周圍建筑物對(duì)660 MW SCAL型間冷塔傳熱性能的影響

李慧君， 楊長(zhǎng)根

(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)

間接空冷塔(簡(jiǎn)稱間冷塔)作為火電廠一種冷端設(shè)備，在我國(guó)北方地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，如陽(yáng)城電廠二期工程2臺(tái)600 MW機(jī)組表面凝汽式間接空冷系統(tǒng)[1]；然而北方地區(qū)常年多風(fēng)，嚴(yán)重影響了間冷塔的傳熱性能，夏季尤為嚴(yán)重[2-3]。近年來(lái)越來(lái)越多學(xué)者對(duì)環(huán)境風(fēng)下間冷塔的傳熱特性進(jìn)行過(guò)深入研究。

黃春花等[4]利用風(fēng)洞模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)空冷塔的影響機(jī)理；楊立軍等[5]對(duì)空冷塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析；王藍(lán)婧等[6]研究并指出考慮廠房影響后，空冷塔的通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量基本不變，但沿周向分布的不均勻性增大；韋紅旗等[7]對(duì)SCAL型間冷塔分扇區(qū)配水防風(fēng)方案進(jìn)行了研究；柴艷琴等[8]對(duì)SCAL型間冷塔內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行了分析研究；趙元賓等[9-11]通過(guò)分析了單個(gè)冷卻柱和環(huán)境風(fēng)對(duì)間冷塔傳熱性能的不利影響并對(duì)塔外布置導(dǎo)流板進(jìn)行了研究；YANG L J等[12]利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件研究了不同風(fēng)速下間冷塔內(nèi)外的流場(chǎng)分布；KONG Y Q等[13]研究了間冷塔散熱器不同布置方案對(duì)其傳熱性能的影響。

由于目前多采用FlUENT軟件中多孔介質(zhì)模型對(duì)環(huán)境風(fēng)下間冷塔傳熱性能及流場(chǎng)優(yōu)化進(jìn)行研究，而針對(duì)周圍建筑物存在對(duì)間冷塔傳熱性能影響的研究卻比較少。筆者以660 MW SCAL型間冷塔為研究對(duì)象，在夏季最不利的氣象條件下，利用FlUENT軟件傳熱器中簡(jiǎn)單效能模型來(lái)研究周圍建筑物對(duì)間冷塔傳熱性能的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

該660 MW SCAL型間冷塔及其相應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 間冷塔及其相應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸

將散熱器分為24個(gè)扇區(qū)(S1～S24)，其中S7、S18扇區(qū)分別由5個(gè)冷卻三角組成，其他扇區(qū)均由6個(gè)冷卻三角組成，散熱器扇區(qū)分布見(jiàn)圖1。間冷塔散熱器局部見(jiàn)圖2。為了使模擬結(jié)果盡量接近實(shí)際情況，選取的計(jì)算域?yàn)?00 m×500 m×500 m(X×Y×Z)。間冷塔周圍建筑物分布見(jiàn)圖3(B1～B9均為建筑物)。

圖1 散熱器扇區(qū)分布示意圖

圖3 間冷塔周圍建筑物分布示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

為提高計(jì)算精度，散熱器均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，其余流體區(qū)域均采用高質(zhì)量的混合網(wǎng)格。在環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s且塔周圍無(wú)建筑物時(shí)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。取網(wǎng)格數(shù)為257萬(wàn)、335萬(wàn)和421萬(wàn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，間冷塔出口質(zhì)量流量偏差小于2.6%，符合工程實(shí)際要求。最終確定塔周圍有無(wú)建筑物時(shí)網(wǎng)格總數(shù)為374萬(wàn)和335萬(wàn)。邊界條件設(shè)置：無(wú)風(fēng)時(shí)塔四周設(shè)置為pressure-in，塔頂部設(shè)置為pressure-out；有風(fēng)時(shí)迎風(fēng)面設(shè)置為velocity-inlet，背風(fēng)面設(shè)置為outflow。

