xiàn)。其中空冷塔高179 m,出口直徑84.6 m,喉部高度152 m,喉部直徑83.2 m,底部直徑128 m,進風口高度28 m,空冷塔數(shù)值模擬幾何模型如圖1所示。

圖1　計算模型

空冷散熱器冷卻三角環(huán)繞塔外垂直布置,在本模擬中所建模型與實際結構保持一致,使流體實際流動過能更加準確地呈現(xiàn)。

1.3　網格劃分

本文數(shù)值計算所選取的結構模型為實際尺寸的結構,對該結構模型進行網格劃分。因散熱器的尺寸與整個計算區(qū)域差別比較大,且散熱器附近處于對流傳熱的中心區(qū)域,需要足夠密而多的網格來捕捉流場信息,而外圍的大空間處于次要地位,可減少網格數(shù)量,所以在計算中實體網格的劃分采用了分區(qū)劃分網格的技術。

1.4　區(qū)域命名

每座空冷塔散熱器由8個相互獨立的扇段組成,每個扇段的命名按照建模所確立的坐標軸,由主導風W方向開始,按逆時針的順序依次等分成8個部分并命名為扇段1～8,如圖2所示。

圖2　區(qū)域命名

1.5　邊界條件

1) 翅片管散熱器邊界條件

Fluent中所模擬的散熱器被視為無限薄的內部邊界面,經過該面的壓降假定和流體的動壓頭成比例[30-32],根據(jù)掌握的測試數(shù)據(jù),匹配相關損失系數(shù)的關聯(lián)方程式。

2) 入口條件

地表附近氣流移動受到地面建筑物的影響,使得平均風速隨高度發(fā)生變化,在本計算中采用大氣邊界函數(shù)[33]:

(4)

式中,Z∞為氣流達到均勻速度時的高度,根據(jù)設計條件定,m;U∞為Z∞高度處氣流平均速度,也即環(huán)境設計風速,此處為4 m/s;Zi為任意高度,m;Ui為Zi高度處氣流平均速度,m/s;α為地面粗糙系數(shù),本計算中取0.2。

3) 出口條件

出口邊界條件選取壓力出口邊界條件,給定流動出口邊界上的靜壓。

4) 其他邊界

其他邊界包括地面、建筑物表面等,對其都采用壁面邊界條件,且不考慮其是否散熱或吸熱,僅對模型范圍內氣體的流動產生影響。

2　數(shù)模計算準確性驗證

將數(shù)模計算結果與現(xiàn)場性能測試結果進行對比,以檢驗數(shù)模計算的準確性。數(shù)值計算邊界條件設置諸如循環(huán)水進塔水溫、環(huán)境溫度和環(huán)境風速與現(xiàn)場試驗條件保持一致。數(shù)模計算結果和試驗測試結果比較見表1。

表1　一號間冷塔數(shù)模計算與現(xiàn)場試驗測試結果

從表1可知,2組工況下,現(xiàn)場實測循環(huán)水岀塔溫度與數(shù)模計算結果分別相差0.18℃,0.23℃,實測散熱量與模擬計算值分別相差2.03%,2.51%。數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場試驗測量結果取得了較好的一致性,表明了數(shù)模計算的準確性。

3　結果及分析

對于SCAL型間接空冷塔而言,雖然環(huán)境風速增加使迎風面扇段的出水溫度降低,但是由于環(huán)境風速增大使間冷塔頂?shù)某隹谧枇υ黾?使得流動阻力增加,塔的抽吸能力降低[34],因此環(huán)境風速對于間接空冷系統(tǒng)的影響尤其需要關注。

計算條件:以設計最大連續(xù)運行工況邊界條件進行計算,主導風向W,10 m高環(huán)境風速分別為0 m/s,2 m/s,4 m/s,8 m/s,10 m/s,其他條件保持不變。

