自然通風濕式冷卻塔防凍數(shù)值研究

李永華，李燕芳，魏杰儒，潘昌遠

(華北電力大學能源與動力工程學院，保定 071003)

0 引言

冷卻塔作為電廠重要的冷端設備之一，其正常運行對電廠至關重要。由于我國北方冬季氣溫較低，風速較高，容易使冷卻塔進風口及填料下面等部位結冰。冷卻塔結冰直接影響塔的熱力性能，導致其使用壽命縮短，同時也增加了維修費用［1－2］。目前，北方電廠采用加裝擋風板是防止冷卻塔結冰的常見方式。

但是由于實際冷卻塔尺寸較大以及內(nèi)部流場分布復雜，對其內(nèi)部熱力性能的分析很難采用現(xiàn)場試驗測量的方法。隨著CFD軟件技術的發(fā)展，許多復雜的物理模型可以利用FLUENT軟件模擬分析。

文中利用FLUENT6.3軟件對某電廠600 MW機組自然通風逆流濕式冷卻塔進行數(shù)值模擬研究。通過模擬冷卻塔在不同工況下(進塔水溫分別為17.80 ℃，21.95 ℃，26.77 ℃，30.04 ℃時)的塔內(nèi)流場，分析得出進塔水溫對塔內(nèi)不同特征面水溫的影響規(guī)律，并進一步模擬加裝不同層數(shù)擋風板后冷卻塔內(nèi)的流場的變化，找到進塔水溫和加裝擋風板最佳層數(shù)的關系。從而為優(yōu)化冷卻塔的防凍裝置設計和電廠變工況運行加裝最佳擋風板層數(shù)提供了一定的理論依據(jù)。

1 計算模型

1.1 模型選擇與設置

在自然通風逆流濕式冷卻塔實際運行中，傳熱和傳質(zhì)過程同時進行，而且水向空氣散熱主要是接觸散熱和蒸發(fā)散熱，輻射散熱量很小，因此可忽略不計。根據(jù)冷卻塔介質(zhì)的流動特性和 FLUENT軟件模型的特點，對冷卻塔計算模型作如下設置［3－8］:

1)冷卻塔的雨區(qū)和噴淋區(qū)由于水汽體積比＜10%，因此采用離散相模型。其中空氣為連續(xù)相，采用歐拉法求解;水滴為離散相，采用拉格朗日法計算。

2)冷卻塔內(nèi)填料區(qū)由于分布致密，結構復雜，因此需要采用自定義函數(shù)UDF對其質(zhì)量、動量和能量交換進行求解。

3)采用穩(wěn)態(tài)雷諾應力平均 N－S方程，選用標準湍流模型，其中在輸運方程中考慮浮力項。

4)計算中，控制微分方程的離散化采用了有限差分法中的控制容積公式法，控制方程的對流項采用二階迎風離散格式。

5)流場計算采用SIMPLE算法，F(xiàn)LUENT求解器采用分離隱式。

6)能量方程的收斂精度為10－6，其余方程的收斂精度為10－5。

1.2 離散相模型

1.2.1 連續(xù)相控制方程

機組在穩(wěn)定工況運行時，冷卻塔內(nèi)部和外部流場可按定常流動進行計算。故連續(xù)相的控制方程如下［9－10］:

質(zhì)量守恒方程:

式(1)中:ρ—濕空氣密度，kg/m3;ui—i向速度矢量;源相Sm—由于水滴蒸發(fā)從離散相加到連續(xù)相的質(zhì)量。

動量守恒方程:

式(2)中:P—空氣靜壓，Pa;τij—應力張量;ρgi—i向重力體積力;F—i向外部體積力;ui，uj—i，向速度矢量。

1.2.2 離散相控制方程

在自然通風逆流濕式冷卻塔的噴淋區(qū)和雨區(qū)，循環(huán)冷卻水以水滴的形式自由下落，下落過程中以對流散熱和蒸發(fā)散熱為主。離散相應用拉格朗日法計算，空氣與水滴的熱質(zhì)交換通過相間耦合求解。水滴的溫度變化如下［3］:

式(3)中:Mp—水滴質(zhì)量，kg;cp—水滴比熱，kJ/(kg·K);Tp—水滴溫度，K;Ap—水滴表面積，m2，設定水滴形狀為球形;hfg—水滴蒸發(fā)潛熱，kJ/kg;Tadb—控制體內(nèi)空氣干球溫度，K;h—汽水間傳熱系數(shù)，W/m2·K。

