大型循環(huán)水涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬及優(yōu)化研究

摘 要 通過對(duì)某石油化工企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)涼水塔內(nèi)部軸流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，掌握涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)的紊流程度對(duì)軸流風(fēng)機(jī)流量、全壓和軸功率的影響規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)建立基于Mixture的涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與CFD數(shù)值模擬結(jié)果的比較分析，驗(yàn)證了所建模型的正確性。通過增加導(dǎo)流罩對(duì)涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)的紊流程度，在軸流風(fēng)機(jī)流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風(fēng)機(jī)冷卻能力）的情況下，實(shí)現(xiàn)了降低軸流風(fēng)機(jī)軸功率，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的目的。

關(guān)鍵詞 涼水塔 內(nèi)部空氣流場(chǎng) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào) TQ053.5 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號(hào) 0254?6094（2024）04?0533?06

近年來，隨著石油化工企業(yè)規(guī)模的大型化，與之相配套的公用工程系統(tǒng)能耗問題變得異常突出。在石油化工行業(yè)，循環(huán)水系統(tǒng)是企業(yè)正常生產(chǎn)不可或缺的必備系統(tǒng)之一，但其整體能耗較大，各種轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備類的耗電量約占石油石化行業(yè)用電量的25%、占能耗總量的8%，因此若能降低循環(huán)水系統(tǒng)自身能耗，對(duì)降低企業(yè)生產(chǎn)能源消耗、促進(jìn)企業(yè)降本增效、提高經(jīng)營(yíng)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

涼水塔作為循環(huán)水系統(tǒng)中重要的設(shè)備設(shè)施，是石油化工企業(yè)特別關(guān)注的能耗裝置。根據(jù)石油化工企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水泵、涼水塔風(fēng)機(jī)是用電大戶，占循環(huán)水系統(tǒng)能耗的95%以上，而涼水塔風(fēng)機(jī)又占循環(huán)水泵和涼水塔風(fēng)機(jī)總能耗的10%～15%左右，因此，重點(diǎn)研究循環(huán)水泵和涼水塔風(fēng)機(jī)的節(jié)能降耗是循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能改造的關(guān)鍵［1］。

常見的涼水塔型式有開式、閉式和填料式?jīng)鏊?。其中，填料式?jīng)鏊c其他涼水塔的工作原理存在細(xì)微差別。填料式?jīng)鏊墓ぷ髟硎牵和ㄟ^布水管上的噴水嘴將循環(huán)水均勻噴灑在塔內(nèi)填料淋水裝置上并向下流動(dòng)，同時(shí)利用風(fēng)機(jī)將外界的空氣吸進(jìn)塔內(nèi)向上流動(dòng)，完成空氣與循環(huán)水的熱量交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水的冷卻?，F(xiàn)階段的填料式?jīng)鏊嬖谝幌盗袉栴}［2］：

a. 填料式?jīng)鏊枰獧C(jī)械通風(fēng)，電能消耗大，運(yùn)行成本高。由于填料式?jīng)鏊枰獙⑼饨绲目諝馕霙鏊袕亩鴮?shí)現(xiàn)水與空氣的對(duì)流換熱，因此循環(huán)水量越多所需的風(fēng)量越大，涼水塔的絕大部分能耗是風(fēng)機(jī)消耗的。一個(gè)完整的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)由電機(jī)、葉片、減速系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。其中，風(fēng)機(jī)葉片的傾斜角可調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)葉片傾斜角度越大，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷越大，但與電機(jī)、減速系統(tǒng)及聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)等部分一樣，其有效功率的效率基本上是固定的，一般隨風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷變化不大，單純降低風(fēng)機(jī)自身的能耗有時(shí)還會(huì)影響循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行（例如，將風(fēng)機(jī)葉片傾斜角度調(diào)小，風(fēng)機(jī)軸功率隨之降低，但可能造成循環(huán)水溫度無法達(dá)到煉油化工裝置的生產(chǎn)工藝要求）。

b. 隨著涼水塔的運(yùn)行，出現(xiàn)了兩方面問題，一方面會(huì)造成填料的老化破損，導(dǎo)致填料堵塞；另一方面，隨著細(xì)菌的滋生以及淤泥的沉淀，在填料表面極易造成循環(huán)水的溝流和束流問題，導(dǎo)致循環(huán)水分布不均勻，最終影響空氣和循環(huán)水的熱交換效率。

