間接空冷機(jī)組“三塔合一、四位一體”技術(shù)應(yīng)用研究

張軍峰

摘要：針對(duì)不同環(huán)境風(fēng)速工況，以660MW 超超臨界間接空冷機(jī)組為例，通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬軟件對(duì)“三塔合一、四位一體”系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，分別計(jì)算了無除塵裝置、臥式低位布置以及立式布置三種方案下10m高度處的水平風(fēng)速為0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s對(duì)空冷塔熱力性能的影響。結(jié)果表明，隨著水平風(fēng)速的增加，出塔水溫呈增加趨勢;在TRL工況下，三種方案的水溫范圍分別為51.7-56.08℃、51.72-55.61℃和51.71-55.6℃。在TMCR工況下，三種方案的水溫范圍分別為32.77-37.18℃、32.79-36.75℃和32.78-36.69℃。期望為優(yōu)化間接空冷系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、濕式除塵系統(tǒng)的布置提供參考。

Abstract： Against the different wind speed conditions， taking 660MW ultra-supercritical indirect air cooling unit as an example， the

"three towers in one and four in one" system was simulated by computational fluid dynamics （CFD） simulation software. The influences of horizontal wind speeds of 0m/s， 2m/s， 5m/s， 8m/s and 12m/s on the thermal performance of the air cooling tower under three schemes of no dust removal device， horizontal low position arrangement and vertical arrangement were calculated respectively. The results show that with the increase of horizontal wind speed， the water temperature in the tower increases. Under TRL conditions， the water temperature ranges of the three schemes are 51.7-56.08℃， 51.72-55.61℃ and 51.71-55.6℃ respectively. Under TMCR conditions， the water temperature ranges of the three schemes are 32.77-37.18℃， 32.79-36.75℃ and 32.78-36.69℃ respectively. It is expected to provide reference for optimizing the arrangement of indirect air cooling system， flue gas system， desulfurization system and wet dust removal system.

關(guān)鍵詞：間接空冷機(jī)組;三塔合一;計(jì)算流體力學(xué);布置工藝

Key words： indirect air cooling unit;three towers in one;computational fluid dynamics;arrangement process

中圖分類號(hào)：X51;M621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）25-0173-03

0? 引言

燃煤發(fā)電廠的“三塔合一”是將火電廠煙囪（煙塔）、間接空冷塔和脫硫吸收塔“三塔合一”，將濕式除塵器布置于間冷塔內(nèi)形成四位一體布置。利用冷卻塔熱空氣抬升煙氣排放，將脫硫吸收塔、濕式除塵器、煙囪及CEMS等設(shè)備布置在冷卻塔內(nèi)的燃煤發(fā)電廠系統(tǒng)優(yōu)化布置技術(shù)[1-2]。該方式的優(yōu)勢在于節(jié)約用地、節(jié)約投資、節(jié)約用水、節(jié)約能耗和減少污染，目前已被學(xué)者廣泛研究。席新銘等[3]通過建立了間接空冷塔內(nèi)布置煙囪和脫硫塔的數(shù)學(xué)模型，分析了環(huán)境風(fēng)和煙囪高度對(duì)塔內(nèi)空氣流場及散熱器熱力性能的影響。趙文升等[4]通過構(gòu)建“三塔合一”間接空冷塔的數(shù)學(xué)模型，獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱力性能的影響規(guī)律，并以進(jìn)塔風(fēng)量和出塔水溫為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，獲得了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)?！叭弦弧笔且粋€(gè)涉及流體力學(xué)、熱熱傳質(zhì)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜問題，為此國外的相關(guān)流場模擬同樣具有參考價(jià)值[5-7]。

1? “三塔合一、四位一體”系統(tǒng)

1.1 間接空冷系統(tǒng)

間接空冷系統(tǒng)一般由凝汽器、循環(huán)水管道、循環(huán)水泵、間接空冷塔、冷卻三角等設(shè)備和系統(tǒng)組成，如圖1所示。系統(tǒng)流程為：汽機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器，與流經(jīng)凝汽器管束內(nèi)的冷卻水進(jìn)行表面換熱，蒸汽將熱量傳遞給冷卻水，并凝結(jié)為凝結(jié)水。吸收熱量的冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵增壓后輸送至空冷塔內(nèi)的空冷散熱器，將熱量釋放到大氣，空冷塔冷卻水出水再回到汽機(jī)房凝汽器內(nèi)作閉式循環(huán)。