1.3 邊界條件

1.3.1 幾何邊界條件

根據(jù)北方某火電廠600 MW機組的自然通風逆流濕式冷卻塔的實際情況，塔體模型的有關幾何尺寸如下:冷卻塔塔高125 m，環(huán)基外側直徑106.42 m，塔盆直徑 96.42 m，喉部直徑 52.2 m，塔筒頂部直徑57.01 m，進風口高度8 m，填料厚度1 m，進風口處懸掛6層高度為1.33 m擋風板。塔外環(huán)境體計算區(qū)域為直徑為500 m、高度為500 m的圓柱體。

通過Gambit軟件建立冷卻塔的幾何模型并生成總網(wǎng)格數(shù)大約為83萬的計算網(wǎng)格。其中根據(jù)模擬計算精度要求及冷卻塔結構特點，對冷卻塔塔內(nèi)計算區(qū)域采用結構化網(wǎng)格劃分，對塔外環(huán)境計算區(qū)域采用非結構化網(wǎng)格劃分。

1.3.2 物理邊界條件

冷卻塔模型物理邊界條件設置為［3］:圓柱體左側為速度入口，右側為壓力出口，圓柱體上面為壓力出口。塔壁面和地面為無滑移壁面邊界條件。模型過程中考慮重力和浮力的影響，離散相邊界條件在進出口、進風口、水池地面、收水器等邊界均為逃逸，在冷卻塔殼壁面為反射。邊界工況參數(shù)設置如下:空氣干球溫度為－17℃，風速為6 m/s，大氣壓力為100 kPa，循環(huán)水質(zhì)量流率為11 829.7 kg/s，水滴當量直徑為3 mm。物理邊界設置如圖1所示。

圖1 物理邊界

2 計算結果分析

2.1 進塔水溫對塔內(nèi)不同特征面最低水溫的影響

冷卻塔循環(huán)冷卻水進塔溫度，在機組運行時不是一個獨立變量，它受到凝汽器熱負荷、循環(huán)水質(zhì)量流率以及凝汽器總體傳熱系數(shù)等因素的影響，不同工況對應不同的進塔水溫。以上述理論為基礎，對進塔水溫分別為17.80℃、21.95℃、25.97℃、30.04℃的4個工況點進行模擬計算，得出進塔水溫與塔內(nèi)不同特征面最低水溫關系如圖2所示:

圖2 進塔水溫與不同特征面最低水溫的關系

由圖2分析得出，在其他因素不變的情況下，當進塔水溫升高12.24℃，填料下面和進風口上沿面水溫升高9℃，基環(huán)面水溫升高8℃。塔內(nèi)不同特征面的最低水溫升高幅度小于進塔水溫升高幅度。這是由于進塔水溫升高，水滴表面與濕空氣的蒸汽壓力梯度增加，蒸汽擴散系數(shù)增加，傳質(zhì)系數(shù)增加，蒸發(fā)速度加快，換熱量增加。另外，塔內(nèi)空氣溫度和濕度增加，空氣密度減小，因此冷卻塔內(nèi)空氣的浮力增加，空氣質(zhì)量流量增大，傳質(zhì)系數(shù)增加，汽水有效接觸面積增加。

2.2 加裝擋風板對塔內(nèi)空氣場分布的影響

在冷卻塔的進風口處加裝擋風板，將進風口部分或大部分面積封閉，留一部分面積進風，減少進入塔的空氣量，使得冷卻塔內(nèi)空氣和水滴換熱量減少，提高塔內(nèi)溫度，防止結冰。以進塔水溫度為21.95℃工況為例，來說明加裝擋風板對冷卻塔內(nèi)空氣溫度場分布和速度場分布的影響。圖3為填料下面空氣溫度場分布，圖4為進風口上沿面空氣速度場分布。

由圖3(a)和圖4(a)可以明顯地看出，在未加裝擋風板的情況下，冷卻塔內(nèi)填料層下面空氣溫度場和進風口上沿面空氣速度場分布非常不均勻，這就進一步導致汽水換熱不均，從而導致塔內(nèi)溫度偏低，在冬季就會出現(xiàn)冷卻塔內(nèi)結冰現(xiàn)象，影響到冷卻塔的冷卻效率，嚴重時產(chǎn)生結冰破壞，威脅到冷卻塔安全運行。

進一步對比圖3(b)、(c)、(d)和 圖4(b)、(c)、(d)可以明顯看出:隨著擋風板層數(shù)的增加，填料下面空氣溫度場和上沿面空氣速度場分布逐漸趨于均勻。這是由于加裝擋風板后，使得進風口面積減小，進入冷卻塔的空氣量減少，塔內(nèi)填料下面和上沿面沒有受到進入塔內(nèi)冷空氣侵襲，其溫度場和速度場分布較為均勻，改善了保溫條件，使得塔內(nèi)水溫不迅速下降。因此，根據(jù)填料下面空氣溫度場和上沿面空氣速度場分布，在進風口處加裝相應合適層數(shù)的擋風板可以有效防止冷卻塔冬季結冰。

