自然通風(fēng)濕式冷卻塔外圍配水運(yùn)行方式模擬研究

王鎖斌，鄧彤天，鐘晶亮，李 翔，李枝林，李晨宇

(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.東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

自然通風(fēng)濕式冷卻塔外圍配水運(yùn)行方式，作為分區(qū)配水的一種特殊形式，具有改造難度小、運(yùn)行操作簡(jiǎn)單和淋水密度較大等特點(diǎn).隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬成為研究冷卻塔的主要手段之一.冷卻塔數(shù)值模型的建立，主要是根據(jù)冷卻塔內(nèi)空氣與循環(huán)水的傳熱傳質(zhì)理論建立物理模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將其編譯到求解器中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔內(nèi)物理場(chǎng)的求解[1-5].有研究表明，不同的配水方式會(huì)對(duì)冷卻塔的冷卻性能產(chǎn)生影響.黃東濤[6]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，填料層的冷卻能力延徑向分布是均勻的，在無(wú)量綱半徑R=0～0.3區(qū)域冷卻能力較弱，在R=0.6～0.94冷卻能力最強(qiáng).金臺(tái)[7]等對(duì)采用圓形和方形配水結(jié)構(gòu)的冷卻塔，分別進(jìn)行了內(nèi)外兩區(qū)的分區(qū)配水模擬，內(nèi)外兩區(qū)配水比為0.384∶0.616，出塔水溫分別下降0.52 ℃和0.59 ℃.李江云[8]等對(duì)超大型冷卻塔進(jìn)行了分區(qū)配水模擬，通過(guò)調(diào)整內(nèi)外區(qū)淋水密度和面積比，得到了換熱效果最佳的配水方案.李洪偉等[9]等通過(guò)三維數(shù)值模擬的手段，將配水區(qū)劃分為內(nèi)中外三部分，通過(guò)調(diào)配三區(qū)的配水量，得出了最優(yōu)分區(qū)配水流量，出塔水溫溫降可達(dá)0.976 K.

分區(qū)配水方向的研究主要是圍繞填料區(qū)冷卻性能差異和最佳淋水密度展開(kāi)，濕式冷卻塔的額定淋水密度范圍為，淋水密度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致冷卻效果惡化，過(guò)低則無(wú)法充分發(fā)揮填料的冷卻能力.在冬季，循環(huán)倍率只有夏季的60%～70%，循環(huán)水系統(tǒng)低流量運(yùn)行[11].在氣溫較低的北方部分地區(qū)，濕式冷卻塔淋水密度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致填料層結(jié)冰.因此，部分電廠通過(guò)外圍配水的運(yùn)行方式，在低循環(huán)水流量下，提高冷卻塔淋水密度，使冷卻塔安全穩(wěn)定運(yùn)行[12-13].此外，盡管是在環(huán)境溫度較高的夏季，在機(jī)組低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，由于排氣參數(shù)降低，所需的循環(huán)水量也會(huì)隨之降低，通過(guò)改變循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式，減少投入水泵數(shù)量，可以在滿(mǎn)足冷卻負(fù)荷的同時(shí)，降低循環(huán)水泵電耗，此時(shí)采用全塔配水的淋水密度往往在額定值以下[14-15]，填料冷卻能力仍有余量，因此在夏季低循環(huán)水量工況下，冷卻塔的配水方案有待進(jìn)一步研究.

本文以西南某電廠夏季低負(fù)荷運(yùn)行工程實(shí)例展開(kāi)，填料熱力特性不均和低循環(huán)水量下冷卻塔的運(yùn)行特性為切入點(diǎn)，對(duì)夏季濕式冷卻塔外圍配水運(yùn)行方式展開(kāi)模擬研究.首先建立了基于CFD軟件Fluent的自然通風(fēng)濕式冷卻塔三維數(shù)值模擬模型，并結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證了模型的有效性，分析外圍配水與全塔配水冷卻塔熱流特性的差異.然后在此基礎(chǔ)上，提出了兩種優(yōu)化方案，以提升外圍配水冷卻塔的冷卻效果，最后通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，得到最優(yōu)外圍配水運(yùn)行方案，為自然通風(fēng)濕式冷卻塔的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考.

