側(cè)風(fēng)條件下電站大型冷卻塔建筑群熱力特性的數(shù)值模擬研究

王鎖斌，鄧彤天，王紅波，吳奎伯

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 合肥 230601；3.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在自然通風(fēng)濕式冷卻塔(以下簡(jiǎn)稱(chēng)NDWCT)的設(shè)計(jì)與研究中，往往將冷卻塔視為孤立的單個(gè)設(shè)備，而在實(shí)際工程應(yīng)用中，常規(guī)的火電廠配備的冷卻塔往往在2個(gè)或以上，并伴有廠房、煙囪等各種建筑物.在側(cè)風(fēng)條件下，某個(gè)冷卻塔塔內(nèi)的熱流特性，會(huì)受到相鄰冷卻塔和附近建筑物的影響，有研究表明，孤立的冷卻塔與冷卻塔建筑群的循環(huán)水溫降最大相差1K，在某種程度上這是不容忽視的.因此，本研究建立了冷卻塔建筑群的三維數(shù)值模擬模型，研究其在不同方向的側(cè)風(fēng)條件下的熱流性能，并優(yōu)化冷卻塔建筑群的排布位置，從而提高冷卻塔的效率[1].

在自然通風(fēng)濕式冷卻塔的數(shù)值模擬方面，主要以Merkel模型和Poppe模型為主，趙[2]等利用Merkel模型，優(yōu)化了冷卻塔的配水系統(tǒng)，將冷卻塔的出塔水溫降低0.3 K.Al-Waked等[3-4]建立了NDWCT的三維數(shù)值模擬模型，研究了各種運(yùn)行參數(shù)對(duì)冷卻塔的影響和側(cè)風(fēng)情況下冷卻塔的表現(xiàn).趙元賓等[5-8]通過(guò)對(duì)NDWCT的模擬，研究了側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔的影響，并分析其影響冷卻塔傳熱傳質(zhì)的機(jī)制，并對(duì)非均勻布置填料進(jìn)行了研究.Klimanek等[9]建立了完整的自然通風(fēng)濕式煙塔合一冷卻塔的三維數(shù)值模擬模型，研究了運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔性能的影響.Jin[10]等提出了一種雙分區(qū)配水結(jié)構(gòu)，可以使出塔水溫降低0.5 K.張慧超[11]等基于Merkel模型建立了NDWCT的二維數(shù)值模型，通過(guò)控制內(nèi)區(qū)和外區(qū)的配水量，可以使出塔水溫降低0.42 K.周蘭欣[12]等通過(guò)增加循環(huán)水配水噴嘴數(shù)量可以提高冷卻塔的冷卻能力.吳志祥[13]等分析了安徽某2×1 000 MW火電機(jī)組中高位收水濕式冷卻塔的經(jīng)濟(jì)性，簡(jiǎn)單介紹了高位收水冷卻塔的原理，并與常規(guī)冷卻塔進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，結(jié)果表明，高位收水冷卻塔的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于常規(guī)冷卻塔.Lyu[14]等對(duì)非均勻布置填料進(jìn)行了研究，其可以有效的增強(qiáng)塔內(nèi)空氣的流動(dòng)，提升冷卻效率.Li[15]等建立了三位冷卻塔的數(shù)值模擬模型，將配水區(qū)域分為內(nèi)中外三區(qū)，通過(guò)控制各配水區(qū)域水量來(lái)研究冷卻的塔冷卻冷卻性能，并運(yùn)用該模型對(duì)煙塔合一冷卻塔進(jìn)行了性能優(yōu)化.

上述學(xué)者們?cè)贜DWCT的數(shù)值模擬方面做了大量工作，主要圍繞填料、配水系統(tǒng)和側(cè)風(fēng)等參數(shù)，研究其對(duì)孤立冷卻塔的影響，對(duì)多個(gè)冷卻塔排布和冷卻塔建筑群方面的研究數(shù)量有限，且鑒于已發(fā)表相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔塔群中多個(gè)冷卻塔和其他建筑物的排布方式的研究較少.因此，本研究基于某4×300 MW火電廠，建立了全尺寸冷卻塔建筑群的數(shù)值模擬模型，分析了不同風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)冷卻塔建筑群中冷卻塔冷卻性能的影響，并且提出多個(gè)冷卻塔的優(yōu)化排布方式.

