自然通風冷卻塔變工況下防凍的數值優化設計

李永華，劉 娟

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

自然通風冷卻塔變工況下防凍的數值優化設計

李永華，劉 娟

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

為了找到我國北方冬季冷卻塔變工況運行時防止塔內結冰的最佳擋風板懸掛層數，論文建立了600 MW機組自然通風逆流濕式冷卻塔的傳熱傳質模型，利用FLUENT軟件模擬并分析了在循環水量不同的工況下，未加裝擋風板以及加裝不同層數擋風板時塔內最低水滴溫度的變化規律。結果表明：(1)隨著擋風板層數的增加，塔內不同特征面上最低水滴溫度均升高，填料層下平面空氣溫度梯度逐漸變小，降低了塔內結冰的可能性；(2)在環境溫度為253.15 K，7 m/s的橫向風速下，當循環水質量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329 kg/s時，防止塔內結冰的最佳擋風板層數分別為5層、3層、3層和1層，這不僅對火電機組的節能降耗具有一定的實際意義，也為擋風板的優化設計提供了理論依據。

冷卻塔；數值模擬；熱力特性；防結冰；擋風板

0 引 言

在電廠實際運行時，冷卻塔的運行狀況受環境條件、機組負荷以及循環冷卻水量等因素的影響而長期處于變工況運行狀態[10]，由于不能很好地根據工況的變化而及時調整擋風板的數量，常會過量懸掛擋風板，使得循環水溫度高于經濟溫度，造成機組真空和機組經濟性降低[4，9]。考慮到在影響冷卻塔變工況特性的因素中，循環冷卻水量對出塔水溫的影響較為明顯[10-11]，因此，文中主要研究當循環冷卻水量不同時，填料層下面、進風口上沿面和基環面上的最低水滴溫度的變化規律，進一步模擬加裝不同層數擋風板后塔內空氣溫度場和最低水滴溫度的變化規律，進而找到循環冷卻水量不同時防止塔內結冰的最佳擋風板層數，這對火電機組節能降耗具有一定的實際意義。

1 數值模擬方法

自然通風逆流濕式冷卻塔中水和空氣的熱交換方式是：流過水表面的冷空氣與水直接接觸，通過接觸散熱和蒸發散熱，把水中的熱量傳給空氣。冷卻塔內循環冷卻水在不同的區域流態也不相同，在噴淋區和雨區為液滴狀，而在填料區多為液膜的形式。針對冷卻塔內介質的流動特性，在噴淋區和雨區，采用離散相模型來模擬水滴和空氣之間的相互作用[11-12]。填料區由于分布致密、水膜流動復雜，其對氣水流場的影響被當做源項采用外接自定義函數求解[13]，選用標準k-ε湍流模型，在輸運方程中考慮了浮力項，控制微分方程的離散化采用有限差分法中的控制容積法，控制方程的對流項采用二階迎風離散格式，流場的計算采用典型的SIMPLE算法，Fluent求解器采用分離隱式。

1.1 連續相控制方程

在噴淋區和雨區，濕空氣為連續相，濕空氣的流動采用歐拉法求解，通用控制方程如下[14]：

(1)

式中：ρ為濕空氣密度，kg/m3；μi為速度矢量，m/s；φ為通用變量，分別表示溫度，K、湍流動能，m2/s2、湍流擴散率，m2/s3、水蒸氣體積濃度，m3/m3以及x、y、z方向的速度分量，m/s；Γφ為廣義擴散系數；Sφ為廣義擴散源項。

1.2 離散相控制方程

由于伊朗中央銀行目前被列入受制裁者名單，所有同伊央行進行商業往來的外國銀行和金融機構，都存在遭受制裁甚至被列入受制裁者名單的風險。對被列入受制裁者名單的主體，可以通過網上向美國政府申訴，海外資產控制辦公室每年在審查后會將上百個主體從名單中除去。因為美國政府認為，制裁的目的“不是為了懲罰，而是為了糾正不正當行為”[9]。

在噴淋區和雨區，采用拉格朗日法計算水滴的軌跡，并通過相間耦合計算水滴與空氣之間的熱質交換。水滴的溫度變化關系式[15]如下：

mwcwΔTw=hAw(Tad-Tw)+hmAw(Cs-C)hfg

(2)

