垂直布置間接空冷塔防大風(fēng)研究

陳云，王利民

(1.上海電氣電站工程公司，上海 201199；2.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710100)

0 引言

我國水資源分布不均，在北方地區(qū)，水資源顯得彌足珍貴，節(jié)約水資源被社會普遍關(guān)注。因此，有較大節(jié)水優(yōu)勢的空冷系統(tǒng)在北方地區(qū)得到了迅速的應(yīng)用。然而，空冷系統(tǒng)對環(huán)境風(fēng)速變化的反應(yīng)極其敏感，尤其在風(fēng)速超過4.0 m/s時。當(dāng)風(fēng)速增大的時候，雖然迎著與背著來風(fēng)方向的扇段進風(fēng)量變大，但是由于側(cè)向扇段的進風(fēng)條件惡化，空冷系統(tǒng)的散熱能力反而降低，導(dǎo)致背壓升高，嚴(yán)重時甚至威脅整個機組的安全運行。

空冷塔周邊布置著眾多建筑物，對空冷塔的流動傳熱有影響，有學(xué)者對高大建筑物附近流場情況進行了研究。黃瀅[1]先采用常見缺陷枚舉方法研究流場與模型內(nèi)建筑物的相互影響，得到風(fēng)荷載值，然后利用主流模擬軟件模擬了結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物周邊流場分布。梁向麗[2]采用數(shù)值模擬手段，獲得高層建筑物的流場分布，在此基礎(chǔ)上研究了高層建筑物流場陰影區(qū)、非陰影區(qū)與風(fēng)速的聯(lián)系，以及建筑物外風(fēng)壓的分布與風(fēng)速的聯(lián)系，從而提出了建筑物幾何尺寸與陰影區(qū)最大高度的數(shù)學(xué)關(guān)系式等成果。

關(guān)于外界風(fēng)速、溫度的變化對間接空冷塔流動傳熱性能的影響，南非學(xué)者A.F.duPreez和D.G.Kriiger[3-4]通過研究顯示，側(cè)向風(fēng)的進風(fēng)量、風(fēng)速、空冷塔外形尺寸、高徑比等對空冷塔的流動性能均有一定程度的影響。

最常用三種類型空冷塔散熱器，其換熱及阻力性能各異。孟令國等[5]通過對散熱器翅片、管束及空冷塔不同參數(shù)組合下的散熱器流動傳熱規(guī)律進行研究。趙弦等[6]通過某依托工程，對空冷散熱器所采用的單層、雙層六排管、雙層四排管三種常用的鋁管鋁翅片空冷散熱器進行分析比較，得出結(jié)論:雙層六排管換熱效果最佳，且矮胖型空冷塔經(jīng)濟性更好。席新銘等[7]通過數(shù)值模擬的手段獲得了四排管傳熱與阻力的無量綱關(guān)系式，以及在三塔合一時揭示了風(fēng)速、溫度、煙囪高度、擾流板層數(shù)及間距等因素對間接空冷塔及散熱器的流動和傳熱規(guī)律。趙興樓等[8]對凝汽器扁平管兩種翅片形式進行了研究，其中直翅片管各項性能參數(shù)優(yōu)于蛇形管，對工程實際具有一定參考意義。鄭冠軍等[9]通過數(shù)值模擬研究了環(huán)境風(fēng)對大型間冷塔的影響:風(fēng)速較小時，間冷塔換熱性能較好；大風(fēng)時，散熱性能迅速惡化。