該間接空冷機(jī)組大風(fēng)期常常出現(xiàn)在夏季且風(fēng)向沿X軸負(fù)向。間冷塔迎風(fēng)面不同高度處風(fēng)速u變化常采用冪指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為：

(1)

式中：u10為塔進(jìn)口高度10 m處風(fēng)速(環(huán)境風(fēng)速)，m/s；z為塔進(jìn)口不同高度，m。

1.3 計(jì)算模型

利用簡(jiǎn)單效能模型來(lái)模擬空氣與散熱器中循環(huán)水的傳熱過(guò)程。在傳熱器模型中，傳熱器核心區(qū)域的流體沿著水流動(dòng)方向被分割成許多微型macro。對(duì)于單個(gè)冷卻柱，水的流動(dòng)方向和微型macro分布見(jiàn)圖4。

圖4 水的流動(dòng)方向和macro分布

單個(gè)macro的傳熱量qmacro是該macro所包含的單個(gè)網(wǎng)格單元傳熱量qcell計(jì)算得到的傳熱量總和，其計(jì)算式為：

qmacro=∑qcell

(2)

傳熱器區(qū)域總傳熱量qtotal為：

qtotal=∑qmacro

(3)

1.4 模型驗(yàn)證

夏季最不利工況下間冷塔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。利用該參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算得到通風(fēng)質(zhì)量流量和出口水溫的相對(duì)誤差分別為1.1%和-0.6%，在誤差允許的范圍內(nèi)，則該計(jì)算結(jié)果滿足了實(shí)際工程要求，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

表2 間冷塔設(shè)計(jì)參數(shù)

2 風(fēng)速及建筑物的影響

選取環(huán)境風(fēng)速為0 m/s、5.5 m/s、8.0 m/s、12.0 m/s、15.0 m/s、18.0 m/s和20.0 m/s，并對(duì)不同風(fēng)速下間冷塔的傳熱性能進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.1 塔周圍無(wú)建筑物不同風(fēng)速的影響

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0 m/s時(shí)，在間冷塔的吸力作用下，塔外空氣均勻通過(guò)散熱器對(duì)流傳熱后進(jìn)入塔內(nèi)，此時(shí)溫度升高、密度減小，空氣在浮升力作用下上升，從而增大了空氣進(jìn)入塔內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力，各扇區(qū)通風(fēng)量和傳熱量近似相等。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s時(shí)，間冷塔z=7.5 m截面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖5。

圖5 環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s，z=7.5 m截面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

由圖5可得：環(huán)境風(fēng)流過(guò)間冷塔時(shí)做“圓柱繞流”運(yùn)動(dòng)，并隨環(huán)境風(fēng)速的增加而加強(qiáng)，其結(jié)果造成了背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器外側(cè)壓力減小，使其通風(fēng)量減小；環(huán)境風(fēng)流過(guò)間冷塔側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器時(shí)，由于其切向速度大、壓力低，故側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器內(nèi)外壓差減小，結(jié)果使得側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器通風(fēng)量減小，傳熱性能變差；迎風(fēng)區(qū)的進(jìn)風(fēng)與背風(fēng)區(qū)的進(jìn)風(fēng)在塔底相遇后形成近似關(guān)于X軸對(duì)稱的漩渦，進(jìn)一步影響了背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)的進(jìn)風(fēng)。故迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量最大、側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)量最小，由于迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量大于背風(fēng)區(qū)，塔內(nèi)氣流的中心偏向風(fēng)向的下游。受塔外環(huán)境風(fēng)的影響，塔出口形成“風(fēng)阻”效應(yīng)，使得塔內(nèi)有效通流面積減小，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，該“風(fēng)阻”效應(yīng)會(huì)逐漸加強(qiáng)，但此時(shí)由于風(fēng)速過(guò)快對(duì)塔的吸力也相應(yīng)加強(qiáng)，在兩者共同作用下，使得塔出口流量發(fā)生相應(yīng)的變化。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8.0 m/s時(shí)，其側(cè)風(fēng)區(qū)部分扇區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)，使其通風(fēng)量下降，傳熱量減小，傳熱性能變差。隨著環(huán)境風(fēng)速的進(jìn)一步增加，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時(shí)，間冷塔內(nèi)外速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖6。