1 物理模型和數(shù)值方法

在自然通風(fēng)濕式冷卻塔內(nèi)，空氣與循環(huán)水液滴的傳熱傳質(zhì)過(guò)程主要發(fā)生在噴淋區(qū)、填料區(qū)、和雨區(qū)三個(gè)區(qū)域.空氣在冷卻塔內(nèi)被視為是連續(xù)介質(zhì)，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；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Si為源項(xiàng).對(duì)于循環(huán)水液滴，在噴淋區(qū)和雨區(qū)，液滴體積分?jǐn)?shù)小于10%，采用離散相模型進(jìn)行描述.液滴在氣流中的蒸發(fā)過(guò)程可表示為

dmp=kcApρ∞ln(1+Bm)dt，

(2)

公式中：mp液滴質(zhì)量，kg；kc傳質(zhì)系數(shù)，m/s；Ap液滴表面積，m2；ρ∞空氣密度，kg/m3.

在液滴與空氣的傳熱計(jì)算中，忽略的兩者之間的輻射換熱作用，僅考慮空氣與液滴的對(duì)流和液滴蒸發(fā)過(guò)程，液滴的溫度變化可描述為

mpcpdTp=hAp(T∞-Tp)dt-dmphfg，

(3)

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.

(4)

在填料區(qū)內(nèi)，循環(huán)水在填料翅片上形成液膜，與空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，其過(guò)程較為復(fù)雜，本研究基于Merkel模型的熱質(zhì)交換理論，建立了填料區(qū)的熱力特性模型填料區(qū)的傳質(zhì)系數(shù)可以表示為

βxv=Bgmqn，

(5)

公式中：βxv為內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m3·s)；g為濕空氣的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；q為淋水密度，kg/(m2·s)；B、m、n為試驗(yàn)常數(shù).

單位體填料內(nèi)的蒸發(fā)量可以用公式(8)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(9)計(jì)算.

mevp=βxv(ωsat，Tw-ωa)，

(6)

mevp=βxv(ωsat，Tw-ωsat，Ta)，

(7)

公式中：mevp為填料單位體積蒸發(fā)量，kg/(m3·s)；ωsat，Tw為循環(huán)水滴溫度下濕空氣的飽和含濕量；ωa為濕空氣的含濕量；ωsat，Ta為濕空氣溫度下濕空氣的飽和含濕量.

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，

(8)

Qlatent=mevphfg，

(9)

Qsensible=kh(Tw-Ta)，

(10)

公式中：hfg為水的汽化潛熱，kJ/kg；kh為傳熱系數(shù)，kW/(m3·K)；Tw為循環(huán)水溫度，K；Ta為空氣溫度，K.

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

(11)

(12)

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

2 工程實(shí)例模擬與分析

本文以西南某火電廠2×300 MW機(jī)組所配備的冷卻塔為原型，塔高105 m，出口半徑23.4 m，進(jìn)風(fēng)口上沿高度7.9 m，喉部半徑21.9 m，底部半徑41.6 m，總配水面積4 500 m2，采用內(nèi)外圓區(qū)配水結(jié)構(gòu)，如圖1所示，外圍配水區(qū)寬度D，配水系統(tǒng)平面半徑R，文中采用無(wú)量綱半徑表示所涉及的各種長(zhǎng)度，外圍設(shè)計(jì)寬度D≈0.5R.冷卻塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.建立濕式冷卻塔1∶1的幾何模型，計(jì)算域半徑和高度分別為500 m和600 m.采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)100萬(wàn)后，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)結(jié)果幾乎無(wú)影響.

圖1 配水區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 冷卻塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

本模型的邊界條件設(shè)置如下：環(huán)境計(jì)算域側(cè)面為壓力入口邊界條件，頂部為壓力出口邊界條件，并設(shè)定環(huán)境的溫濕度；地面和冷卻塔塔體設(shè)置為絕熱壁面邊界，配水面設(shè)置為離散相射流源，冷卻塔底部水池設(shè)置為絕熱壁面邊界，且其離散相邊界設(shè)置為逃逸邊界，具體幾何形狀與邊界條件設(shè)置如圖3所示.

