四塔合一式間接空冷塔傳熱性能的數值研究

周二奇，陳 龍，郝 穎，侯艷峰，張 娜，趙曉莉，李紅莉，李金海（．華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定07003；．河北省電力勘測設計研究院，河北石家莊050000）

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四塔合一式間接空冷塔傳熱性能的數值研究

周二奇1，陳 龍1，郝 穎1，侯艷峰1，張 娜1，趙曉莉2，李紅莉2，李金海2
（1．華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003；2．河北省電力勘測設計研究院，河北石家莊050000）

摘要：四塔合一式冷卻塔是將脫硫吸收塔、濕式除塵器和煙囪布置在塔內的大型冷卻塔。以河北電力勘測設計院承建的某2×660 MW電廠四塔合一式冷卻塔為模型，通過CFD模擬，得到了冷卻塔換熱的溫度場和空氣流場，分析了脫硫除塵設備、自然風風速和煙囪排煙對冷卻塔通風換熱的影響。計算結果表明：無風時，塔內布置脫硫除塵設備對冷卻塔通風量的影響小于0. 5%；煙囪排煙對冷卻塔通風量的影響非常小；風速較大時煙氣接觸冷卻塔的殼體，須做好塔體內外的防腐措施；有風時，脫硫除塵設備可以增大冷卻塔的通風量，隨風速變大，通風量增大幅度最高為11. 4%。結論可為這種復合式冷卻塔的設計和優化提供參考。

關鍵詞：間接空冷；四塔合一；脫硫塔；濕式除塵器；自然風；通風量

0 引言

在富煤少水的三北地區，建有很多空冷機組。將脫硫塔、濕式除塵器和煙囪布置在間接空冷機組的冷卻塔內，構建四塔合一式冷卻塔，能減少電廠占地面積、節省基建成本。

空冷塔流場的研究主要考慮自然環境對冷卻塔換熱的影響。翟志強［1，2］等分析了橫風對自然通風干式冷卻塔的內外空氣流場；趙振國［3］通過風洞試驗研究了改善大風天氣對混合式間接空冷機組空冷塔不利影響的方法；石磊［4－7］等研究分析了間接空冷塔的空氣流場和散熱器的傳熱性能；黃春花［8－11］等通過冷態試驗和計算對間接空冷塔的熱力性能進行了分析研究；楊立軍［12］等對間接空冷系統空冷散熱器的運行特性進行了數值模擬。四合一式冷卻塔的脫硫、除塵和排煙設備體積龐大，煙囪排煙散發熱量，影響冷卻塔的換熱流場。因此，需要研究塔內設備和煙囪排煙及環境風對冷卻塔換熱流場的影響。

采用FLUENT軟件，以在建660 MW機組的四塔合一式冷卻塔為例，分別建立傳統自然通風冷卻塔的初始模型、塔內設備布置方式不同的臥式冷卻塔模型和立式冷卻塔模型。對間接空冷塔的內外空氣流場進行模擬，分析了塔內設備、煙囪排煙和環境風對四合一間接空冷塔傳熱性能的影響。

1 冷卻塔模型

1. 1 物理模型

以某2×660 MW超超臨界間接空冷機組的間接空冷塔為模型，脫硫塔、煙囪和濕式除塵器布置在冷卻塔內的空地上。散熱器采用鋁管鋁翅片4排雙流程塔外垂直布置的方式，散熱器面積157 萬m2。冷卻塔基本參數如表1所示。

表1　冷卻塔基本參數

1. 2 數值模型

冷卻塔的空氣流場同時涉及流動和換熱，其中導熱和對流為主要換熱方式。換熱方程由連續性方程、動量方程、能量方程、κ方程與ε方程等共同控制［13］，方程的通用形式如下：

式中：ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ為通用變量，可以表示u，υ，ω，T等求解變量；Γφ為廣義擴散系數；Sφ為廣義源項。