圖6 環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s，z=7.5 m截面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

由圖6可得：“圓柱繞流”運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)；塔內(nèi)漩渦范圍進(jìn)一步加大且逐漸向風(fēng)向的下游移動(dòng)，造成背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)進(jìn)風(fēng)阻力進(jìn)一步加大；塔出口“風(fēng)阻”效應(yīng)也加強(qiáng)；形成穿堂風(fēng)的扇區(qū)數(shù)量也增多，當(dāng)穿堂風(fēng)強(qiáng)度不大時(shí)，則使得相應(yīng)散熱器的傳熱性能惡化，當(dāng)穿堂風(fēng)強(qiáng)度大時(shí)，盡管其通過(guò)散熱器前后溫差小，單位質(zhì)量流量的穿堂風(fēng)傳熱量少，但穿堂風(fēng)強(qiáng)度大，也會(huì)使得傳熱量增多。

不同環(huán)境風(fēng)速下每個(gè)扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化見(jiàn)圖7。

圖7 不同風(fēng)速下每個(gè)扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化

由圖7可得：迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量隨環(huán)境風(fēng)速的增大逐漸增加，故傳熱性能也隨之有所改善；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不超過(guò)8.0 m/s時(shí)，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化不大，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于8.0 m/s時(shí)，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量隨著環(huán)境風(fēng)速的增加逐漸減小；當(dāng)風(fēng)速為8.0 m/s時(shí)，側(cè)風(fēng)區(qū)(S7、S8、S17和S18扇區(qū))出現(xiàn)穿堂風(fēng)且強(qiáng)度不大，使得通風(fēng)質(zhì)量流量減小、傳熱量減小，傳熱性能惡化；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時(shí)，側(cè)風(fēng)區(qū)(S6、S7、S8、S9、S16、S17、S18和S19扇區(qū))出現(xiàn)穿堂風(fēng)且強(qiáng)度不等，使得S6、S9、S16和S19扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減小、傳熱量減小，傳熱性能下降，S7、S8、S17和S18扇區(qū)由于穿堂風(fēng)量略微增多，故使得傳熱性能也略微增強(qiáng)，且該環(huán)境風(fēng)速下背風(fēng)區(qū)也開(kāi)始出現(xiàn)穿堂風(fēng)；隨著環(huán)境風(fēng)速的進(jìn)一步增加，穿堂風(fēng)的范圍和強(qiáng)度也逐漸加大，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為20.0 m/s時(shí)，背風(fēng)區(qū)(S10、S11、S14和S15扇區(qū))為穿堂風(fēng)，使該扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量下降。

2.2 塔周圍有建筑物不同風(fēng)速的影響

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s和12.0 m/s且塔周圍有建筑物時(shí)，間冷塔內(nèi)外速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s，z=7.5 m截面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

圖9 環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s，z=7.5 m截面速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布

不同環(huán)境風(fēng)速下風(fēng)流過(guò)建筑物時(shí)，會(huì)在建筑物的背面形成漩渦；受塔周圍建筑物的影響，“圓柱繞流”形成的渦流不再關(guān)于X軸對(duì)稱；間冷塔內(nèi)外速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布也不再對(duì)稱。

塔周圍有建筑物時(shí)不同環(huán)境風(fēng)速下每個(gè)扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化見(jiàn)圖10。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s、8.0 m/s和12.0 m/s時(shí)，塔周圍有無(wú)建筑物時(shí)各區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化見(jiàn)表3。