式中：Tad、Tw、Aw、mw分別為控制單元內氣相干球溫度，K、水滴溫度，K、水滴表面積，m2和水滴流量，kg/s；cw為控制單元內水滴的平均比熱容，J/(kg·K)；ΔTw為控制單元內水滴溫度變化量，K；Cs為含1kg干空氣的濕空氣中水滴表面所含水蒸汽的質量；C為含1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸汽的質量；hm為傳質系數，kg/(m2·s)；h為傳熱系數，W/(m2·K)；hfg為淋水蒸發潛熱，J/kg。

1.3 邊界條件

以北方某電廠600MW機組的自然通風逆流濕式冷卻塔為例，其幾何邊界條件如下：塔高125m，基環外側直徑106.42m，塔盆直徑96.42m，塔出口直徑57.01m，喉部直徑52.2m，填料厚度1m，進風口高度8m，計算區域為高度為500m、直徑為500m的圓柱體。

使用Gambit軟件生成冷卻塔的幾何模型以及計算網格，由于不同區域的網格精度要求不同，塔內傳熱傳質區域和進風口區域網格劃分得較密集，塔筒區域和塔外環境區域網格則相對稀疏。經過網格無關性驗證后，確定網格總數約為96萬個。

當有環境側風時，進口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，地面、塔殼壁面和擋風板為無滑移壁面邊界條件。計算中考慮重力和浮力的影響，離散相邊界條件在基環面、收水器、計算區域進出口等邊界均為逃逸，在冷卻塔殼壁面為反射。計算邊界示意圖如圖1所示。

圖1 計算邊界示意圖

2 計算結果分析

對進塔水溫為300.07K，空氣干球溫度為253.15K，橫向風速為7m/s的工況進行模擬，模擬計算的結果如下：

2.1 未加裝擋風板時僅循環水量變化對塔內最低水滴溫度的影響

參考北方某電廠600MW機組的自然通風逆流濕式冷卻塔冬季實際運行時的循環冷卻水量，選取循環冷卻水質量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s的四個工況點進行模擬計算，得到循環冷卻水質量流量與填料下面、進風口上沿面和基環面三個特征面上最低水滴溫度的關系見表1和如圖2所示。

表1 循環水量不同時三個特征面上的最低水滴溫度

圖2 循環水質量流量與特征面上最低水滴溫度的關系

由表1和圖2可知，隨著循環冷卻水質量流量的增加，填料下面、進風口上沿面和基環面上的最低水滴溫度均升高。原因是當循環水質量流量增加時，單位體積控制體內水滴數量增加導致氣水比降低，與單位表面積水滴接觸的冷空氣量減少，傳熱傳質減弱，特征面上的最低水滴溫度升高。

2.2 加裝不同層數擋風板對塔內空氣溫度場的影響規律

在進風口處加裝擋風板，可以減少進塔的空氣量以及循環水和空氣之間的換熱量，從而提高塔內溫度，防止結冰。加裝擋風板后進風口的布置如下：每層擋風板高1.33m，將進風口平均分為6層，從上到下按層數依次加裝擋風板，將第6層留作進風，不懸掛擋風板。

以循環水質量流量為11 830kg/s工況為例,未加裝擋風板和加裝不同層數擋風板后填料下面空氣溫度場如圖3所示。

從圖3可以看出，未加裝擋風板時填料層下平面空氣溫度梯度很大，溫度分布不均導致循環水和空氣之間換熱不均，從而導致塔內最低水滴溫度偏低。加裝擋風板以后，隨著擋風板層數的增加，填料層下平面空氣溫度梯度逐漸變小，空氣溫度分布均勻性得到改善，降低了塔內結冰的可能性。

2.3 循環水量和擋風板層數對塔內最低水滴溫度的影響規律

為了防止冷卻塔結冰而懸掛過多層數的擋風板會導致出塔水溫升高，降低機組的熱經濟性。為了找到循環水量不同時加裝擋風板的最佳層數，選取循環水質量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s的工況進行模擬計算，得到擋風板層數和填料下面、進風口上沿面和基環面三個特征面上最低水滴溫度的關系見表2。

