主輔機共塔條件下間接空冷塔流場特性分析

李 滿，徐士倩，李陸軍，趙順安

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 研究背景

近年來隨著空冷技術的發(fā)展，我國山西、內(nèi)蒙及西北等富煤缺水地區(qū)建設了大量空冷電廠，而運行費較低的大型間接空冷塔被廣泛地應用這些電廠主機系統(tǒng)中［1］。輔機循環(huán)水系統(tǒng)在間接空冷系統(tǒng)的機組中作為一個獨立的冷卻系統(tǒng)存在，水耗和初始投資是輔機冷卻形式選擇的重要影響因素。如果主機采用間接空冷系統(tǒng)的工程，輔機冷卻水并入主機的間接空冷塔，即主機和輔機共用一個冷卻塔（簡稱主輔共塔）的設計方案，將具有以下優(yōu)點：冷卻設備集中布置、減少占地面積、便于管理和檢修、節(jié)省輔機水量蒸發(fā)及其風機功率、減少年運行費用等。

為同時滿足共塔方案中主機和輔機系統(tǒng)不同的冷卻要求，應科學合理的分配其各自所需冷卻三角個數(shù)。對于常規(guī)的間接空冷塔，由于所有冷卻三角的進水溫度、散熱器熱力阻力特性相同，在不考慮環(huán)境風條件下空冷塔內(nèi)流場呈對稱分布；當采用主輔共塔方案時，在夏季條件下由于主機和輔機各自的循環(huán)水進水溫度存在較大差異，流場的對稱性被破壞，主機和輔機的冷卻性能均將受到影響。為了合理設計主輔共塔方案，應充分了解在主輔機耦合影響下空冷塔的冷卻特性。

近年來國內(nèi)科研機構如中國水利水電科學研究院［2-3］、北京交通大學［4］及西北院、華北院等均對間接空冷塔開展了數(shù)值模擬研究，但主要基于研究主機間冷塔內(nèi)外的空氣動力場、通風量、換熱器的阻力與熱力特性以及自然風對空冷塔性能的影響、間接空冷塔的布置等方面［5-12］。上述研究并未涉及主機、輔機相互作用時對流場的影響，以及不同氣象條件下主機、輔機冷卻性能是否滿足設計要求，特別是自然風對主輔機的影響等。

輔機冷卻水并入主機間冷塔的主輔共塔屬于組合式創(chuàng)新方案，針對該方案進行的熱力性能研究目前尚屬空白。因此，開展相應的主輔共塔方案條件下間接空冷塔流場三維數(shù)值模擬研究，對于完善主輔共塔方案具有十分重要的意義。

本文擬采用數(shù)值模擬方法，針對1000 MW空冷機組的主輔機共塔設計方案，研究自然風影響下間接空冷塔內(nèi)外流場，分析主輔機在不同氣象條件下的冷卻性能，優(yōu)化主輔共塔設計方案，掌握主輔機受自然風及其他氣象條件影響規(guī)律，為主輔共塔方案的工程實施提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值模擬方法簡介

2.1 控制方程 間接空冷塔在熱負荷、氣象條件及循環(huán)水量穩(wěn)定時，塔內(nèi)外空氣流場按穩(wěn)態(tài)計算。控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，湍流模型采用標準k-ε模型，相關方程及參數(shù)設置詳見參考文獻［13］。模型中不考慮逆溫的影響。

2.2 計算方法 采用商業(yè)計算流體軟件FLUENT對三維數(shù)學模型進行求解。冷卻塔動量方程中，浮力是一項主要作用力，空氣流動和傳熱耦合求解。離散方程的求解采用分離變量法，速度與壓力的解耦采用SIMPLEC算法。速度和溫度場的離散格式采用QUICK格式。

2.3 材料設置 模型中氣體的性質(zhì)為理想不可壓縮氣體，根據(jù)設計工況條件給出空氣密度以及對應的分子量。在計算環(huán)境中設定環(huán)境壓強和環(huán)境溫度。氣體材料的比熱根據(jù)參考文獻給定值或者采用UDF寫成與溫度相關的多項式函數(shù)或分段函數(shù)。

