超大型海水冷卻塔鹽沉積影響數(shù)值模擬研究

摘 要：針對核電項目中的大型海水冷卻塔，采用三維數(shù)值模型，結(jié)合廠址氣象數(shù)據(jù)、冷卻塔設(shè)計參數(shù)、總圖布置以及周圍環(huán)境特征，研究了2 座超大型自然通風海水冷卻塔在建筑物、自然風相互作用下的冷卻塔飄滴擴散遷移特征和鹽沉積量。結(jié)果表明，當環(huán)境風向與塔排平行時，出口熱空氣相互疊加形成一股氣流，有利于減少飄滴和鹽沉積對環(huán)境的影響;粒徑大于550 μm 的飄滴不能從高位冷卻塔出口逸出;2 臺核電機組正常運行工況時，鹽沉積量一般不會對植物造成損壞。

關(guān)鍵詞：飄滴;鹽沉積;海水冷卻塔;環(huán)境風;數(shù)值模擬

中圖分類號：X822. 7 文獻標識碼：A

隨著沿海工業(yè)的飛速發(fā)展及淡水資源的日益緊缺，海水循環(huán)冷卻技術(shù)作為一項環(huán)保型節(jié)水新技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展[1] 。海水冷卻塔運行時，經(jīng)過熱交換后的濕熱空氣攜帶著小的液滴從冷卻塔出口排出形成飄滴，在環(huán)境風的影響下飄向遠處最終落到地面，飄滴所含的鹽類物質(zhì)造成鹽沉積，可對地面上的植物等帶來影響。

目前針對冷卻塔鹽沉積問題常用的研究方法主要為現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬兩種。在現(xiàn)場監(jiān)測研究方面，目前主要通過4 種方法對陸地的鹽沉積量進行監(jiān)測[2] 。沈亞東[3] 采取濕式沉降法測量了某海水塔四季的鹽沉積量，結(jié)果表明風向和風頻率對鹽沉積量有較大影響，鹽沉積的峰值往往出現(xiàn)在主導風的下風向。

數(shù)值模擬方面目前常用方法是季節(jié)/ 全年冷卻塔影響預(yù)測模式（SACTI）[4-9] ，該模型由美國電力研究院開發(fā)，只需給定廠址條件、氣象條件和塔的運行條件就能預(yù)測鹽沉積分布。已有大量學者利用此模型對海水冷卻塔鹽沉積的分布范圍和峰值進行研究，進而評估鹽沉積對周邊植物的危害程度。隨著計算流體力學（CFD） 技術(shù)的發(fā)展，有國外學者開始用CFD 技術(shù)模擬冷卻塔霧羽的抬升與飄滴沉積的規(guī)律。Meroney[10] 通過對比CFD 模擬結(jié)果和現(xiàn)場實驗的示蹤結(jié)果，證實CFD 技術(shù)在預(yù)測霧羽及飄滴軌跡方面的結(jié)果與現(xiàn)場實驗基本一致。Bornoff 等[11] 利用CFD 技術(shù)研究了單塔、多塔不同排列情況下的霧羽抬升情況，對比模擬結(jié)果和風洞試驗結(jié)果認為二者吻合度較好。CFD 技術(shù)和SACTI 模型作為最常用的預(yù)測飄滴及鹽沉積分布的手段，有學者對二者的預(yù)測結(jié)果進行了對比，認為SACTI 模型計算過程中難以體現(xiàn)廠址建筑物及其地形對周圍流場及霧羽遷移擴散的影響，而CFD 技術(shù)具有該方面的優(yōu)勢[12-13] 。本文采用CFD 技術(shù)針對國內(nèi)某電廠的2 座海水冷卻塔，研究了在建筑物、自然風相互作用下冷卻塔的飄滴特性及鹽沉積對周邊環(huán)境造成的影響，研究結(jié)果可為電廠的選址提供技術(shù)參考，對冷卻塔對環(huán)境的影響評價工作具有重要意義。

1 冷卻塔設(shè)置參數(shù)

國內(nèi)某電廠的2 座海水冷卻塔沿南北方向布置，塔的中心間距為250 m，每個冷卻塔的東側(cè)均有兩個低矮建筑，詳見圖1，冷卻塔主要尺寸列于表1，填料采用S 波，填料高度為2 m。循環(huán)海水的含鹽量為2. 8%，考慮濃縮倍率1. 5。

2 數(shù)值計算

2. 1 控制方程

冷卻塔在機組負荷、氣象條件及循環(huán)水量穩(wěn)定運行時，塔內(nèi)外空氣流場按穩(wěn)態(tài)計算，空氣運動方程見參考文獻[14]。填料區(qū)可采用商用軟件Fluent 的多孔介質(zhì)模型，填料的阻力損失系數(shù)見式（1），雨區(qū)采用離散相模型（DPM 模型），空氣對雨滴的阻力按照式（ 2） ～ （ 4） 進行分析。采用MERKEL 模型，分析填料和雨區(qū)的熱交換過程。