表2 循環水質量流量不同時擋風板層數與特征面最低水滴溫度的關系

從表2可以看出：(1)當循環水質量流量為9 011kg/s未加裝擋風板時，填料下面、進風口上沿面和基環面處最低水滴溫度均小于273.15K，說明此時三個特征平面上水滴均已產生結冰現象，在進風口處懸掛4層擋風板后，基環面處最低水滴溫度為271.35K，仍然無法防止基環面處水滴結冰，在進風口處懸掛5層擋風板后，三個特征平面上最低水滴溫度均升高到273.15K以上，說明當循環水質量流量為9 011kg/s時，在進風口處懸掛5層擋風板剛好可以防止塔內結冰。(2)當循環水質量流量為11 830kg/s未加裝擋風板時，填料下面、進風口上沿面和基環面處均已產生結冰現象，在進風口處懸掛2層擋風板后，基環面處最低水滴溫度為270.69K，仍然無法防止基環面處水滴結冰，在進風口處懸掛3層擋風板后，三個特征平面上最低水滴溫度均升高到273.15K以上，說明當循環水質量流量為11 830kg/s時，在進風口處懸掛3層擋風板剛好可以防止塔內結冰。(3)當循環水質量流量為13 863kg/s未加裝擋風板時，填料下面、進風口上沿面和基環面處均已產生結冰現象，在進風口處懸掛2層擋風板后，基環面處最低水滴溫度為272.63K，仍然無法防止基環面處水滴結冰，在進風口處懸掛3層擋風板后，三個特征平面上最低水滴溫度均大于273.15K，說明當循環水質量流量為13 863kg/s時，在進風口處懸掛3層擋風板剛好可以防止塔內結冰。(3)當循環水質量流量為17 329kg/s未加裝擋風板時，進風口上沿面和基環面處產生結冰現象，在進風口處懸掛1層擋風板后，三個特征平面上最低水滴溫度均大于273.15K，說明當循環水質量流量為17 329kg/s時，在進風口處懸掛1層擋風板剛好可以防止塔內結冰。

由此可見，填料下面、進風口上沿面和基環面三個特征平面上最低水滴溫度隨擋風板層數的增加而升高。在環境溫度為253.15K，7m/s的橫向風速下，當循環冷卻水質量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s時，防止冷卻塔內結冰的最佳擋風板層數分別為5層、3層、3層和1層。防止塔內出現結冰現象的最佳擋風板懸掛層數隨循環冷卻水質量流量的增加而減少。

3 結束語

文中對600MW自然通風逆流濕式冷卻塔未加裝擋風板和加裝擋風板后的熱力過程進行了數值模擬，計算了不同循環水質量流量對應的防止塔內結冰的最佳擋風板懸掛層數，得到以下結論：

(1)未加裝擋風板時，當環境溫度為253.15K，橫向風速為7m/s，循環水質量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s時，塔內產生結冰現象。隨著循環水質量流量的增加，三個特征面上最低水滴溫度均升高。

(2)在進風口處加裝擋風板后，隨著擋風板層數的增加，三個特征平面上最低水滴溫度均升高，填料下面空氣溫度分布逐漸趨于均勻，降低了塔內結冰的可能性。

(3) 在環境溫度為253.15K，7m/s的橫向風速下，當循環水質量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s時，防止冷卻塔內結冰的最佳擋風板層數分別為5層、3層、3層和1層。找到冷卻塔變工況下加裝擋風板的最佳層數有利于火電機組的節能降耗，為擋風板的優化設計提供了理論依據。

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Numerical Optimization Design on Natural Draft Cooling Tower Anti-icing at Off-design Operating Conditions

LI Yong-hua, LIU Juan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Heibei Province, China)

In order to find the optimal layers of windshield boards at off-design operating conditions of cooling tower in winter in the north of China. A heat and mass transfer model of a natural draft counter-flow wet cooling tower for a 600 MW thermal power unit is established. By using the FLUENT software, the changing regularity of the minimum water droplets temperatures in the cooling tower with no windshield boards installed and with different layers of windshield boards installed under different circulating water mass flow rate conditions is simulated. The results indicate that: (1) with the increasing layer of windshield boards, the lowest water droplets temperatures at different characteristic planes will all increase and the air temperature gradient at the bottom surface of fill zone becomes little, thus reducing the icing probability. (2) when the circulating water mass flow rates are 9 011 kg/s, 11 830 kg/s, 13 863 kg/s and 17 329 kg/s respectively at the ambient temperature of 253.15 K and the crosswind velocity of 7 m/s, the optimal layers of windshield boards to avoid water freezing in the tower are 5 layers, 3 layers, 3 layers and 1 layer, which has some practical significance to the energy saving of thermal power units and provides theoretical evidence for optimum design of windshield boards.

Cooling tower; Numerical simulation; Thermodynamic properties; Anti-icing; Windshield board

2015-06-10

2015-07-10

李永華(1961-)，女，教授，主要從事火電機組節能理論及節能技術研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.007

TK264

A

1009-3230(2015)08-0024-06