淺談側風對自然通風空冷塔冷卻性能的影響

摘要：我國水資源相對貧乏，節約用水，保護水資源日益受到高度重視。在我國北方富煤貧水地區大力發展采用空冷技術的節水型發電機組，是我國合理利用能源，加快電力事業發展的一項重要內容。本文以散熱器塔外豎直布置的雙曲線型自然通風空冷塔為主要研究對象，采用起初三維數值模擬的方法，研究了空冷塔內外流場、空冷散熱器的溫降分布在側風條件下的變化情況，初步總結了側風影響空冷塔空氣流量和散熱性能的規律曲線和計算公式。

關鍵詞：空冷塔 三維模擬 側風 雙方程湍流模型

0 引言

與采用濕式冷卻塔的常規冷卻系統相比，空冷系統的冷卻性能受環境條件的影響更大，對環境氣溫和自然風的變化更加敏感。空冷機組全年安全、經濟運行，很大程度上受到了邊界條件變化的制約。以國內某電廠的海勒式間接空冷系統為例，全年有將近2500h(年平均)，因大風造成機組帶負荷能力下降，占全年實際帶負荷小時的一半以上。同時，由于側風的影響隨機性大、干擾因素多，給現場測量和數據整理工作帶來極大的困難，目前還很難給出十分精確的計算公式。因此，研究側風對自然通風空冷塔運行性能的影響，具有重大的現實意義。

1 數值計算方法

1.1 控制方程和求解方法 對空冷塔運行的數值模擬是涉及到熱量交換的具有復雜邊界的三維流動問題，計算中認為塔內外的流場是統一的湍流流動，描述流動的方程是穩態不可壓縮流體的湍流時均控制微分方程。湍流的計算采用了目前工程計算中應用廣泛的K-ε雙方程模型，所求解的微分方程的通用形式為：

div(ρuΦ-ΓΦgradΦ)=SΦ

其中ρuΦ表示對流輸運，ΓΦgradΦ表示擴散輸運，2項之和成為總通量。ρ、u、ΓΦ、SΦ分別是密度、速度矢量、擴散系數和單位容積內的源項。其中gj是體積力源項，本文主要考慮浮升力，fj為流動阻力。控制微分方程的離散化采用了有限容積公式法，其中對流項的離散采用了上風差分格式，并采用了交錯的網格離散化動量方程。流場的計算采用了SIMPLE算法。代數方程組的求解采用迭代法，其中對于壓力校正方程，應用混合法，即x與y平面上的逐面法和z方向的TDMA法相混合，其它變量則應用x與y平面上的逐面法求解。

1.2 網格的劃分 海勒式空冷系統采用空冷散熱器塔外豎直布置的方式，散熱器部分形成圓柱面，其上的塔筒部分是以移軸雙曲線為母線的曲面。計算中采用了非均勻、非正交的貼體坐標網格系統，并與直角坐標網格相對應。其中x為角度方向，單位為弧度，y沿半徑方向，z沿高度方向，單位均為米。

1.3 換熱及進塔阻力的計算 文中參照海勒式空冷系統的熱力計算和空氣動力計算的方法來計算加熱量和進塔阻力，其中通過冷卻柱單位陷害風面積的空氣流量L1由進塔風速V1按空冷塔入口的幾何參數換算得出，換熱的計算采用算術平均溫壓法，使加熱源項具有負斜率的良好形式。在最后一次迭代計算時，取塔筒內某一水平截面，由各點的垂直流速和當地密度計算塔內的空氣流量，同時根據該處的焓升值，計算加熱量。在程序收斂時，這個加熱量和空冷塔入口處空冷散熱器的散熱量一致。

1.4 程序的編制 計算程序的編制是在大型通用程序PHOENICS的基礎上進行的。其中網格生成、密度計算、加熱源項計算和進塔空氣阻力源項計算部分的程序用FORTRAN語言編寫，對問題的全面描述則采用PHOENICS的格式和輸入語言PIL。