1 數(shù)值模擬模型

在以朗肯循環(huán)為基礎(chǔ)的火電廠中，冷卻塔作為冷源將系統(tǒng)的廢熱排出，具體方式就是將在凝汽器吸熱后的循環(huán)水[14]，引入冷卻塔某一高度后將循環(huán)水向下噴淋，在噴淋區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)，循環(huán)水液滴與進(jìn)入塔內(nèi)的冷空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，最終落入集水池，完成循環(huán)水的冷卻.

1.1 連續(xù)相控制方程

空氣在冷卻塔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)被視為連續(xù)的，其在塔內(nèi)的熱流特性可以描述為連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程，它們的一般形式為

▽·(ρuiφ-Γ▽Yi)=Si

，

(1)

公式中：ρ為連續(xù)相密度，kg/m3；ui為各方向速度值，m/s；φ為變量的通用形式；ΓΘ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Si為源項(xiàng).

1.2 離散相控制方程

在NDWCT的噴淋區(qū)和雨區(qū)，冷卻水以液滴的形式自由下落，與塔內(nèi)的濕空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，離散項(xiàng)的傳質(zhì)方程可表示為

，

(2)

公式中：mp為液滴質(zhì)量，kg；kc為傳質(zhì)系數(shù)，m/s；Ap為液滴表面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3；Bm為斯伯丁數(shù).在ANSYS Fluent中，液滴的蒸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為[16]

Tvap≤Tp≤Tbp

，

(3)

公式中：Tvap為液滴蒸發(fā)溫度，K；Tp為液滴溫度，K；Tbp為液滴沸點(diǎn)，K.

液滴與塔內(nèi)濕空氣熱量傳遞的方式包括對(duì)流、蒸發(fā)和輻射，其中輻射傳熱很小可以忽略不計(jì)，主要考慮蒸發(fā)和對(duì)流傳熱，液滴的傳熱方程可表示為

(4)

(5)

(6)

公式中：cp為液滴的定壓比熱容，J/kg·K；Tp為液滴溫度，K；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2·K；T為連續(xù)相溫度，K；hfg為潛熱，J/kg；Nu為努賽爾數(shù)；k為連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·K；Red為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù).

Fluent軟件通過(guò)拉格朗日法來(lái)預(yù)測(cè)液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡[15]，液滴在冷卻塔內(nèi)運(yùn)動(dòng)會(huì)受到重力、曳力、慣性力和升力，根據(jù)牛頓第二定律，冷卻塔中液滴的運(yùn)動(dòng)方程為

(7)

1.3 填料區(qū)傳熱傳質(zhì)模型

由于填料區(qū)的傳熱傳質(zhì)較為復(fù)雜，填料區(qū)的模型采用Fluent中用戶(hù)自定義函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn).根據(jù)填料區(qū)的高度和填料組裝塊片間距，填料區(qū)的傳質(zhì)系數(shù)可以表示為

βxv=Bgmqn

，

(8)

公式中：βxv為單位體積填料內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m3·s)；g為連續(xù)相冷空氣的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；q為淋水密度，kg/(m2·s)；B、m、n為根據(jù)填料形式得出的試驗(yàn)常數(shù).

單位體填料內(nèi)的蒸發(fā)量可以用公式(9)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)采用公式(10)計(jì)算.

mevp=βxv(ωsat，Tw-ωa)

，

(9)

mevp=βxv(ωsat，Tw-ωsat，Ta)

，

(10)

公式中：mevp為填料單位體積蒸發(fā)量，kg/(m3·s)；ωsat，Tw為填料上截面平均液滴溫度下空氣的飽和含濕量；ωa為連續(xù)相空氣的含濕量；ωsat，Ta為連續(xù)相空氣的飽和含濕量.

單位體積液滴能量的減少量為水的蒸發(fā)潛熱和對(duì)流換熱之和，即

Qtotal=Qlatent+Qsensible

.

(11)

1.4 填料區(qū)阻力模型

根據(jù)本文中涉及的填料的參數(shù)，填料區(qū)的阻力可以表示為

，

(15)

(16)

公式中：ΔP為填料區(qū)阻力，N/m2；γa為濕空氣的比重，N/m3；v為通過(guò)填料區(qū)的空氣速度，m/s；Ap、M為由試驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù).