圖3 計(jì)算域幾何模型與邊界條件設(shè)置示意圖

該電廠循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制運(yùn)行方式，每個(gè)機(jī)組配備兩臺(tái)定速循環(huán)水泵，在機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)，為了提升機(jī)組的凈收益，運(yùn)行人員將循環(huán)水泵運(yùn)行方式由兩臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行切換為單臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行，并關(guān)閉冷卻塔內(nèi)圈供水閘板門(mén)，由全塔配水轉(zhuǎn)換為外圍配水.調(diào)整后發(fā)現(xiàn)，雖然循環(huán)水泵運(yùn)行方式的調(diào)整使廠用電率與調(diào)整前相比，冷卻塔的出塔水溫升高1 ℃左右，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果[1].

結(jié)合以上工程實(shí)例，我們以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為輸入值，分別對(duì)全塔配水和外圍配水的四種工況進(jìn)行模擬，分析其出塔水溫升高的原因.表1為模擬出塔水溫與實(shí)測(cè)出塔水溫對(duì)比.其中Tdb為進(jìn)塔空氣干球溫度，Twb為進(jìn)塔空氣濕球溫度，Ti為進(jìn)塔水溫，To為實(shí)測(cè)出塔水溫，Ts為模擬出塔水溫.從表中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大相對(duì)誤差為0.63%，最小為0.18%，這表明該自然通風(fēng)濕式冷卻塔的模擬模型所計(jì)算的結(jié)果是有效的.

表1 工程實(shí)例數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果

圖4 填料出口空氣速度輪廓線

分析圖5可以進(jìn)一步得出結(jié)論，由于外圍配水使熱負(fù)荷集中在外圍區(qū)域，填料的高效冷卻區(qū)域(R=0.6～0.94)也隨之變化，即使在空氣流速較高的外圍區(qū)域，C3工況下的出填料層水溫梯度較大且低于C1工況，冷卻效果較差，由填料的熱力特性可知，其他條件相同的情況下，淋水密度越大，循環(huán)水溫降越小，外圍配水由于配水面積減小，導(dǎo)致填料層淋水密度由1.26 kg/s升高至1.7 kg/s，使Δt2下降至7.23 ℃.從表2中可知，全塔配水和外圍配水填料層進(jìn)口空氣溫度和空氣速度相差較小，淋水密度的上升則成為填料層循環(huán)水溫降的主要影響因素之一.

圖5 填料出口循環(huán)水溫度輪廓線

表2 冷卻塔內(nèi)熱流參數(shù)

通過(guò)對(duì)比全塔配水和外圍配水兩種工況的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)外圍配水工況下，冷卻塔在填料區(qū)空氣流場(chǎng)變化較大，導(dǎo)致有效通風(fēng)量下降，同時(shí)由于配水面積減小，外圍配水冷卻塔的淋水密度明顯升高，填料層冷卻能力降低，填料層循環(huán)水溫降下降明顯，出塔水溫升高1.02 ℃.以上兩點(diǎn)為外圍配水方案使冷卻塔冷卻效率下降的主要原因.

3 外圍配水優(yōu)化方案

根據(jù)外圍配水冷卻塔冷卻性能下降的原因，本文提出了兩種優(yōu)化方法：

(1)增大外圍配水面積，使D=0.7R.一方面是因?yàn)樵赗=0～0.3時(shí)，填料區(qū)冷卻效果較差；另一方面，在等循環(huán)水流量下，可以使冷卻塔的淋水密度下降到一個(gè)較為合理的水平，提高填料區(qū)的冷卻能力.

(2)在未配水區(qū)域填料層底部采取擋風(fēng)措施，使更多的空氣流入填料外圍區(qū)域與循環(huán)水傳熱傳質(zhì)，增大有效通風(fēng)量.