2.4 網(wǎng)格劃分 采用GAMBIT網(wǎng)格劃分軟件，進行三維模型的網(wǎng)格劃分，具體劃分采用結構化網(wǎng)格和自適應性網(wǎng)格相結合的方式。整個區(qū)域可分為塔內(nèi)和塔外，塔外可分為周邊和塔頂部，計算域為1000 m×1000 m×1000 m，如圖1所示。

圖1 冷卻塔計算區(qū)域整體網(wǎng)格圖

2.5 散熱器模型 散熱器區(qū)域采用Fluent的RADIATOR模型，在模型中設定相應的阻力計算多項式、散熱系數(shù)多項式和進水溫度。本文中散熱器為六排管、雙流程，其熱力阻力特性：

式中：K為以散熱器迎風面積為基準的傳熱系數(shù)，W/（m2×℃）；Vg為迎面風速，m/s；ρ為進口空氣密度，kg/m3；Vw為管內(nèi)流速，m/s。

六排管散熱器阻力性能：

式中：Δp為散熱器的風阻，Pa；Vg為迎面風速，m/s。

2.6 邊界設置 對于塔外區(qū)域的邊界，底部為絕熱邊界。在無風條件下，其他面的邊界為壓力出口邊界；在有風情況下，進風面的邊界為速度入口邊界，其他面仍為壓力出口邊界。冷卻塔殼體的外壁設置成絕熱邊界。

當采用標準k-ε湍流模型時，設定k和ε的邊界，利用UDF模塊將其邊界設置為如下形式：

式中：κ為湍流動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率，m3/s2；n為邊界面的法向。塔內(nèi)區(qū)域，冷卻塔殼體的內(nèi)壁邊界條件為絕熱墻壁。進風口和塔的出口都設置成內(nèi)部邊界。

當研究環(huán)境風影響時，需采用UDF模塊進行邊界設定。環(huán)境風速度隨高度的變化呈指數(shù)關系，按照式（4）計算。為敘述方便，后文所指環(huán)境風速是指10m高處的風速。

式中：vw為10m高處環(huán)境風速，m/s；y為高度，m；vw,y為y高度處的風速，m/s。

為了進一步分析環(huán)境風向影響，假定了環(huán)境風的角度如圖2所示。輔機占用一個扇區(qū)。輔機扇區(qū)布置在+x軸上，以x軸為上下對稱，其余為主機扇區(qū)。α表示環(huán)境風的方向（定義為與+x軸的夾角）。

圖2 環(huán)境風與冷卻塔扇區(qū)的角度關系

2.7 網(wǎng)格數(shù)量選擇 網(wǎng)格數(shù)量對計算結果會產(chǎn)生影響。為了選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量，分別對不同網(wǎng)格數(shù)量的模型進行了研究，并對比冷卻塔的出水溫度。最終在出水溫度不發(fā)生明顯變化的前提下，綜合考慮計算效率，選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量。三維模型網(wǎng)格數(shù)量變化范圍從1.7×106～3.5×106。圖3給出了不同情況下的冷卻塔水溫降幅隨網(wǎng)格數(shù)量變化情況；根據(jù)圖3可知，網(wǎng)格數(shù)量大于2.2×106后，網(wǎng)格數(shù)量對冷卻塔水溫降幅量影響小于0.02℃，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為2.6×106。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量對冷卻塔出水溫度影響（設計工況，無輔機）

3 模型驗證

為驗證模型的可靠性，需要與相關試驗對比。模型試驗的數(shù)據(jù)來自《間接空冷塔氣體流態(tài)物理模型試驗研究報告》［6］，其研究對象是某600 MW機組配套的間接冷卻塔，具體參數(shù)如下：冷卻塔的高167.5 m，進風口高度28.8 m，進風口處直徑121.0m，喉部高度129.5 m，冷卻塔出口直徑92.6 m；其散熱器外沿直徑144.9 m，冷卻三角176個，散熱器迎風面積20 240 m2，散熱器高度25 m，冷卻三角夾角49.08°。試驗模型與原型間的比尺為1∶100，試驗裝置的整體結構如圖4所示。