2 模型驗(yàn)證

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文幾何模型的來(lái)源為某大型熱力發(fā)電廠，冷卻塔高110 m，冷卻塔喉部直徑為52 m，出口直徑54 m，底部直徑83 m，鍋爐廠房高73 m，汽機(jī)廠房32 m，整個(gè)車(chē)間長(zhǎng)度320 m，煙囪高218 m，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，較小建筑和其他細(xì)節(jié)被簡(jiǎn)化了，具體幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示.

在網(wǎng)格劃分時(shí)，環(huán)境計(jì)算域的劃分與廠內(nèi)建筑物采用密度較低的網(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算域尺寸為1 600 m×1 200 m×600 m，冷卻塔部位采用高密度的網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為220萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量Determinant(2×2×2)大于0.3.這種劃分方法既能保證模擬求解的精確性即能提高計(jì)算效率，又能節(jié)約計(jì)算成本.冷卻塔及建筑物網(wǎng)格，如圖2所示.

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在近似無(wú)風(fēng)條件下，對(duì)該電站冷卻塔相關(guān)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣.測(cè)量設(shè)備包括出塔水溫測(cè)量?jī)x及便攜式氣象儀等.其中，便攜式氣象儀是測(cè)量大氣溫度、相對(duì)濕度及大氣壓力的裝置.選取測(cè)量精度為0.2 ℃的出塔水溫傳感器，數(shù)量為4個(gè)，將其浸入在冷卻塔底部水池中，分別對(duì)稱(chēng)布置在冷卻塔水池的四個(gè)方向上.在冷卻塔進(jìn)水豎井內(nèi)放置無(wú)線(xiàn)測(cè)溫裝置測(cè)量進(jìn)塔水溫.裝置及測(cè)點(diǎn)位置示意圖，如圖3所示.一臺(tái)凝汽器配有兩臺(tái)循環(huán)水泵，流量為32 675 t/h.便攜式氣象儀使用三腳架將其放置在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口附近，氣象儀技術(shù)指標(biāo)如表1所示.在冷卻塔附近測(cè)量6次氣溫、氣壓與相對(duì)濕度值，取平均值作為實(shí)測(cè)參數(shù).

表1 便攜式氣象儀技術(shù)指標(biāo)

測(cè)量數(shù)據(jù)總計(jì)為25組，包括大氣壓力、大氣溫度、進(jìn)塔流量、進(jìn)塔水溫及出塔水溫，測(cè)量參數(shù)列于表2.工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程DL/T1027-2006規(guī)定的相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[17]列于表3，整理之后并按照標(biāo)準(zhǔn)剔除超標(biāo)點(diǎn)后，在經(jīng)過(guò)誤差分析的參數(shù)如表4所示，誤差分析如圖4所示.

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4 誤差分析圖5 不同網(wǎng)格數(shù)量下對(duì)應(yīng)的速度分布(h=30m)

2.3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

給定冷卻塔相關(guān)初始參數(shù)，進(jìn)行迭代求解.得出的計(jì)算值、結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示.從表中可以看出，在相同的環(huán)境及進(jìn)塔參數(shù)條件下，計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的出塔水溫相差為0.305℃，兩者的相對(duì)偏差為1.0 %.表明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差在合理圍之內(nèi).結(jié)合上文的流場(chǎng)精確性驗(yàn)證，本文的計(jì)算模型精度較高，可用于冷卻塔的數(shù)值模擬計(jì)算.同時(shí)分別在網(wǎng)格數(shù)目為1540，000(網(wǎng)格1)、2，200，000(網(wǎng)格2)及3，100，000(網(wǎng)格3)的情況下進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，其出塔水溫分別為33.947 ℃、33.955 ℃及33.813 ℃.同時(shí)，截取除水器上方4m處水平截面上的速度進(jìn)行比較，截面上的速度分布如圖5所示.可以看到，無(wú)論是塔內(nèi)的速度分布還是出塔水溫隨著網(wǎng)格數(shù)目的變化并不明顯.本文中，選擇2，200，000的網(wǎng)格作為最終計(jì)算網(wǎng)格.