在冬季低溫或是大風(fēng)情況下，一種有效的措施是增設(shè)百葉窗，通過控制扇段進風(fēng)量，從而在冬季能將出塔水溫控制在極限水溫之上，有效防止空冷散熱器凍裂。在大風(fēng)情況下，調(diào)整百葉窗開度控制進風(fēng)量進而防止穿堂風(fēng)對空冷塔散熱性能的不利影響。韓中合等[10]通過Fluent數(shù)值模擬手段研究了某200 MW間接空冷塔側(cè)向風(fēng)對間接空冷塔流動傳熱的影響，控制百葉窗在背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)的開度，得出一系列出塔水溫數(shù)據(jù)，從而歸納出機組安全、穩(wěn)定運行的最經(jīng)濟的百葉窗開度調(diào)節(jié)方案。顧紅芳等[11]通過有限元數(shù)值模擬的手段研究了不同百葉窗開度下冷卻塔出水水溫變化，主要從各個扇段進風(fēng)量與換熱量的關(guān)系角度進行理論分析及模擬結(jié)果分析，提出了空冷機組在低溫環(huán)境下防止凍害的百葉窗調(diào)節(jié)方案。王晗昀[12]基于百葉窗這一有效的防凍手段，采用數(shù)值模擬結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模手段計算出凍結(jié)發(fā)生位置，并給出防凍策略及優(yōu)化措施。張利等[13]通過增加冷卻水流量、調(diào)節(jié)百葉窗開度、對易凍的迎風(fēng)和背風(fēng)扇段覆蓋保溫簾及增加擋風(fēng)墻等措施來研究間接空冷塔在冬季防凍的效果，并得到了在使用各種措施時，為達到最佳防凍效果需采取的對應(yīng)方案。李軍等[14]結(jié)合電廠出現(xiàn)的情況，通過計算流體力學(xué)手段對空冷系統(tǒng)在冬季低溫散熱器出現(xiàn)凍壞情況時進行不同角度模擬分析，改變空冷塔布置間距，調(diào)整各個扇段進風(fēng)量，在一定程度上能改善冬季低溫不利影響。劉曉波等[15]結(jié)合換流站內(nèi)冷卻塔關(guān)于熱風(fēng)回流、冬季防凍等不利影響因素提出了一系列解決措施。段剛和馮海明等[16-17]研究了空冷機組冬季防凍的措施，如在一定負荷下運行、增加電伴熱、合理調(diào)節(jié)風(fēng)機運行數(shù)量等，在實際運行中取得了一定效果。

目前市場上出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的空冷塔，對比傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)空冷塔在諸多方面具有明顯優(yōu)勢，有學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)空冷塔也進行了一定研究。段常智等[18]通過建筑信息模型技術(shù)研究鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔，在施工進度、抗震性能、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟性以及現(xiàn)場環(huán)境等方面有積極效果。丁大益等[19]通過ANSYS工具分析了單層、雙層網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)形式，以及對鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔進行風(fēng)洞及數(shù)值模擬分析，確定風(fēng)荷載取值，為國內(nèi)對設(shè)計高大鋼結(jié)構(gòu)空冷塔奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

綜上可以看出，有學(xué)者從建構(gòu)物附近流場規(guī)律、外界環(huán)境變化對空冷塔的影響、不同類型空冷散熱器的換熱性能及阻力差異、空冷塔冬季防凍、大風(fēng)對空冷塔的影響及鋼結(jié)構(gòu)空冷塔等角度進行了相關(guān)研究。垂直布置間接空冷塔是電廠空冷系統(tǒng)的一種較為常見的布置方式，在風(fēng)速較大的情況下，空冷塔散熱器的散熱能力降低明顯。本文從防大風(fēng)角度對間接空冷塔進行了研究，模擬了四種情況下大風(fēng)對間接空冷塔換熱能力的影響，從而獲得機組在大風(fēng)環(huán)境下能安全、穩(wěn)定運行的解決方案。

本文以某2×100 MW垂直布置間接空冷塔為基礎(chǔ)，建立垂直布置間接空冷塔、塔外加設(shè)擋風(fēng)墻、調(diào)節(jié)百葉窗和塔內(nèi)加設(shè)十字墻四種不同的數(shù)值計算模型。通過比較四種不同模型下的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得一種效果好、操作運行方便的防大風(fēng)措施。

1 空冷系統(tǒng)模型構(gòu)建

1.1 計算模型及結(jié)構(gòu)處理

本文模擬的2×100 MW一機一塔垂直布置間接空冷塔，如圖1所示。塔外設(shè)置擋風(fēng)墻和塔內(nèi)設(shè)置十字墻，如圖2所示。模型主要包括間接空冷塔、空冷散熱器、廠房建筑物和大空間區(qū)域。模型在大風(fēng)速下計算時，為了風(fēng)場達到穩(wěn)定，本次模擬采用1 000 m×1 000 m×500 m的足夠大區(qū)域。為了計算的方便，對整個模型進行合理簡化。由于空冷散熱器的結(jié)構(gòu)及傳熱過程較復(fù)雜，模擬中忽略了空冷單元的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因為本文所研究的角度與空冷散熱器的選型無關(guān)，所以暫不討論，只選擇其中一種進行模擬研究。此外，模型區(qū)域中的廠房建筑物只對流場產(chǎn)生影響，不考慮其發(fā)熱或吸熱。

圖1 2×100 MW垂直布置間接空冷系統(tǒng)計算 模型

圖2 塔外擋風(fēng)墻及塔內(nèi)十字墻示意圖

1.2 邊界條件及數(shù)學(xué)模型

空冷塔周圍一定范圍內(nèi)的風(fēng)場可以簡化為不可壓縮流體，因此模擬該流場應(yīng)滿足如下控制方程。

1)連續(xù)性方程:

2)動量守恒方程:

3)能量守恒方程:

式(1)—(3)中，ρ為氣密度；u為流動速度；p為氣體壓力；μ為空氣動力粘性系數(shù)，i=1，2，3。

另外，上述所建立的模型空間一般情況下處于湍流狀態(tài)。進行模擬時，軟件中湍流模型選擇RNGk-ε模型，該湍流模型采用重整化群理論獲得。RNGk-ε模型模擬分離流與實際比較貼合，而空冷塔周圍流場存在著大量分離區(qū)，因此選用此模型較合理[20-21]。

間接空冷塔內(nèi)散熱器在模型里采用簡單板式換熱器來處理，散熱器的阻力、換熱系數(shù)通過多項式系數(shù)給定。采用大氣層邊界函數(shù)表示沿間接空冷塔高度上平均風(fēng)速的變化。大氣邊界函數(shù)如下:

式中，Zi、Z∞為任意高度和氣流穩(wěn)定時的高度，m；Ui、U∞為Zi處的大氣平均流速和Z∞處的平均流速，m/s；α為地面粗糙度。

本文模擬中的Z∞取10 m，α取0.142 0，根據(jù)某工程業(yè)主提供的氣象資料整理得到。此數(shù)據(jù)通過自定義函數(shù)(UDF)加載后參與模擬。出口邊界采用壓力出口邊界條件。模型中空冷塔周圍建筑物、地面等外表面邊界采用壁面邊界條件，為了簡化模擬，不考慮傳熱，僅考慮對模型內(nèi)流場影響。

1.3 網(wǎng)格劃分

與大空間區(qū)域相比，間接空冷塔及建筑物區(qū)域相對很小，因此網(wǎng)格生成采用分區(qū)域生成。通過關(guān)注重要性角度對整個模型區(qū)域采用有差別的網(wǎng)格類型及間距。圖3是用于計算的網(wǎng)格圖，總的網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。調(diào)節(jié)百葉窗的間接空冷塔與不加措施的間接空冷塔網(wǎng)格圖一樣。

圖3 三種不同模型的網(wǎng)格分布圖

1.4 間接空冷系統(tǒng)區(qū)域劃分及命名

塔外側(cè)空冷散熱器共設(shè)置196個散熱單元。且為了得到較精確的計算結(jié)果，把一周平均分為10個扇段，即每36°設(shè)一個扇段。如圖4所示，以0°開始逆時針取名為扇段1、2、3、……、10。

圖4 間接空冷系統(tǒng)區(qū)域劃分

2 結(jié)果及分析

在四種模型的基礎(chǔ)上，采用環(huán)境溫度14℃，風(fēng)向為正面來風(fēng)(0°方向)，模擬12 m/s和20 m/s風(fēng)速下的流場分布及散熱。由于塔1、塔2位置相對來風(fēng)方向?qū)ΨQ，而且建筑物對塔的影響不是很大，因此塔1、塔2的模擬結(jié)果基本相近。為了方便起見，下文中僅對塔1進行詳細分析，依此可以得到塔2的相關(guān)規(guī)律。根據(jù)來風(fēng)方向，迎風(fēng)扇段為1、10，背風(fēng)扇段為6、7，其余為側(cè)向扇段。

2.1 風(fēng)速12 m/s下的計算結(jié)果

風(fēng)速12 m/s時，四種不同措施下的出水溫度及機組背壓見表1。

表1 風(fēng)速12 m/s時，各種措施下間接空冷塔性能比較

從表1可以看出，對比不加任何措施的間接空冷塔，加措施后間接空冷塔的出口水溫和機組背壓有不同程度的降低，擋風(fēng)墻效果最明顯，降幅分別為1.4℃和0.79 kPa。圖5為四種措施下各扇段的出水溫度。圖6為距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖。

圖5 各扇段出水溫度比較

圖6 距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖

12 m/s風(fēng)速下，沒有采取措施的間接空冷塔的換熱能力很差。從不加措施的速度矢量圖可以看出，環(huán)境風(fēng)流過間接空冷塔時，導(dǎo)致后部繞流脫體，從而強化了背風(fēng)扇段的散熱，因此背風(fēng)扇段出口溫度較低。另外，側(cè)向扇段由于進風(fēng)條件惡化，其出水溫度相較其他扇段的出水溫度高。