圖4 模型試驗裝置圖

為了降低外界環(huán)境風及物體對試驗研究的影響，試驗裝置周邊無墻體，且不封閉頂部，用兩個橫梁和四個支撐梁來固定風機。模型塔出口處設置一個20 cm的直段，用來銜接模型塔的出口與擴展段，然后由100 cm的擴展段連接至風機，風機固定在橫梁支撐上。在風機的抽力作用下，空氣通過散熱器進入空冷塔內(nèi)，經(jīng)過塔筒由風機出口流出。為了便于觀測，模型塔采用無色透明有機玻璃制作，塔體曲線根據(jù)某廠自然通風冷卻塔塔體曲線按比例縮小。在塔體的直徑方向16個不同高度的塔壁上布置測孔，用來測量塔內(nèi)的氣流速度和壓力以及塔壁上的靜壓分布。試驗模型中，用多孔板代替了冷卻三角，其阻力系數(shù)分別在模擬塔和模型塔中測試。

利用上述數(shù)值建模方法，建立與試驗模型相同的數(shù)值分析模型，比較數(shù)值模型和試驗模型的結果，如圖5所示，模型試驗結果和數(shù)值模擬結果吻合良好，從而驗證模型的可靠性。

4 數(shù)值計算及分析

間接空冷塔主要尺寸參數(shù)見表1，散熱器外沿直徑比零米直徑大10 m。冷卻塔運行工況主要參數(shù)見表2，包括設計工況和夏季工況。

表1 冷卻塔塔型參數(shù)

表2 運行設計相關參數(shù)

4.1 流場特性分析 圖6給出了夏季工況無輔機時冷卻塔內(nèi)外流場分布。冷卻塔內(nèi)的空氣溫度較高，且分布均勻；冷空氣由散熱器進入到冷卻塔后，靜壓最小，在浮力效應作用下由冷卻塔出口流出，靜壓逐漸恢復到環(huán)境大氣壓；空氣流速在冷卻塔殼體上部分布均勻，在冷卻塔出口后在浮力作用下空氣流速增大。

圖6 無輔機條件下間冷塔內(nèi)外流場分布特性（vw=0m/s，夏季工況）

圖7和圖8分別給出了環(huán)境風為0 m/s、夏季工況、輔機占1個扇區(qū)后對溫度和速度分布的影響。因為輔機進水溫度低于主機（輔機進水溫度為43.0℃，主機進水溫度為63.2℃），所以由輔機扇區(qū)進入的冷卻塔的空氣溫度較低，由主機扇區(qū)進入冷卻塔的空氣較高。低溫空氣密度較大，上升動力較小，流動方向偏水平方向；高溫空氣密度較小，上升動力較大，流動方向偏豎直方向；冷、熱兩股氣流在塔內(nèi)摻混，導致塔內(nèi)空氣流動混亂；且由于空氣上升速度分布不均勻，導致出口局部區(qū)域出現(xiàn)輕微的冷空氣倒吸現(xiàn)象。

圖7 輔機占1個扇區(qū)對1000MW機組冷卻塔（12個扇區(qū)）溫度場影響（vw=0m/s）

圖8 輔機占1個扇區(qū)對1000MW機組冷卻塔（12個扇區(qū)）速度矢量分布影響（vw=0m/s）

設計工況中，輔機進水溫度43.0℃，主機進水溫度42.3℃，此時由于二者差異非常小，所以輔機占用1個扇區(qū)后，對流場分布影響可忽略，如圖9。

圖9 設計工況、輔機占用1個扇區(qū)，1000MW機組冷卻塔z=0m剖面流場分布（風速0m/s）

4.2 環(huán)境風的方向影響 圖10給出了夏季工況、輔機占1個扇區(qū)時1000 MW機組冷卻塔（12個扇區(qū)）出水溫度與環(huán)境風速風向關系。根據(jù)圖10可知，環(huán)境風方向?qū)χ鳈C冷卻塔出水溫度影響較?。ㄐ∮?.0℃），對輔機出水溫度影響較大（約為3.5℃）。當來風正對輔機扇區(qū)，輔機出水溫度最低（37.2℃），滿足設計要求；當來風背對輔機扇區(qū)，輔機出水溫度最高（41.0℃），不符合設計要求。將14個環(huán)境風向條件下的出水溫度進行平均，主機出水溫度平均值為53.8℃，輔機出水溫度平均值為40.0℃，皆不滿足設計要求。