根據(jù)以上優(yōu)化方法，根據(jù)外圍配水區(qū)域?qū)挾群陀袩o(wú)擋風(fēng)裝置，提出了三種方案，具體如表3所示.接下來(lái)對(duì)模擬結(jié)果對(duì)比分析.冷卻塔中心X-Y速度分布等值線圖如圖6所示.C3工況由于外圍熱負(fù)荷較大，中心區(qū)域無(wú)配水，在填料層上部，冷卻塔中心位置空氣流速較低，兩端流速較高.C3與C5工況相比，由于加裝擋風(fēng)板的緣故，使冷卻塔填料上方上空氣低速區(qū)向下移動(dòng)，冷卻塔上部空氣流場(chǎng)呈向中心匯合趨勢(shì)，但空氣流速較前者有所降低.C6和C7對(duì)比可得出類(lèi)似結(jié)論，只是與C5相比，C7工況下由于D的增加，塔上部整體流速較為均勻，低速區(qū)消失.與C3工況相比，C6工況由于D的增加，填料區(qū)上方中心區(qū)域低速區(qū)變小，外圍高速空氣在喉部處匯合，內(nèi)流場(chǎng)速度梯度較小.

表3 工程實(shí)例數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果

圖6 四種工況X-Y平面速度分布

表4 冷卻塔內(nèi)熱流參數(shù)

圖7 X-Y平面物理量輪廓線

五種工況下噴淋區(qū)填料區(qū)和雨區(qū)的循環(huán)水溫降如圖8所示，從整體上看，五種工況下噴淋區(qū)溫降相差不大，差異主要集中在填料區(qū)和雨區(qū).與C1工況相比，C3和C5工況下冷卻塔出塔水溫較低，而C6和C7工況的出塔水溫要高于C1，由于D增大，C6和C7工況下冷卻塔的淋水密度剛好達(dá)到設(shè)計(jì)淋水密度的下限，充分發(fā)揮了填料的冷卻能力.與C3和C6工況相比，C5和C7工況的出塔水溫分別降低0.15 ℃和0.18 ℃，說(shuō)明加裝擋風(fēng)板對(duì)冷卻性能有所提升.同時(shí)，外圍配水填料區(qū)的平均流速較高，這使得與全塔配水相比，其冷卻能力更強(qiáng)，而擋風(fēng)板的引入，則使流經(jīng)填料區(qū)的空氣流速進(jìn)一步擴(kuò)大，有效通風(fēng)量Ge更高.

圖8 噴淋區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)的循環(huán)水溫降

經(jīng)以上分析，不難發(fā)現(xiàn)，將外圍配水面就由0.5R擴(kuò)大至0.7R，使填料冷卻能力增強(qiáng)，且加裝擋風(fēng)板后，冷卻能力還可進(jìn)一步擴(kuò)大，與全塔配水相比，優(yōu)化后的C7工況的出塔水溫降低0.43 ℃，冷卻效果提升較為明顯.

4 結(jié) 論

本文首先建立了自然通風(fēng)濕式冷卻塔的三維數(shù)值模擬模型，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)外圍配水冷卻塔進(jìn)行了模擬，得到了外圍配水冷卻塔內(nèi)部物理場(chǎng)，分析了外圍配水冷卻塔的熱流特性，針對(duì)其特性提出了優(yōu)化方法，并得出以下結(jié)論.

(1)與全塔配水相比，雖然外圍配水冷卻塔填料區(qū)空氣流速較高，但由于部分空氣從未配水填料層流出，參與填料內(nèi)氣水換熱的有效通風(fēng)量下降，且由于配水面積減小，致使單位體積填料內(nèi)循環(huán)水溫降下降，綜合以上兩點(diǎn)，與全塔配水相比，外圈配水的出塔水溫上升約1.1 ℃.

(2)在低循環(huán)水流量工況下，適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大外圍配水寬度可以使淋水密度處于較為合理水平，同時(shí)由于外圍平均空氣流速較高，填料冷卻性能得到充分發(fā)揮，與優(yōu)化前和全塔配水相比，優(yōu)化后出塔水溫分別降低1.26 ℃和0.25 ℃.

(3)在未配水填料區(qū)底部設(shè)置擋風(fēng)裝置，可以增大流經(jīng)配水填料區(qū)的通風(fēng)量，使填料的能卻能力進(jìn)一步提升，在外圍配水寬度為0.7R時(shí)，加裝擋板后出塔水溫與優(yōu)化前和全塔配水相比，分別降低1.44 ℃和0.43 ℃.

以上結(jié)論均為通過(guò)CFD手段得出的理論上的優(yōu)化方案，外圍配水優(yōu)化方案的實(shí)際應(yīng)用有待進(jìn)一步研究.