2 算例分析

2.1 計算條件 參照國內某空冷機組的運行參數的當地氣候條件設置計算點如下：

環境大氣干球溫度20.11℃

環境大氣壓力87840Pa

環境大氣焓值20206.5J

環境大氣密度1.0442kg/m3

空冷塔進水溫度49.8℃

初始溫差ITD29.7℃

單柱循環冷卻水流量96.9t/h

分別計算了風速為0、2.40、4.60、6.60和8.50m/s的情況。計算中側風的風速沿垂直高度循冪次律變化，風速值均指距地面10m高度的水平風速。

2.2 塔內外壓力差的變化 環境空氣在流經空冷散熱器進入空冷塔時被加熱，密度減小，受浮升力的作用而向上流動，從而在塔內形成低壓，空冷散熱器兩側的壓力差成為空氣入口的抽吸力，將塔外冷空氣吸入塔內。計算結果顯示，當環境側風風速加大時，空冷塔內外的壓力場均受到影響，特別是塔外壓力場變化明顯。塔內的壓力隨著側風風速的加大而略有降低，塔外則在迎風側和背風側壓力略有升高，而在側區壓力顯著降低，形成塔外負壓區。當風速小于4.0m/s時，負壓區相對壓力不低于-20Pa，與塔內負壓在-80Pa左右相比，影響尚不大；當風速達到8.5m/s時，則塔外最低負壓達到-60Pa以下，使大部分空冷散熱器兩側的壓差小，吸氣能力減弱。

側風的存在對空冷塔內的空氣流量影響很大，特別是當風速大于4.0m/s的時候，空冷塔內的空氣流量隨著環境風速的增大而減幅明顯。風速在4.0m/s以下時，空氣流量的變化也較慢些，空冷塔的運行較為平穩。

2.3 散熱量的變化 計算表明，在較大的環境側風條件下，空冷塔的運行性能受到很大的影響。當風速在4.0m/s以下時，空冷塔散熱量的減少不足5%，運行比較平穩，對運行性能的影響不大。風速在4.0m/s以上時，空冷塔散熱量減幅明顯。當環境風速達到6.6m/s時，散熱量減少近10%；而當風速達到8.5m/s時，散熱量減少近25%。

3 計算公式的整理

傳統的空冷系統設計計算中，主要以環境溫度作為設計計算的依據，即以曲型年的氣溫統計資料為依據，采用一種計算方案，得出一個設計氣溫。這種方法不利于體現環境溫度的變化。一種更為詳細的方法是以大氣溫度及其持續時間做為優化設計的依據，對不同的溫度值分段考慮。這些設計方法并沒有在設計計算中，具體引入環境風的影響，特別是對于那些全年風速統計中，風速在4.0m/s以上占有較長時間的地區，會帶來較大的偏差。

考慮風速的影響必須知道空冷塔的運行參數與環境風速的關系。這種對應關系應以現場實測數據作為導出和檢驗的依據。但由于環境風變化多端，干擾因素較多，目前還很難做到。參考現場數據校正計算模型，對結果數據進行最小二乘法曲線擬合，可以得到空冷塔的通風量和散熱量隨側風風速的變化關系為：

其中x為側風速(10m高度水平面上的風速值)，y1為通風量的百分數，y2為散熱量的百分數，分別以無風時的通風量和散熱量為基準。

對于那些大風天氣較多的地區，在空冷系統的設計計算中，應該考慮大風的影響。計算時應結合環境溫度的分布進行，對溫度分段考慮，對每一段溫度所對應的時間中的風速分布也進行分段計算，修正通風量和散熱量的數值。這種優化設計的計算很大，必須借助于計算機進行。

4 結論

通過數值模擬的方法研究了側風對空冷塔內外的壓力場、各散熱段的水溫降以及空冷塔空氣流量和散熱量的影響，計算獲得的結果與原型塔的部分實測資料基本吻合。計算結果表明，當風速較小時(在4.0m/s以下)，側風對空冷塔散熱性能的影響不明顯，空冷塔能夠保持平穩運行。而在較大風速時，空冷塔的散熱能力明顯下降。側風影響的主要體現是使散熱器兩側的壓差發生變化，特別是側后區壓差降低，進氣流動減弱，使空冷散熱器各扇段水溫降發生變化，側后區散熱能力降低。

根據計算結果，可以得到空冷塔通風量和散熱量隨溫度變化的計算公式，可供空冷系統的設計計算和運行時參考。在經常出現大風天氣的地區采用空冷系統，應該在優化設計中考慮大風的影響。

參考文獻：

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