圖10 不同風(fēng)速下每個(gè)扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化

表3 有無(wú)建筑物間冷塔各區(qū)通風(fēng)量 kg/s

相同環(huán)境風(fēng)速下，塔周圍有建筑物相比無(wú)建筑物，其通風(fēng)質(zhì)量流量沿周向分布不均勻性進(jìn)一步加大；迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量隨著環(huán)境風(fēng)速增大且增加幅度逐漸變大，傳熱性能也隨之變好；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s時(shí)，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化較小、傳熱性能基本不變，側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加、傳熱性能變好；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8.0 m/s時(shí)，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量下降、傳熱性能變差，而側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加，傳熱性能變好，此時(shí)側(cè)風(fēng)區(qū)(S17和S18扇區(qū))無(wú)穿堂風(fēng)存在；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時(shí)，側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加的幅度降低，而背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減少、傳熱性能下降，此時(shí)背風(fēng)區(qū)(S11和S12扇區(qū))開(kāi)始出現(xiàn)穿堂風(fēng)，側(cè)風(fēng)區(qū)(S16和S17扇區(qū))無(wú)穿堂風(fēng)；隨著環(huán)境風(fēng)速的進(jìn)一步增加，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為18.0 m/s和20.0 m/s時(shí)，背風(fēng)區(qū)(S13扇區(qū))和側(cè)風(fēng)區(qū)(S17扇區(qū))均有穿堂風(fēng)存在，使其相應(yīng)扇區(qū)傳熱性能下降。

2.3 通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量變化

不同環(huán)境風(fēng)速下通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量變化見(jiàn)圖11和12。

圖11 通風(fēng)質(zhì)量流量隨環(huán)境風(fēng)速變化

圖12 傳熱量隨環(huán)境風(fēng)速變化

隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量均先減小后增加。通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量最小值均出現(xiàn)在12.0 m/s。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不超過(guò)12.0 m/s時(shí)，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加幅度小于背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減小幅度，故塔通風(fēng)質(zhì)量流量減小，傳熱量也隨之減小。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于12.0 m/s時(shí)，迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加幅度大于背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減小幅度，故塔通風(fēng)質(zhì)量流量上升，傳熱量也增加。

環(huán)境風(fēng)經(jīng)過(guò)塔外建筑物時(shí)，由于通流面積減小使得風(fēng)速大小和方向會(huì)發(fā)生變化。為了更加直觀地說(shuō)明由于建筑物的存在對(duì)塔通風(fēng)量和傳熱量的影響，定義通風(fēng)質(zhì)量流量改變度M和傳熱量改變度Q。M為塔周圍有建筑物時(shí)，不同環(huán)境風(fēng)速下塔的通風(fēng)質(zhì)量流量與塔周圍無(wú)建筑物時(shí)塔的通風(fēng)質(zhì)量流量之差與塔周圍無(wú)建筑物時(shí)塔的通風(fēng)質(zhì)量流量之比；Q為塔周圍有建筑物時(shí)，不同環(huán)境風(fēng)速下塔的傳熱量與塔周圍無(wú)建筑物時(shí)塔的傳熱量之差與塔周圍無(wú)建筑物時(shí)塔的傳熱量之比。M和Q隨環(huán)境風(fēng)速變化見(jiàn)圖13。

圖13 M和Q隨環(huán)境風(fēng)速變化

M的最大值和最小值分別在環(huán)境風(fēng)速為20.0 m/s和0 m/s取得，Q的最大值和最小值分別在環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s和0 m/s取得。環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s時(shí)，M和Q分別約為5.60%和5.92%；環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時(shí)，M和Q分別約為3.62%和2.32%；環(huán)境風(fēng)速大于15.0 m/s時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著風(fēng)速的增加，M和Q均增加。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 間冷塔周圍有無(wú)建筑物時(shí)，均在環(huán)境風(fēng)速為8.0 m/s時(shí)側(cè)風(fēng)區(qū)部分扇區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)，環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時(shí)背風(fēng)區(qū)部分扇區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)，在一定范圍內(nèi)隨著環(huán)境風(fēng)速的增加穿堂風(fēng)量也增加。

(2) 間冷塔周圍有無(wú)建筑物時(shí)，其通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量均隨環(huán)境風(fēng)速先減小后增加，在12.0 m/s時(shí)最小。

(3) 塔周圍有建筑物相比無(wú)建筑物時(shí)，塔通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量改變度分別在環(huán)境風(fēng)速為20.0 m/s和5.5 m/s時(shí)最大，均在0 m/s時(shí)最小。