發電廠冷卻塔弧形布置填料層的特性分析

趙文升，肖龍躍，丁曉冬(電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市071003)

發電廠冷卻塔弧形布置填料層的特性分析

趙文升，肖龍躍，丁曉冬
(電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北省保定市071003)

填料是自然通風濕式冷卻塔最主要的換熱部分，其換熱量占冷卻塔總換熱量的60%～70%，具有很大的節能潛力。針對填料層的布置方式，提出了用弧形填料層替代傳統水平布置填料層的構想，并借助Fluent模擬軟件，建立了濕式冷卻塔弧形填料層的傳熱傳質模型。研究對比了不同弧度的填料層布置對冷卻塔熱力性能的影響，并計算分析了不同環境側風下，弧形填料層冷卻塔內空氣流場、出塔水溫等參數的變化。研究結果表明:與傳統的水平布置相比，弧形布置填料層增加了一部分換熱面積，改善了雨區空氣流場，從而增加了冷卻塔的換熱量，使冷卻塔抽力增加，出塔水溫降低;在環境側風條件下，這種改善效果更加顯著，以填料層弧度0.12 rad為例，當環境風速6 m/s時，出塔水溫最高可降低0.36℃。

冷卻塔;弧形填料層;弧度;側風;數值模擬

0 引言

自然通風濕式冷卻塔以其優秀的冷卻性能，廣泛應用于火電機組循環冷卻水的冷卻，其冷卻性能的高低直接影響著電站機組的安全運行和經濟效益。以300 MW機組為例，出塔水溫度每降低1℃，可使機組真空提高400～500 Pa，發電標準煤耗下降1.0～1.5 g/(kW·h)［1］。國內外學者對填料做了大量的研究工作，材料方面逐漸發展為聚氯乙烯(polyvinyl chloride polymer，PVC)塑料材質，表面形式主要有點滴式、薄膜式和點滴薄膜式［2］。Kr?ger［3］指出均勻布置方式并不是最優布置方式，優化填料層布置，可以有效地增強冷卻塔換熱性能。黃東濤［4］指出填料外緣進風量大，換熱效率高，而內緣區域進風量小，換熱效率低。從充分發揮填料層各個區域的冷卻能力考慮，對填料層進行分區，分配不同的填料層厚度，出塔水溫最高降低了0.3℃。高福東［5］通過對不同填料優化布置方案的研究，確定了在一定程度上增大填料總換熱面積，可以降低出塔水溫。此外，冷卻塔的換熱性能極易受到環境側風的影響。高明［6］通過對自然通風濕式冷卻塔冷卻數隨環境側風的變化研究，表明當環境風速為3.5 m/s時，冷卻效率降低約11%。因此，降低側風對冷卻塔的影響，對提高換熱性能具有重要意義。趙元賓［7］研究了在環境側風下，填料非均勻布置對冷卻塔冷卻性能的影響，結果表明，在0～5 m/s自然風條件下，填料非均勻布置方式可使出塔水溫降低0.105～0.288℃。但以上研究還是局限在填料層的水平布置，具有一定的局限性。

本文以冷卻塔相關理論為基礎，首次建立填料層弧形布置的三維數值計算模型［8］，以揭示弧形填料層下，冷卻塔內空氣流場，通風量和水溫的分布及變化趨勢。

1 研究對象

自填料型冷卻塔誕生以來，填料層的布置形式就一直采用水平布置，主要因為水平布置冷卻塔的安裝維護方便。然而，從冷卻塔冷卻性能上講，水平布置并不是最優的布置方式。近年來，隨著大功率機組的不斷發展，對配套的冷卻塔性能要求也越來越高。研究新式弧形布置填料層的流動和換熱性能，對提高大型機組的經濟性和安全性有重要的工程應用價值。

本文所選用的冷卻塔的塔筒高度為175 m，喉部高度為140.2 m，喉部高度與塔總高度比為0.8，進風口高度為12 m。塔筒頂部直徑為83.4 m，喉部直徑為76.34 m，0 m處直徑為130.88 m，塔總高與底部直徑比為1.33，填料厚度為1.2 m，淋水面積為13 200 m2［9］。

弧形填料層的布置可采用上凸形和下凹形2種形式。通過對弧度為0.09，0.12，0.15，0.18，0.21，0.24 rad的弧形填料層的研究，結果表明:在配水高度不變的情況下，采用上凸形填料層的冷卻塔的通風量、雨區風速等因素較水平布置填料層都有一定程度的提高，冷卻塔出塔水溫有所降低。但和下凹型填料層布置形式的模擬結果相比，兩者差別不大。由于噴水高度的限制，采用上凸形的填料向上彎曲弧度會受到限制。故下述模擬結果分析均為下凹形填料層布置形式(圖1所示)。