針對(duì)涼水塔在運(yùn)行過程中存在的問題，通過運(yùn)行過程中的檢維修就可以解決，但由于風(fēng)機(jī)各系統(tǒng)有效功率的效率基本上是固定的，單純從風(fēng)機(jī)本體角度出發(fā)進(jìn)一步降低其能耗是非常困難的。為此，筆者提出從涼水塔內(nèi)部整體流場(chǎng)的角度出發(fā)，研究進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)能耗，提高涼水塔運(yùn)行效率是非常有必要且較為科學(xué)可行的節(jié)能技術(shù)途徑。

1 風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬對(duì)比

1.1 涼水塔熱力性能及能耗考核標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前，涼水塔熱力性能及能耗考核標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)和西歐相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其中美國(guó)CTI熱力性能認(rèn)證是對(duì)涼水塔換熱效率的認(rèn)可，但忽略了電機(jī)能耗的考核，在當(dāng)下節(jié)能減排的情況下不太適用。

“中國(guó)CCTI性能評(píng)價(jià)”和GB/T 7190.1—2018規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)工況下能耗不大于0.030 kW·h/m3是涼水塔耗電比的硬性指標(biāo)，可見，涼水塔的能耗對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行成本起著重要作用。

涼水塔的能源效率等級(jí)（簡(jiǎn)稱能效等級(jí)）是表示產(chǎn)品能源效率高低差別的一種分級(jí)方法，依據(jù)能效系數(shù)大小依次分為1、2、3、4、5共5個(gè)等級(jí)，表1為涼水塔的能效等級(jí)表。

從我國(guó)現(xiàn)行的涼水塔能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，對(duì)涼水塔耗電比的硬性指標(biāo)要求，會(huì)促使石油化工企業(yè)加大對(duì)大型填料式?jīng)鏊?jié)能減排技術(shù)的改造力度，特別是一些舊填料式?jīng)鏊募夹g(shù)改造，將成為石油化工企業(yè)必須完成的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。

1.2 涼水塔性能參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪某石油化工企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)涼水塔各部件的性能參數(shù)（表2）。圖1為優(yōu)化前后的涼水塔結(jié)構(gòu)尺寸圖。

涼水塔運(yùn)行參數(shù)如下：

干球溫度 28 ℃

濕球溫度 23 ℃

大氣壓 88 540 Pa

進(jìn)口水溫 40 ℃

出口水溫 30 ℃

循環(huán)水量 5 000 m3/h

從近幾年循環(huán)水場(chǎng)運(yùn)行記錄可以得到，涼水塔的運(yùn)行參數(shù)全部在規(guī)定范圍內(nèi)，在不同的運(yùn)行工況之下，涼水塔有效功率的效率始終變化不大。

1.3 涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型及涼水塔優(yōu)化前后風(fēng)阻系數(shù)理論計(jì)算

為進(jìn)一步正確掌握和優(yōu)化現(xiàn)有涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)的流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律，在保持涼水塔軸流風(fēng)機(jī)流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風(fēng)機(jī)冷卻能力）的前提下，通過對(duì)涼水塔內(nèi)部加裝“天圓地方”的導(dǎo)流罩以減小涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)的紊流度，從而達(dá)到降低涼水塔軸流風(fēng)機(jī)功率的目的［3］。

1.3.1 三維模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)涼水塔各部件的幾何性能參數(shù)數(shù)據(jù)，分別建立基于Mixture的涼水塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型［4］，如圖2、3所示。按照有限元網(wǎng)格劃分原則，分別對(duì)涼水塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所劃分的網(wǎng)格單元數(shù)分別為584 766（wedge cells楔形單元）和2 754 675（mixed cells混合單元）［5，6］。

1.3.2 邊界條件及風(fēng)阻系數(shù)理論計(jì)算

根據(jù)建立的涼水塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型，按照涼水塔運(yùn)行工藝參數(shù)要求和涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)原理，邊界條件設(shè)定為：入口設(shè)定為速度入口，速度為5.32 m/s；出口設(shè)定為壓力出口，出口面壓力為0 Pa［7，8］。

在相同動(dòng)力學(xué)模型邊界條件下，計(jì)算涼水塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的風(fēng)阻系數(shù)C為：

C=

式中 Δp——涼水塔風(fēng)機(jī)全壓，Pa；

u——空氣流速，m/s；

ρ——空氣密度，ρ=1.225 kg/m3。

根據(jù)已知參數(shù)，計(jì)算得到?jīng)鏊Y(jié)構(gòu)無導(dǎo)流段優(yōu)化之前涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)風(fēng)阻系數(shù)為4.02，涼水塔結(jié)構(gòu)有導(dǎo)流段優(yōu)化之后涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)風(fēng)阻系數(shù)為3.00。