空冷散熱器外形結構復雜、布置方式多樣，數值模型需進行簡化處理，采用多孔介質模型代替散熱器的翅片管束。多孔介質模型將流過模型時的流動阻力作為動量控制方程的源項，分為粘性損失和慣性損失，對于各向同性介質，動量方程的源項用下式表示：

式中：Si為動量方程的源項；μ為動力粘度；ρ為流體密度；vj為j方向的速度；vmag為速度大小；α為滲透率；C2為慣性阻力系數。

根據空冷散熱器進出口壓差與迎面風速u的經驗公式，結合實驗數據，擬合得到散熱器壓降與速度的關系式如下：

計算多孔介質的粘性阻力系數和慣性阻力系數分別為195 423和2. 040 8，根據散熱器結構參數，計算多孔介質的孔隙率為0. 711。

自然風的速度為冪指數風速廓線計算公式編寫的UDF函數，迎風面的風速分布用下式表示：

式中：u0為距地面10 m高度的風速；y為所求點的高度。

數值模型與物理模型體積1∶1進行建模，計算域為邊長500 m的立方體。計算域的邊界設置：迎風面為速度入口，地面和塔筒設置為壁面，其他面為壓力出口。利用Gambit生產網格，通過計算驗證，網格數量大于80萬后，網格數量對冷卻塔通風量影響小于0. 5%，網格數量大于140萬后，通風量變化幅度變小，最終確定網格數量132萬。

圖1為傳統的冷卻塔模型。排煙、脫硫和除塵設備在冷卻塔內的布置方式分臥式和立式兩種，如圖2和圖3所示。臥式模型是將煙囪、除塵器和脫硫塔在塔內分開布置；立式模型是將煙囪、除塵器和脫硫塔組合成一體在塔內放置；初始模型是沒有布置脫硫、除塵和排煙設備的冷卻塔。

參照設計圖紙和實際施工情況，塔內排煙、除塵和脫硫設備的外形尺寸如表2所示。

圖1　初始模型

圖2　臥式模型

圖3　立式模型

表2　塔內設備參數

2 計算結果分析

2. 1 脫硫除塵設備對冷卻塔流場的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環境溫度32℃，859 hPa，相對濕度0. 55，無自然風，暫不考慮煙囪排煙。

在冷卻塔的抽力作用下，進入冷卻塔的空氣被加熱以后從冷卻塔的出口流出。圖4（a）、（b）、（c）分別是初始模型、臥式模型和立式模型冷卻塔流場的速度云圖，對比三種模型的速度云圖可知塔內設備對冷卻塔溫度場和速度場的分布無明顯影響。表3給出了三種模型冷卻塔的通風量、換熱量和散熱器迎面風速的情況，由表可知，塔內布置脫硫除塵設備后，冷卻塔的通風量和換熱量影響都小于0. 5%。

圖4　Z＝0截面速度云圖

表3　TRL工況下冷卻塔換熱情況比較

2. 2 煙囪排煙對四合一冷卻塔流場的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環境溫度32℃，859 hPa，相對濕度0. 55，煙囪排煙，無自然風。

表4為煙囪排煙時冷卻塔的通風換熱情況，數值計算結果表明：煙囪排煙時，臥式模型冷卻塔通風量增大0. 12%，換熱量增大0. 17%；立式模型冷卻塔通風量增大0. 3%，換熱量增大0. 2%。比較表3和表4可知，煙囪排煙引起冷卻塔通風量、換熱量和散熱器迎面風速的變化非常小。

表4　煙囪排煙時冷卻塔通風換熱量

2. 3 自然風對冷卻塔流場的影響分析

研究工況為夏季TRL工況，環境溫度32℃，859 hPa，相對濕度0. 55，煙囪排煙，有自然風。

圖5（a）是風速8 m／s時初始模型塔內外空氣溫度分布圖，隨自然風速增大，進風穿透散熱器，塔內溫度分布變的不均勻，高溫區向背風面偏移。圖5（b）和（c）是風速8 m／s時臥式模型和立式模型冷卻塔溫度場的分布云圖，冷卻塔內的部分高溫區由背風面轉移到了迎風面。