3.1　各扇段進風量和出水溫度

隨著環(huán)境風速的增加,迎風面扇段的出水溫度隨著風速的增加而逐漸降低,其余各扇段的出水溫度大部分都在增加,增幅最大的是側面扇段;迎風面扇段的進風量增加,側面扇段的進風量最小,高環(huán)境風速時側面扇段進風量變得極小。此外,受廠區(qū)主要建筑物的影響,2座塔對稱位置的扇段分別對應的進風量也略有不同;隨著環(huán)境風速的增加,各扇段的迎面風速差異性增加。各扇段進風量及出水溫度分布如圖3所示(以一號塔為例):

圖3　不同風速下間冷塔各扇段進風量及出水溫度分布

從圖3可以看出。在靜風和環(huán)境風速為2 m/s時,間冷塔各扇段的進風量和出水溫度變化不大,扇段出水溫度偏差都在1℃以內,說明2 m/s以下環(huán)境風速對間冷系統(tǒng)性能的影響不大。當環(huán)境風速增加到4 m/s時,側面扇段進風量隨之減少,導致側面扇段出水溫度進一步增加,各扇段出水溫度偏差達到3℃以上。

當環(huán)境風速進一步增加到8 m/s甚至10 m/s時,處于環(huán)境風上游的扇段進風量增加,個別扇段甚至出現(xiàn)了部分的穿堂風,側面扇段進風量明顯大幅度減小。各扇段出水溫度變化比較明顯,處于環(huán)境風上游的扇段出水溫度減小,側面扇段出水溫度明顯增加且幅度較大,各扇段出水溫度最大差距達到12℃以上。

3.2　空冷塔整體性能

不同環(huán)境風速條件下,間冷塔出塔水溫、總進風量及散熱效率的性能變化計算結果見表2。

表2　不同環(huán)境風速下空冷塔性能變化計算結果

注:散熱效率為計算值與設計散熱量之比值,以百分率的形式給出。

1) 環(huán)境風速2 m/s以下時,間冷塔的進風量、出塔水溫及散熱效率變化范圍不大;環(huán)境風速進一步增大時,變化幅度總體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。隨著環(huán)境風速的增加,出塔水溫逐漸升高;一號塔出水溫度由靜風條件下的33.19℃增加到10 m/s環(huán)境風速下的36.81℃,增大了3.62℃;二號塔出水溫度由靜風條件下的33.21℃增加到10 m/s環(huán)境風速下的37.33℃,變化了4.12℃。

2) 間接空冷塔總進風量隨著環(huán)境風速的增加而逐漸降低。風速由靜風至到10 m/s變化時,進風量由46 558 kg/s變化至31 510 kg/s,進風量減少了15 048 kg/s;二號塔散進風量由46 471 kg/s變化至28 906 kg/s,進風量減少了17 565 kg/s。

3) 空冷塔散熱效率隨著環(huán)境風速的增加而逐漸降低。風速由靜風至到10 m/s變化時,一號塔散熱效率由110.89%降低至76.63%,減少了34.26個百分點;二號塔散熱效率由110.7%降低至71.66%,減少了39.04個百分點。

不同環(huán)境風速下,一、二號間冷塔散熱性能參數(shù)變化趨勢如圖4所示:

圖4　不同環(huán)境風速下空冷塔整體性能參數(shù)變化趨勢

環(huán)境主導W風向,垂直于兩塔中心連線,隨著風速的增加,一、二號間冷塔整體性能呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,出塔水溫逐漸升高,間冷系統(tǒng)散熱效率和塔總進風量都是逐漸減小,而且變化率總體也都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。由于廠區(qū)其他建筑物布置位置的影響,二號間冷塔散熱性能變化的率要略微大于一號間冷塔。

3.3　流場

自較低環(huán)境風速開始,隨著風速增加,空冷塔兩側冷卻三角進口空氣流場畸變加劇,導致流經整個空冷塔的冷卻空氣流量降低,尤其環(huán)境風速較高的情況下,側面扇段位置的冷卻三角進口流場急劇變化。圖5至圖8示意了不同環(huán)境風速下的流場?？梢钥闯?在靜風條件下,各個扇段進風量一致,塔內壓力場、溫度場均勻;風速為2 m/s時,塔周圍的靜壓降低,但是塔內各個扇段的進風量仍然比較均勻,塔內壓力場分布均勻。