間接空冷塔塔外加設(shè)擋風(fēng)墻后，由于擋風(fēng)墻的作用，雖然迎風(fēng)扇段1、10進風(fēng)量減少，出水溫度較高，但其余扇段進風(fēng)條件得到改善，進風(fēng)量比不加措施時有所提高。

間接空冷塔塔內(nèi)加設(shè)十字墻，對比不加措施的間接空冷塔，迎風(fēng)扇段的散熱能力沒有明顯變化。由于十字墻的作用，6、7扇段進風(fēng)量增多，出水溫度有所降低。而3、4扇段由于受塔2的影響，并沒有出現(xiàn)與6、7扇段相同的效果。

而百葉窗調(diào)節(jié)方面，根據(jù)矢量圖和表1可以看出，對降低出口水溫有一定的效果。

總之，加措施后的間接空冷塔散熱能力得到改善。但是只有在主導(dǎo)風(fēng)向明確且常年不變的情況下，擋風(fēng)墻和十字墻才會起到作用，一旦主導(dǎo)風(fēng)向改變，塔的抗大風(fēng)能力就會大大削弱，而百葉窗則不受這些限制，運行時調(diào)節(jié)方便，且對抗大風(fēng)有很好的效果。

2.2 風(fēng)速20 m/s下的計算結(jié)果

風(fēng)速20 m/s時，四種不同措施下的出水溫度及機組背壓見表2。

表2 風(fēng)速20 m/s時，各種措施下間接空冷塔性能比較

從表2可以看出，加措施后間接空冷塔的出口水溫和機組背壓有不同程度的降低。圖7為四種措施下各扇段的出水溫度。圖8為距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖。

圖7 各扇段出水溫度比較

圖8 距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖

20 m/s風(fēng)速下不加措施的間接空冷塔的換熱能力比12 m/s時更差。從其速度矢量圖上可以看出，由于風(fēng)速過高，塔內(nèi)溫度較高的風(fēng)經(jīng)扇段排出塔外，即穿堂風(fēng)，這樣背風(fēng)扇段6散熱能力大大降低。另外，側(cè)向扇段3、8由于進風(fēng)條件惡化，其出水溫度比其他扇段的出水溫度高。

由于擋風(fēng)墻的作用，沒有穿堂風(fēng)的出現(xiàn)，背風(fēng)扇段大大改善，進風(fēng)量增加，4、5、6、7扇段出水溫度降幅9.59℃。另外，由于擋風(fēng)墻的阻擋，迎風(fēng)扇段1、10的進風(fēng)量減少，出水溫度升高。

間接空冷塔塔內(nèi)加設(shè)十字墻后，總出水溫度有所下降。加設(shè)十字墻改善了扇段6、7、8的進風(fēng)條件，進風(fēng)量增加，其出水溫度有一定的降幅。4、5扇段受塔2的影響，出水溫度比不加措施時反而有所升高。

間接空冷塔外設(shè)置百葉窗后，運行時可以隨著氣象條件變化而隨時調(diào)節(jié)，比其他防大風(fēng)措施方便靈活，可以看出，對降低出口水溫也有一定的效果。

總之，在20 m/s風(fēng)速下，加措施后的間接空冷塔散熱能力大大增強。然而，擋風(fēng)墻和十字墻的設(shè)置位置與主導(dǎo)風(fēng)方向密切相關(guān)，只有主導(dǎo)風(fēng)方向明確且常年不變時，擋風(fēng)墻和十字墻的設(shè)置才有意義。

3 結(jié)論

本文通過建立2×100 MW一機一塔垂直布置間接空冷塔模型，模擬了12 m/s和20 m/s風(fēng)速下四種不同措施的空冷塔的流場分布及換熱能力。通過分析可知，在大風(fēng)條件下，塔外加設(shè)擋風(fēng)墻、塔內(nèi)加設(shè)十字墻以及調(diào)節(jié)百葉窗后塔的換熱能力有所提高。加設(shè)措施后，能消除穿堂風(fēng)現(xiàn)象，從而改善背風(fēng)扇段的換熱性能。無論是塔外加設(shè)擋風(fēng)墻還是塔內(nèi)加設(shè)十字墻的間接空冷塔，都需考慮主導(dǎo)風(fēng)方向，一旦主導(dǎo)風(fēng)向改變，塔的抗大風(fēng)能力就會大大削弱，而百葉窗不受這些限制，調(diào)節(jié)方便，對抗大風(fēng)有很好的效果。綜合考慮可知，百葉窗調(diào)節(jié)最方便，不受環(huán)境風(fēng)向的限制，在主導(dǎo)風(fēng)向不明確時建議采用。