2 數值模型及邊界條件

2.1 數值模型

根據研究對象的結構特點，確定的計算區域為直徑500 m，高度500 m的圓柱體。

由于冷卻塔汽水兩相熱量交換主要發生在噴水層、填料層、收水層和雨區。因此對以上區域進行細網格劃分，而對塔筒和環境采用大網格劃分，以優化計算模型。保證在一定的網格數量下，計算主要集中在熱量交換的區域，從而減小計算誤差。通過對幾種不同網格數量的模型進行模擬，最終確定的網格數量為92萬左右［10］。

由于填料層的結構比較復雜，氣液兩相的流動和傳熱傳質過程都比較復雜。研究采用Kloppers提出的關于填料層厚度為1.2 m的熱力特性模型［11］(式1)和對應的壓力損失系數表達式(式2)。

式中:Mep為Merkel數;Lfi為填料高度，m;A為汽水接觸面積，m2;Mw為淋水密度，kg/(m2·s-1);Ma為空氣質量流率，kg/s;Kp.fi為壓力損失系數。

2.2 邊界條件及計算方法

2.2.1 邊界條件

無環境側風，計算域邊界為壓力入口邊界條件，頂部為壓力出口邊界條件。有環境側風時，環境迎風側為速度入口，背風側和頂部為壓力出口，如圖2所示。

地面和冷卻塔殼體設為墻體，水池面為逃逸，冷卻塔外殼壁面為反彈［13］。在環境出入口，收水層邊界為離散相邊界條件。

2.2.2 計算方法

根據冷卻塔及填料層的特點，研究采用氣液兩相定常流動，空氣為連續相，水滴為離散相，噴水層、收水層和填料層為多孔介質。選擇k-ε湍流模型，在輸運方程中考慮了浮力相［14］。計算采用典型的Simple算法，離散化采用控制容積法，并通過UDF自定義函數，模擬水滴下落速度及冷卻塔出水溫度的變化。

3 計算結果分析

3.1 不同弧度填料層對冷卻塔的影響

采用下凹形填料層，填料層面積的增加會增加換熱面積，加強換熱，同時也會增加冷卻塔的通風阻力，使進風量減少。通過計算發現:不同弧度的填料層與水平布置的填料層面積變化很小，以0.12 rad為例，弧形布置填料層的面積只較水平布置增加了0.05%，面積變化所對應的換熱性能變化較小。本研究的重點在于填料層形狀改變所導致的雨區空氣流場變化引起的冷卻塔換熱性能的變化。

由于冷卻塔換熱量的30%～40%發生在雨區，所以雨區風速也是論證冷卻塔換熱性能高低的一個重要指標。風速的增加有助于增強雨區和填料區的換熱。圖3分別截取了雨區高6 m處，壓力入口條件下，水平布置填料層的速度分布和下凹弧度0.12 rad的填料層速度分布。由圖3可知，無論是雨區外圍還是中心區域，填料層下凹型布置的雨區空氣流速較水平布置均有一定程度的提高。

冷卻塔通風量和出塔水溫隨填料層弧度的變化規律如圖4所示。

由圖4(a)可知:當填料層彎曲弧度較小時，填料層與入口風向夾角較小，增加了進風口空氣漩渦擾動，對冷卻塔進風產生了干擾。冷卻塔通風量較水平布置方式有所降低。隨著弧度的增加，通風量開始增加。可見小的彎曲弧度會阻礙冷卻塔的進風。當彎曲弧度為0.12 rad時，通風量比水平布置增加了2.01%。隨著填料層彎曲弧度的繼續增大，在一定范圍內，通風量幾乎保持不變。

由圖4(b)可知:當填料層彎曲弧度較小時，出塔水溫和通風量呈現相反的變化，通風量降低，冷卻塔出塔水溫升高。隨著弧度的增加，出塔水溫開始降低。當彎曲弧度為0.24 rad時，出塔水溫最高降低了0.186℃。隨著填料層彎曲弧度的繼續增大，出塔水溫有所降低，但降低趨勢減小。

當填料層下凹弧度大于0.24 rad時，冷卻塔通風量、出塔水溫等參數變化幅度較小，改善效果并不明顯。并且弧度越大，所需要的填料層面積將增加，冷卻塔填料層和配水系統的建設安裝及運行維護成本也相應提高。因此，弧形填料層的弧度應該保持在0.09～0.12 rad。