風速增加到4 m/s,空冷塔各扇段進風口附近壓力分布出現(xiàn)差異,迎風面扇段靜壓最大,側面扇段靜壓最小,背風面扇段介于迎風面扇段和側面扇段之間。這表明側面扇段進風受到影響,塔內氣流偏移程度增加,但整體流動基本穩(wěn)定,在該風速下塔內熱空氣可以順利流出塔外。

風速增加到8 m/s,塔背風面扇段的靜壓進一步降低,進風量減少,側面扇段進風量同樣減少,并有少量熱空氣穿過側面散熱器流出塔外;兩塔之間環(huán)境風速增加導致塔間的側面扇段進風量減少;隨著風速繼續(xù)提高,這種減少的趨勢隨之增加。風速增加至10 m/s,由于受到頂部氣流的壓制,從塔頂擴散到高空的熱氣流份額進一步減少,出塔氣流速度減少并產生嚴重偏移。

環(huán)境風速大范圍變化,塔內煙氣流動軌跡基本保持相似,煙氣在間冷塔出口位置附近與出口熱空氣融合擴散成一個整體,最終湮沒在塔出口的熱空氣羽流中。

圖5　縱剖面溫度云圖

圖6　縱剖面靜壓云圖

圖7　距離地面14米高處截面靜壓云圖

圖8　縱剖面速度矢量圖

自然通風空冷塔內壓力場及溫度場的形成，是塔內空氣壓力、黏性力和浮升力共同作用的結果。在無風條件，空氣受到的黏性力相對較小，此時壓力和黏性力的合力，與空氣浮升力平衡，因此壓力方向與空氣流動方向相反，呈逆壓梯度流動，塔內壓力分層現(xiàn)象明顯。在環(huán)境風場作用下，塔內壓力分層現(xiàn)象變得不如無風條件時那么明顯。對于迎風側扇段，環(huán)境風場的動能變成散熱器入口壓力能，致使進入迎風側扇段的空氣質量流量增加；對于側面扇段，入口附近靜壓減小，使得進入側面扇段的空氣質量流量急劇減小，一增一減2種反作用導致塔內空氣壓力變得不均勻，塔內壓力分層現(xiàn)象趨向不明顯。隨著環(huán)境風速進一步增加，這兩類反作用愈加明顯，致使空冷塔散熱器總體傳熱性能越來越差。

4　結　論

本文以某2×600 MW等級超臨界機組SCAL型空冷塔為研究對象，建立了相應的數(shù)學模型，數(shù)值模擬了不同環(huán)境風速條件對間冷系統(tǒng)散熱性能的影響，得到的主要結論如下：

1)建立的研究模型對空冷塔內空氣流動及傳熱特性的模擬比較貼切，數(shù)值模擬計算結果與現(xiàn)場測試結果取得較好的一致性，表明了數(shù)模計算的準確性。

2)隨著環(huán)境風速增加，空冷塔出口及塔內流動阻力增加，塔的抽吸能力降低。局部穿堂風的存在還可能使得塔內熱氣流份額減少，導致密度差減小，自然對流的推動力減小。

3)環(huán)境風場使得空冷塔內空氣壓力變得不均勻，塔內逆壓梯度分層現(xiàn)象變化明顯。隨著環(huán)境風速增加，迎風側扇段周圍靜壓增大，側面扇段入口附近靜壓急劇減小。由于進入迎風側扇段的空氣質量流量的增加量不及側面扇段的空氣質量流量的減小量，散熱器總體流動傳熱性能越來越差，間冷塔總進風量和散熱量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

4)環(huán)境風速大范圍變化時，塔內煙氣的流動軌跡基本保持相似，煙氣在間冷塔出口位置附近與出口熱空氣羽流融合成一個整體。