圖10 輔機占1個扇區(qū)時1000MW機組冷卻塔（12個扇區(qū)）出水溫度與環(huán)境風速風向關系（夏季工況、vw=6m/s）

4.3 環(huán)境氣溫影響 圖11給出了環(huán)境空氣溫度（干球溫度）對冷卻塔的水溫降幅的影響，圖11中Δtw表示14個環(huán)境風向條件下的平均水溫降幅。當環(huán)境空氣溫度不高于26℃時，輔機水溫降幅的平均值滿足設計要求，但主機不滿足設計要求；當環(huán)境空氣溫度不高于28℃時，主輔機冷卻單元出水溫度均不滿足設計要求。

圖11 環(huán)境氣溫tg對1000MW機組間冷塔主輔機水溫降幅Δtw的影響（夏季工況，風速6m/s）

圖12給出了設計工況條件下，環(huán)境氣溫tg對間冷塔主輔機水溫降幅Δtw的影響，圖中Δtw表示14個環(huán)境風方向條件下的平均水溫降幅。根據(jù)圖12可知，環(huán)境氣溫不高于22℃時輔機出水溫度滿足設計要求，環(huán)境氣溫不高于12℃時主機出水溫度滿足設計要求。上述研究表明，針對設計工況，增加輔機冷卻單元對間冷塔內(nèi)外的流場分布影響較小，但輔機占用一個扇區(qū)后，主機冷卻單元出水溫度高于設計溫度。

圖12 環(huán)境氣溫tg對1000MW機組間冷塔主輔機水溫降幅Δtw的影響（設計工況，風速6m/s）

綜合上述分析可知，對于12個扇區(qū)的1000 MW機組冷卻塔，當輔機占用1個扇區(qū)、自然風速為6 m/s時，設計工況條件下主機出水溫度不滿足設計要求；夏季工況條件下主輔機出水溫度都不滿足設計要求。此外，主、輔機出水水溫降幅都隨環(huán)境氣溫升高而減小，二者呈線性關系。

對于不滿足設計條件的情況，此時仍采用主輔共塔方案，可通過增大散熱器的散熱面積，來提高整體的散熱能力，以滿足設計要求，但可能存在經(jīng)濟性不佳的問題。

5 結論

針對1000 MW機組主輔共塔的設計方案，建立了主輔共塔間接空冷塔的三維數(shù)值模型，研究了環(huán)境氣溫、環(huán)境風速、環(huán)境風向?qū)鋮s塔內(nèi)外流場的影響，分析了空氣溫度對循環(huán)水溫降幅的影響規(guī)律等，主要結論如下：

（1）在夏季工況條件下，輔機占用1個扇區(qū)后間冷塔內(nèi)流場的對稱性被破壞，主機冷卻單元的冷卻性能受到負面影響，間冷塔出口出現(xiàn)輕微的倒吸現(xiàn)象。

（2）在設計工況條件下，輔機占用1個扇區(qū)后對間冷塔內(nèi)流場影響較小，可忽略。

（3）對于12個扇區(qū)的1000 MW機組冷卻塔，當輔機占用1個扇區(qū)、自然風速為6 m/s時，設計工況條件下主機冷卻單元出水溫度不滿足要求；夏季工況條件下主、輔機冷卻單元出水溫度均不滿足要求。

（4）當輔機占用1個扇區(qū)時，環(huán)境風向?qū)o機出水溫度影響較大（3℃～5℃），對主機出水溫度影響減小（1℃～2℃）。當環(huán)境風的方向正對輔機扇區(qū)，輔機水溫降幅最大；反之，當環(huán)境風的方向背對輔機扇區(qū)，輔機水溫降幅最小。

（5）基于上述研究結果，在自然風速較高的地區(qū)，工程中不推薦采用主輔共塔方案。如若采用，較常規(guī)間冷機組，應適當增大間冷塔規(guī)?；蛟黾由崞髅娣e，以滿足出水溫度的要求；而對于受場地影響，冷卻規(guī)模受限的項目，采用主輔共塔方案時應在塔內(nèi)設計噴水或噴霧系統(tǒng)，以便高溫時段對主輔單元翅片或進風進行噴水降溫。