間接空冷塔為雙曲線自然通風(fēng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為了增加空冷散熱器的換熱面積、提高散熱效果，空冷散熱器采用翅片板熱交換器，熱交換器管組成冷卻三角布置在冷卻塔外圍。在冷卻塔的抽吸作用下，空氣通過空冷散熱器，將熱量帶走，散發(fā)在大氣中。為了方便換熱器的換熱量控制，冷三角被劃分為幾個(gè)冷卻扇段，在冷卻三角外面安裝百葉窗。通過百葉窗控制通風(fēng)量調(diào)節(jié)循環(huán)水溫。也可以通過控制投入扇段的數(shù)量來控制冷卻水的溫度。

1.2 煙氣系統(tǒng)

鍋爐煙氣經(jīng)過鍋爐尾部受熱面后進(jìn)入脫硝裝置，脫硝后煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器，經(jīng)空氣預(yù)熱器換熱后進(jìn)入電除塵，經(jīng)除塵后凈煙氣通過引風(fēng)機(jī)出口煙道經(jīng)冷卻塔下部進(jìn)風(fēng)口接入布置于冷卻塔內(nèi)的脫硫吸收塔，經(jīng)脫硫吸收塔處理后的煙氣進(jìn)入濕式除塵器，濕式除塵器出口煙氣接入塔內(nèi)煙囪排放。

1.3 脫硫系統(tǒng)

脫硫采用石灰石—石膏濕法脫硫。煙氣進(jìn)入脫硫吸收塔后，通過噴淋吸收區(qū)，噴淋吸收區(qū)布置有多層噴嘴，將漿液均勻地噴射于充有煙氣的塔中。在吸收塔內(nèi)，煙氣自下向上流動(dòng)，與高效霧化噴嘴噴出的自上而下很細(xì)的霧狀脫硫漿液形成高效率的氣液接觸，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，煙氣中SO2轉(zhuǎn)換生成亞硫酸鈣后匯入吸收塔下部循環(huán)漿池，煙氣中的95%以上的SO2被去除。漿液循環(huán)泵將石灰石漿液送入噴嘴進(jìn)行霧化。吸收塔底部的石膏漿液通過排出泵排出脫水后形成石膏。經(jīng)脫硫后的煙氣為帶水汽的濕煙氣，通過塔上部除霧器除去大部分液滴后進(jìn)入后續(xù)濕式除塵器裝置。

1.4 濕式電除塵系統(tǒng)

濕式電除塵器用來處理脫硫吸收塔出口濕煙氣，主要用來除去含濕氣體中的微塵、霧滴等物質(zhì)。濕式電除塵器一般根據(jù)煙氣流向分為橫流式（煙氣流向?yàn)樗椒较蜻M(jìn)出，臥式布置）和豎流式（煙氣流向?yàn)榇怪狈较蜻M(jìn)出，立式布置）。在電極放電作用下沉集在極板上的粉塵通過工藝水沖洗收集，工藝水可回收循環(huán)利用，使用濕式電除塵器后含濕煙氣中的煙塵排放可達(dá)5mg/m3以下。根據(jù)濕式除塵器的布置方式和位置，分為立式布置、臥式低位布置、臥式中高位布置和臥式高位布置。

2? 數(shù)學(xué)建模

為能更為準(zhǔn)確地表述本模型的依據(jù)，本節(jié)分別從流場建模方程[5]、阻力計(jì)算[6]和網(wǎng)格劃分等方面進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。

2.1 空氣流場方程

間接空冷塔在機(jī)組運(yùn)行、氣象環(huán)境穩(wěn)定時(shí)，忽略實(shí)際運(yùn)行工況輕微變換的影響，為簡化數(shù)學(xué)模型將塔內(nèi)外空氣流場可以按穩(wěn)態(tài)計(jì)算?？諝饬鲌龅耐ㄓ每刂品匠瘫硎救缦拢?/p>

2.2 散熱器阻力模型

空冷散熱片、百葉窗阻力計(jì)算公式如下：

公式中：P1為空氣垂直通過散熱片的阻力，單位為Pa;P2為空氣通過百葉窗阻力（全開），單位為Pa;ξ1為散熱片的阻力系數(shù)，變化范圍通常為23～53;ρa(bǔ)m為通過散熱片的定性氣溫下的空氣密度，單位為kg/m3;定性溫度為散熱三角入口空氣溫度與出口空氣溫度的平均值;ρa(bǔ)1為散熱片入口空氣溫度下的空氣密度，單位為kg/m3;V 為空氣通過管束的迎面風(fēng)速，單位為m/s。