表5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

3 結(jié)果與討論

3.1 不同風(fēng)向?qū)鋮s塔建筑群熱流特性的影響

首先，我們分析了不同風(fēng)向和風(fēng)速對(duì)冷卻塔建筑群內(nèi)每一個(gè)冷卻塔的影響，風(fēng)速和風(fēng)向與循環(huán)水溫降的關(guān)系如圖6所示，U為風(fēng)速，A為風(fēng)向角，可以看出塔1到塔4溫降的最低點(diǎn)分別出現(xiàn)在U=12.5 m/s與A=135°、U=10 m/s與A=135°、U=7.5 m/s與A=225°和U=7.5 m/s與A=90°.最低溫降分別對(duì)應(yīng)的入口空氣流線(xiàn)圖，如圖7所示，所有溫降最低的情況都出現(xiàn)在有建筑物阻擋的情況下.這是因?yàn)椋諝饫@流建筑物后，會(huì)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，這種擾動(dòng)對(duì)冷卻塔的影響是不利的，因此各冷卻塔最低溫降點(diǎn)均對(duì)應(yīng)有建筑物阻擋的情況.

接下來(lái)，我們對(duì)風(fēng)向角為315°的情況進(jìn)行分析，此時(shí)四個(gè)冷卻塔完全迎風(fēng)，且相互影響較小，可以看做是孤立的研究個(gè)體，圖8為四臺(tái)冷卻塔循環(huán)水溫降曲線(xiàn)對(duì)比圖，可以看出4條曲線(xiàn)的走勢(shì)是相同的.在風(fēng)速2.5 m/s～5.0 m/s區(qū)間內(nèi)，四臺(tái)冷卻塔的出塔水溫降呈降低趨勢(shì)，而當(dāng)風(fēng)速大于5.0 m/s之后，出塔水溫降開(kāi)始隨著速度的增加而急速上升.

經(jīng)以上分析，可以得出結(jié)論：在冷卻塔等上風(fēng)向存在阻礙(建筑物)時(shí)，進(jìn)入冷卻塔氣流的擾動(dòng)加大，是冷卻性能降低，而在完全迎風(fēng)的情況下，風(fēng)速為5 m/s時(shí)，冷卻塔的效率最低.接下來(lái)，我們將討論更加合理的冷卻塔群排布方式，以避免這些負(fù)面影響.

3.2 冷卻塔群排列方式的討論

本節(jié)主要討論冷卻塔排布問(wèn)題，風(fēng)向角分別為0°和90°時(shí)風(fēng)速與出塔水溫的關(guān)系如圖9所示，在這兩個(gè)風(fēng)向下，塔1都完全迎風(fēng)的情況，其趨勢(shì)與圖9大致相同，而在塔1下風(fēng)向排列的第二座塔(塔2和塔4)和第三座(塔3)的冷卻水溫降變化趨勢(shì)出現(xiàn)明顯變化.當(dāng)風(fēng)速在2.5 m/s～7.5 m/s區(qū)間內(nèi)，第二座塔和第三座塔的溫降要高于第一座塔；而在7.5 m/s后，第一座塔的出塔水溫反超后兩座塔，且第二座塔的出塔水溫要高于第三座塔.因此，我們可以得出結(jié)論，冷卻塔延風(fēng)向排布且前后無(wú)干擾時(shí)，風(fēng)速較低時(shí)，下風(fēng)向的冷卻塔冷卻能力都是要大于上風(fēng)向的冷卻塔的，但是隨著風(fēng)速的逐漸增大，上風(fēng)向的冷卻塔的冷卻效率開(kāi)始迅速反超下風(fēng)向冷卻塔的冷卻效率.

圖7 四臺(tái)冷卻塔最低溫降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)塔空氣流線(xiàn)圖8 冷卻塔塔群中每臺(tái)冷卻塔的溫降曲線(xiàn)