3.2 環境側風對弧形填料層冷卻塔的影響

環境側風對冷卻塔的冷卻性能影響很大，以環境側風3.5 m/s為例，冷卻塔冷卻效率降低約11%［6］。所以，減小側風對冷卻塔的影響至關重要。圖5為0.12 rad填料層冷卻塔在5種不同風速的環境側風下，其通風量和出塔水溫的變化。

由圖5可知:(1)隨著側風風速的增加，通風量先減小后增加，出塔水溫先升高后降低。原因是在無風時，冷卻塔進風流場最均勻，換熱效果最好，而隨著風速的增加，橫向風破壞了流場的均勻性，使換熱效果急劇惡化。隨著風速的進一步增加，當風速大于6 m/s時，塔內氣流紊流強度增加，強化了氣液間的換熱，相應的換熱能力有所提高。(2)隨著環境風速的增加，下凹型填料冷卻塔通風量和出塔水溫的變化與水平布置變化趨勢相似，但是變化趨勢較為平緩。以出塔水溫為例，無風時，兩種類型冷卻塔的差值為0.168℃，而側風下的差值最高為0.36℃。

圖6給出了傳統水平布置填料層和下凹0.12 rad填料層，在環境側風2 m/s條件下，填料下表面的溫度分布圖。由圖6可知:在環境自然風條件下，冷卻塔內氣水參數不再呈軸對稱分布［15-17］，圖6(b)中心紅色高溫區域面積明顯少于圖6(a)中的面積。其主要是因為弧形的填料層布置，改變了雨區的空氣流場，優化了冷卻塔進風，使空氣流速增加，填料中心區域換熱增強;同時填料面積的增加，也增強了塔內換熱，冷卻塔抽力增加。分析結果表明:采用下凹形填料層的冷卻塔更能適應環境風速的變化，有利于提高機組的經濟性和安全性。

4 結論

(1)弧形填料層的布置方式可以提高冷卻塔的換熱，增加通風量，降低冷卻塔的出塔水溫，提高大型機組的經濟性和安全性。

(2)隨著彎曲弧度的逐漸增加，冷卻塔通風量先降低，后增加，并在一定范圍內基本保持不變。冷卻塔出塔水溫先升高后降低，最高可降低0.168℃。建議采用的填料層彎曲弧度為0.09～0.12 rad。

(3)弧形填料可有效改善側風條件下冷卻塔的換熱效果。當環境側風為6 m/s時，出塔水溫最高可降低0.36℃。

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(編輯:蔣毅恒)

Characteristic Analysis on Arc-Shaped Packing Layer of Cooling Tower in Power Plant

ZHAOWensheng，XIAO Longyue，DING Xiaodong
(Ministry of Education Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China)

Packing is themost important partof the heatexchanger in natural draftwet cooling tower，which accounts for 60%-70%of the total heat transfer，so it has a great potential in energy saving.According to the arrangement of packing layer，this paper put forward the idea that used arc-shaped packing layer instead of traditional horizontal packing layer; established a heat and mass transfer model for the arc-shaped packing layer in wet cooling tower with using simulation software Fluent.Then，the impactof packing layer arrangementwith different radians on the thermal performance of cooling tower was studied and compared;the relevant parameters＇changes of arc-shaped packing layer in wet cooling tower，such as air flow field and outletwater temperature，were calculated and analyzed under different natural crossw ind conditions.The research results show that:the arc-shaped packing layer can increase the heat exchange area，improve the air flow field in rain zone，thus increase the heat exchange quantity and pumping power of cooling tower，and reduce the outlet water temperature;this improvement ismore significantunder natural crosswind conditions.In the case of 0.12 rad packing layer，when the naturalwind speed is 6 m/s，the outletwater temperature can be reduced up to 0.36℃.

cooling tower;arc-shaped packing layer;radian;crossw ind;numerical simulation

TM 621.7

A

1000－7229(2014)11－0127－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.022

2014-06-30

2014-07-31

趙文升(1969)，男，副教授，主要從事汽輪機設備狀態監測與運行優化、直接空冷系統的結構優化等研究工作;

肖龍躍(1988)，男，碩士研究生，主要從事濕式冷卻塔填料的研究;

丁曉冬(1990)，男，碩士研究生，主要從事熱電廠熱經濟性、熱電負荷分配算法及其分配系統的研究。