2.3 計(jì)算方法

計(jì)算采用流體軟件 FLUENT（流場仿真），對(duì)根據(jù)空氣流場方程和散熱器阻力模型建立的空冷塔三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。離散方程組中速度與壓力解耦采用 SIMPLEC（簡化為不可壓縮流體）算法，應(yīng)用分離變量法對(duì)離散方程進(jìn)行求解，冷卻塔動(dòng)量方程中對(duì)空氣流動(dòng)和傳熱耦合求解，采用QUICK（快速收斂）模式作為速度和溫度場的離散格式。

2.4 網(wǎng)格劃分

采用 GAMBIT（網(wǎng)格設(shè)定）網(wǎng)格劃分軟件，進(jìn)行三維模型的網(wǎng)格劃分，具體劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)性網(wǎng)格相結(jié)合的方式。整個(gè)區(qū)域可分為塔內(nèi)和塔外。建立了帶有立式布置、臥式低位布置、臥式中高位布置、臥式高位布置間接空冷塔網(wǎng)格模型。計(jì)算域?yàn)?1000m×1000m×1000m。

3? 案例分析

3.1 設(shè)定條件

以某660MW 超超臨界間接空冷機(jī)組配套的間接空冷塔為例，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：塔高173.7m，喉部高度145m，塔殼底部半徑為66.5m，冷卻塔出口半徑為49.1m，喉部半徑為47.6m;進(jìn)風(fēng)口高度為27.5m，散熱器高度為28m，散熱器的外圍半徑為78m，冷卻三角基礎(chǔ)高2m，冷卻三角的高位24m;冷卻塔的迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)值為1.77m/s，散熱器的平均傳熱系數(shù)為44.6W/（m2k），散熱器面積約157萬m2。取兩個(gè)工況，即夏季TRL和額定TMCR。夏季TRL工況主要參數(shù)為：塔循環(huán)水量62410t/h、進(jìn)塔水溫60.5℃，在環(huán)境溫度32.1℃、大氣壓859hPa、海拔高度1150m、相對(duì)濕度0.55、冷卻塔零米以上10m處環(huán)境風(fēng)速5m/s時(shí)，間冷塔出水水溫≤50.1℃。額定TMCR工況：進(jìn)塔循環(huán)水量62410t/h、進(jìn)塔水溫41.3℃，在環(huán)境溫度14.7℃、大氣壓866hPa、海拔高度1150m、相對(duì)濕度0.50、冷卻塔零米以上10m處環(huán)境風(fēng)速5m/s時(shí)，間冷塔出水水溫≤31.2℃。

3.2 結(jié)果與討論

脫硫吸收塔、濕式除塵器、排煙管道等主要工藝構(gòu)件的布置形式對(duì)冷卻塔熱力、阻力性能影響，以及煙氣的擴(kuò)散過程。取10m高度處的水平風(fēng)速分別為0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s，研究其對(duì)空冷塔熱力性能的影響，結(jié)果如圖3和圖4所示。其主要結(jié)論如下：①無自然風(fēng)時(shí)，臥式低位布置和立式布置對(duì)通風(fēng)量影響小于1.0%，對(duì)阻力系數(shù)影響小于2.0%。 ②在自然風(fēng)速小于2m/s時(shí)，臥式低位布置方案與立式布置方案對(duì)間接空冷塔的出塔水溫影響小于0.01℃，在自然風(fēng)速大于5m/s時(shí)臥式低位布置方案將使出塔水溫降低約0.5℃，而立式布置方案影響較小。③自然風(fēng)速小于8m/s時(shí)立式布置對(duì)冷卻塔的通風(fēng)量影響很小，而臥式布置能增大冷卻塔的通風(fēng)量約8%，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到12m/s，采用立式或臥式脫硫裝置都使冷卻塔通風(fēng)量增大約14%，所以除塵器等構(gòu)件能減緩自然風(fēng)的影響。④當(dāng)排煙量與冷卻塔通風(fēng)量的比值小于2.5%，排煙引起冷卻塔通風(fēng)量、抽力和阻力系數(shù)等參數(shù)的變化幅度都小于0.15%，所以排煙對(duì)于冷卻塔的熱力、阻力性能影響非常小。

4? 結(jié)論

間接空冷火力發(fā)電廠采用“三塔合一、四位一體”布置時(shí)，通過分析除塵器的布置方式和位置，對(duì)立式布置、臥式低位布置、臥式中高位布置和臥式高位布置四種方式，通過建立內(nèi)置脫硫裝置、濕式除塵器的自然通風(fēng)間接空冷塔的熱力、阻力計(jì)算模型研究分析，通過對(duì)比10m高度處的水平風(fēng)速為0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s時(shí)各種布置對(duì)間接空冷塔性能影響，濕式除塵器在間冷塔內(nèi)低位臥室布置對(duì)冷卻塔熱力、阻力性能影響最小。

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