(a) A=0°(b) A=90 °圖9 冷卻塔群循環(huán)水溫降

按上述規(guī)律，我們可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪昶骄L(fēng)速來(lái)選擇冷卻塔的排布方式.當(dāng)某地區(qū)全年平均風(fēng)速大于7.5 m/s，應(yīng)使冷卻塔盡量避開(kāi)其他冷卻塔和大型建筑物的干擾，讓每臺(tái)冷卻塔都暴露在側(cè)風(fēng)里以獲取更大的冷卻效率，因此建議將冷卻塔群分散布置在方形廠區(qū)的四個(gè)外圍邊界上；而當(dāng)某地區(qū)全年風(fēng)速低于7.5 m/s時(shí)，冷卻塔應(yīng)盡可能沿風(fēng)向排列成一條直線(xiàn)，并根據(jù)地區(qū)全年主流風(fēng)向選擇合適的角度，從而讓下風(fēng)向的冷卻塔獲得更高的冷卻效率.拿中國(guó)地區(qū)東北地區(qū)為例，從圖10可以看到東北地區(qū)側(cè)風(fēng)速度大于7.5 m/s的地區(qū)主要分布在其東部與西部，建議該地區(qū)以冷卻塔群分散方式排列為主，避免大型建筑物的干擾；而中部地區(qū)風(fēng)速大部分都是小于7.5 m/s，其風(fēng)向冬季以西北風(fēng)為主，夏季以東南風(fēng)為主[18]，其冷卻塔排列建議采用沿南北方向排列，盡可能的讓下風(fēng)向的冷卻塔獲得較高的冷卻效率.若將本文討論的冷卻塔群排列方式按照側(cè)風(fēng)的大小和角度應(yīng)用在該地區(qū)，定會(huì)為本地區(qū)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益.

為了驗(yàn)證模擬模型和計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本模擬研究的參數(shù)設(shè)置參考夏季實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，忽略了季節(jié)變化帶來(lái)的環(huán)境參數(shù)的影響，著重分析冷卻塔冷卻性能的變化.以整個(gè)區(qū)域的整體風(fēng)速分布來(lái)看，70%以上的區(qū)域年平均風(fēng)速在5 m/s左右，我們就以5 m/s的低風(fēng)速為例進(jìn)行討論，若東北地區(qū)某一電站有三臺(tái)冷卻塔采用直線(xiàn)排列.從圖9可知，側(cè)風(fēng)為5 m/s時(shí)，塔1、塔2及塔3對(duì)應(yīng)的出塔水溫分別為8.4 K、8.47 K及8.17 K.當(dāng)這三臺(tái)冷卻塔未采用直線(xiàn)排列時(shí)，塔1、塔2及塔3的溫降將都為8.17 K，塔3與塔1及塔2的溫降差值分別為0.23 K及0.3 K，根據(jù)300 MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的額定運(yùn)行參數(shù)，與未優(yōu)化前相比，塔1和塔2冷的卻效率分別提升2.81%和3.54%.

4 結(jié) 論

本文首先建立了全尺寸冷卻塔建筑群的數(shù)值模擬模型，分析了在不同角度的側(cè)風(fēng)條件下，冷卻塔建筑群中冷卻塔的排列方式和建筑物冷卻塔的影響，并對(duì)這種排列方式所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，最終得出以下結(jié)論：

(1)在研究側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔建筑群的影響時(shí)，冷卻塔效率最低點(diǎn)往往出現(xiàn)在上風(fēng)向有建筑物阻擋的情況下；在風(fēng)向角為315°時(shí)，每個(gè)冷卻塔都完全迎風(fēng)，且上風(fēng)向無(wú)阻擋，可以當(dāng)做孤立的冷卻塔考慮，在此情況下，當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí)，冷卻塔的效率最低.

(2)根據(jù)地區(qū)的年平均風(fēng)速，提出兩種排列方法.在風(fēng)速較小(U<7.5 m/s)的地區(qū)，建議采用線(xiàn)性布置方式，以增強(qiáng)下風(fēng)向冷卻塔的冷卻塔效率；在風(fēng)速較大(U>7.5 m/s)的地區(qū)，建議采用分散布置方式，以保證每個(gè)冷卻塔處于良好的環(huán)境條件.兩種排布方式都可以在一定程度上提高電站的經(jīng)濟(jì)性

(3)以年平均風(fēng)速在5 m/s的地區(qū)為例，采用本文提出的排布方式，在冷卻塔群其他冷卻塔效率不變的情況下，其中兩個(gè)冷卻塔塔水溫分別降低了0.23 K和0.3 K，根據(jù)300 MW亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的額定運(yùn)行參數(shù)，冷卻塔效率提升分別為2.81%和3.54%.