如圖5（b）和（c）所示，臥式模型和立式模型冷卻塔煙囪排煙，煙氣溫度大于同高度空氣的溫度，由于擴散效應，煙氣與塔內空氣混合換熱后流出冷卻塔。風速為8 m／s時，混合煙氣接觸到上部塔筒和冷卻塔出口外沿。

圖6為風速變化對冷卻塔通風量的影響。隨風速增大，三種冷卻塔模型通風量下降趨勢相同。風速小于6 m／s時，塔內設備對冷卻塔的通風量影響較小；風速8 m／s時，相對于初始模型，臥式模型冷卻塔通風量增大4. 7%；風速達到了12 m／s后，相對于初始模型，臥式模型和立式模型冷卻塔通風量增大了11. 4%和9. 5%。

圖5　Z＝0截面溫度云圖（K）

圖6　風速變化對冷卻塔通風量的影響

冷卻塔通風換熱對機組經濟性的影響表現在機組的運行背壓上。通過換熱量的變化計算得到汽輪機排汽壓力隨環境風速變化的曲線如圖7所示。風速從0增大到12 m／s時，初始模型汽輪機排汽壓力升高4. 5 kPa，臥式模型和立式模型汽輪機排氣壓力升高3. 5 kPa。

圖7　風速對機組背壓的影響

3 結論

（1）無風時，脫硫除塵設備對冷卻塔通風量和換熱量的影響都小于0. 5%，對散熱器的迎面風速基本無影響。

（2）排煙使冷卻塔通風量和換熱量的變化小于0. 3%，對冷卻塔換熱性能的作用可忽略。

（3）風速小于8 m／s時，四合一和初始冷卻塔的通風量、換熱量及汽輪機排汽壓力沒有明顯差別，風速大于8 m／s時，四合一冷卻塔換熱抗大風能力優于初始模型冷卻塔，因為塔內設備起到擋風墻的作用。要注意的是，自然風達到8 m／s時，煙氣在塔筒內外擴散接觸到塔筒壁和外沿，塔筒內外壁面需進行防腐蝕處理。

參考文獻：

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Numerical Research on Heat Transfer Performance of the Four in One Type Indirect Air Cooled Tower

ZHOU Erqi1，CHEN Long1，HAO Ying1，HOU Yanfeng1，ZHANG Na1，ZHAO Xiaoli2，LI Hongli2，LI Jinhai2
（1．School of Energy and Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，China 2．Hebei Electric Power Design＆Research Institute，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：The four in one type indirect air cooled tower puts desulfurization tower，wet precipitator and chimney inside．Taking the four in one type indirect air cooled tower of a 2×660MW unit built by HEPD as a studying ob?ject，the flow and temperature fields of the cooling air are presented by CFD simulation．The influences of desulfu?rization devices，wind speed，chimney smoking on ventilation and heat transfer of the tower are investigated in this paper．The simulation results show the influence of desulfurization devices on ventilation quantity is less than 0. 5% without wind，as well the influence of chimney smoking on ventilation quantity is less than 0. 5%．Anticorrosion measures are necessary as flue gas touching the shell of the tower while the wind speed increasing，and desulfuriza?tion devices could increase ventilation quantity as wind speed increasing，whose growth rate can reach 11. 4%．The conclusion can provide reference for the design and optimization of the tower．

Keywords：indirect air cooling；four in one type tower；desulfurization tower；wet precipitator；wind；ventilation

作者簡介：周二奇（1988－），男，碩士研究生，主要從事間接空冷機組節能研究，E?mail：15733221415＠163. com。

收稿日期：2015－11－03。

中圖分類號：TK264. 1

文獻標識碼：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 003