1.3.3 優(yōu)化前CFD數(shù)值模擬

采用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化前的涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型的CFD數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與涼水塔的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)完全一致，說明涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型是正確的，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

CFD數(shù)值模擬結(jié)果能夠準(zhǔn)確定量掌握涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)的內(nèi)在規(guī)律，特別是能夠反映涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)的紊流程度與軸流風(fēng)機(jī)流量、全壓以及軸功率之間的影響規(guī)律［9～11］。

1.3.4 優(yōu)化后CFD數(shù)值模擬

對(duì)優(yōu)化后的涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)（在涼水塔內(nèi)部加裝“天圓地方”的導(dǎo)流罩）進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，同樣在保持涼水塔軸流風(fēng)機(jī)流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風(fēng)機(jī)冷卻能力）的前提下，空氣從下向上流動(dòng)過程中產(chǎn)生的紊流漩渦極少，這些極少的紊流漩渦隨空氣主流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)基本上不會(huì)增加主流場(chǎng)的紊流度，因此涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)的紊流度減小，有效降低了涼水塔軸流風(fēng)機(jī)的軸功率［12］。

2 優(yōu)化效果

2.1 技術(shù)效益分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪得到的涼水塔各部件幾何性能參數(shù)數(shù)據(jù)，建立基于Mixture的涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與CFD數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析研究，準(zhǔn)確定量得到了涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型和CFD數(shù)值模擬結(jié)果。通過對(duì)涼水塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以非常明顯、準(zhǔn)確地得出，涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在保持軸流風(fēng)機(jī)流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風(fēng)機(jī)冷卻能力）的情況下，能夠有效降低軸流風(fēng)機(jī)的軸功率，并且使風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。同時(shí)，所建立的涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型也為循環(huán)水涼水塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中的性能校核提供了科學(xué)、準(zhǔn)確的理論計(jì)算方法和科學(xué)依據(jù)。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化后，根據(jù)目前的運(yùn)行狀況，對(duì)于一座5 000 m3/h處理量的涼水塔，一年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用15.22萬(wàn)元左右。對(duì)于大型石油化工企業(yè)來說，一般需要配備20～30座

5 000 m3/h處理量的涼水塔，一年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用將高達(dá)228.30～342.45萬(wàn)元左右（一年四季按75%的綜合運(yùn)行臺(tái)數(shù)進(jìn)行計(jì)算）。因此，涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)優(yōu)化改造節(jié)能減排技術(shù)措施的實(shí)施，會(huì)給大型石油化工企業(yè)帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也極大地促進(jìn)了企業(yè)節(jié)能減排工作的落實(shí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

建立了基于Mixture的涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)三維紊流流體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和CFD數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)證了模型的正確性、可靠性，同時(shí)得到了涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)紊流程度對(duì)軸流風(fēng)機(jī)流量、全壓和軸功率的影響規(guī)律。對(duì)涼水塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在涼水塔內(nèi)部加裝“天圓地方”的導(dǎo)流罩，CFD數(shù)值模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后的涼水塔結(jié)構(gòu)降低了風(fēng)機(jī)輸出軸功率，降低了涼水塔的綜合能耗，計(jì)算得到?jīng)鏊L(fēng)機(jī)的輸出軸功率降低了約25.1%，通過流場(chǎng)優(yōu)化改造實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-07-03，修回日期：2024-07-16）

Numerical Simulation and Optimization Study on the Internal

Air Flow Field in Large Circulating Water Cooling Tower

BAI Ting?he 1，2， DA Yu?bo3

（1. CNPC Lanzhou Petrochemical Co.； 2. School of Petrochemical Engineering， Lanzhou University of Technolog；

3. Lanzhou Xigu Urban and Rural Development "amp; Investment Co.， Ltd.）

Abstract " Through simulating and investigating the axial fan’s flow field in the cooling tower of a petrochemical enterprise’s circulating cooling water system， obtaining the effect rule of the air flow field’s turbulence degree which influencing the axial fan’s flow rate， total pressure and shaft power within the cooling tower， having the field surveying and mapping data based to establish a three?dimensional turbulent hydrodynamic model of the air flow field inside the cooling tower was implemented， including comparatively analyzing both actual operation data and CFD simulation results to verify correctness of the model established. The results show that， adding the guiding hood can optimize the structure of the air flow field inside the cooling tower， reduce the degree of turbulence there ; in addition， under the condition of basically keeping the axial fan’s flow rate and full pressure unchanged （without sacrificing the cooling ability of the axial fan）， reducing the axial fan’s axial power and improving its operation stability can be realized.

Key words " cooling tower， internal air flow field， structure optimization， numerical simulation