2.3 擋風板對塔內(nèi)水溫的影響

進塔水溫對于擋風板加裝的最佳層數(shù)有一定影響，為了找到機組變工況下加裝擋風板的最佳層數(shù)，分別選取進塔水溫為17.80℃、21.95℃、25.97℃、30.04℃這四種工況進行數(shù)值模擬，得到的擋風板加裝層數(shù)與特征面最低水溫關系如下表所示。

表1 擋風板加裝層數(shù)與特征面最低水溫關系

根據(jù)上表可得，當進塔水溫分別為17.80℃，21.95 ℃，26.77 ℃，30.04 ℃ 時，在未加裝擋風板情況下，填料下面、進風口上沿面、基環(huán)面的水滴最低溫度均在0℃以下，這三個特征面水滴均產(chǎn)生結冰現(xiàn)象。(1)當進塔水溫為17.80℃時，在進風口處加裝4層擋風板后，這三個面的水滴最低溫度分別升高到11℃、9℃、3℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結冰。(2)當進塔水溫為21.95℃時，在進風口處加裝3層擋風板后，這三個面的水滴最低溫度分別升高到8℃、7℃、1℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結冰。(3)當進塔水溫為25.97℃時，在進風口處加裝2層擋風板后，這三個面的水滴最低溫度分別升高到11℃、8℃、1℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結冰。(4)當進塔水溫為30.04℃時，在進風口處加裝1層擋風板后，這三個面的水滴最低溫度分別升高到9℃、7℃、0℃，能夠有效地防止塔內(nèi)結冰。

綜上所述，在進風口處加裝擋風板的層數(shù)隨進塔水溫升高而減少。當進塔水溫分別為17.80 ℃、21.95 ℃、25.97 ℃、30.04 ℃ 時這四種工況下，分別加裝4層、3層、2層、1層為防結冰的最佳擋風板層數(shù)。

3 結論

文中利用FLUENT軟件對某電廠600 MW機組的自然通風逆流濕式冷卻塔建立了比較合理完善的數(shù)值求解模型。通過對數(shù)值模擬結果進行分析，得出以下結論:

1)進塔水溫對塔內(nèi)不同特征面水溫有一定的影響，在其他因素不變的情況下，當進塔水溫升高，塔內(nèi)不同特征面的最低水溫也升高，但升高幅度小于進塔水溫升高幅度。

2)在進風口處加裝擋風板可以減少進入塔內(nèi)的空氣量并改善塔內(nèi)流場分布。隨著擋風板層數(shù)的增加，填料下面空氣溫度場和進風口上沿面空氣速度場分布逐漸趨于均勻，改善了保溫條件，使得塔內(nèi)水溫不迅速下降，有利于防止塔內(nèi)結冰。

3)增加擋風板層數(shù)，使得塔內(nèi)不同特征面的最低水溫相應升高。當進塔水溫升高，擋風板加裝層數(shù)相應減少。并找到了變工況下加裝擋風板來防止冷卻塔結冰的最佳層數(shù)。這對北方電廠冬季防止冷卻塔結冰具有指導意義。

［1］趙振國.冷卻塔［M］.北京:中國水利水電出版社，1996.

［2］史佑吉.冷卻塔運行與實驗［M］.北京:水利電力出版社，1990.

［3］李永華，甄海軍，馬建坤.自然通風濕式冷卻塔加裝擋風板優(yōu)化設計［J］.應用能源技術，2011，(11):44－48.

［4］王凱.自然通風濕式冷卻塔進風口空氣動力場數(shù)值模擬及阻力研究［D］.山東:山東大學能源與動力工程學院，2006.

［5］游江，周亞素，趙敬德，等.不同環(huán)境工況下密閉式冷卻塔的數(shù)值模擬［J］.建筑節(jié)能，2009，37(9):26－28.

［6］周蘭欣，蔣波，陳素敏.自然通風濕式冷卻塔熱力特性模擬［J］.水利學報，2009，4(2):208 －209.

［7］張學蕾，張明智，劉樹化，等.冷卻塔冷卻性能的評價模型［J］.汽輪機技術，2002，44(5):299 －303.

［8］王未凡.機械通風式橫流冷卻塔的數(shù)值模擬［D］.山東:山東大學，2006.

［9］FLUENT:User′s Guide［M］.Fluent Inc.2003.

［10］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.