三塔合一間接空冷塔熱力性能的數值研究

趙文升，郭 浩，宋百川

(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)，河北保定071003)

三塔合一間接空冷塔熱力性能的數值研究

趙文升，郭 浩，宋百川

(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)，河北保定071003)

利用FLUENT數值計算軟件建立了散熱器塔外垂直布置和塔內水平布置的三塔合一間接空冷塔的數學模型，對不同環境風速進行模擬計算，得到了相應的壓力場、溫度場和速度場，分析了散熱器的布置方式對熱力性能的影響。研究結果表明：無風時，散熱器的布置方式對熱力性能的影響非常小；存在環境風，當風速不超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異較小；當風速超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異逐漸變大；散熱器塔外垂直布置的空冷塔的熱力性能優于散熱器塔內水平布置的空冷塔的熱力性能。為這種復合塔的優化運行提供參考。

散熱器；三塔合一；間接空冷塔；熱力性能

0 引言

隨著煙塔合一技術的成熟應用，在其基礎上出現了三塔合一技術，即將脫硫塔內置于空冷塔內，由煙塔合一改為三塔合一。三塔合一技術借鑒了煙塔合一技術的設計理念，具有節水、節能和環保效益。在節能減排的形式下，三塔合一技術將在火電行業得到快速發展。

目前已經投運了多臺三塔合一間接空冷機組，已有一些相關的模擬研究。文獻[1]以某600 MW三塔合一間接空冷機組與某600 MW常規濕冷機組為對象，比較了兩者的靜態投資經濟性、節水能力以及煙氣抬升高度方面的差異；文獻[2]以某電廠600 MW間接空冷設備為例，全面模擬了間接空冷三塔合一的流場特性及自然風對其的作用效果，并采用了有效的防風方法；文獻[3]模擬了自然風和排煙高度對三塔合一的換熱特性的作用效果；文獻[4]和[5]分析了塔內設備、煙囪排煙和環境風對間接空冷塔傳熱性能的影響，并對其進行了變工況的分析。以上的成果針對的是散熱器塔外垂直布置的三塔合一間接空冷機組，但間接空冷機組的散熱器還可以在塔內水平布置，那么散熱器與塔內設備的位置關系將發生變化，會影響塔內的流場和熱力性能。因此需要研究散熱器的布置方式對空冷塔熱力性能的影響規律。

通過FLUENT軟件，以某600 MW三塔合一間接空冷系統為例，分別建立散熱器塔外垂直布置和塔內水平布置的模型，并進行數值模擬計算，分析了散熱器的布置方式對熱力性能的影響。

1 三塔合一模型

1.1 物理模型

以某電廠600 MW三塔合一間接空冷塔為模型進行計算。三塔合一空冷塔基本參數如表1所示[6]，兩種散熱器布置方式的空冷塔示意圖如圖1～2所示。

表1 三塔合一空冷塔基本參數

三塔合一間接空冷塔的物理模型分為空冷塔和其外部環境兩部分，其中外部環境的尺寸遠大于空冷塔的尺寸。對空冷散熱器劃分網格時，采取比較密集的網格。對外部環境劃分網格時，利用尺寸函數進行網格劃分，即由中心向外，網格漸漸變稀疏。通過對空冷塔和散熱器的網格不斷加密，驗證模擬結果的網格無關性，保證模擬結果不受網格數量的影響。對于物理模型依次劃分網格數量為3 434 554、5 225 706和7 089 283，以驗證網格數量的無關性。模擬結果說明在幾種典型工況下進塔風量隨網格數量的改變變化均很小，最終確定網格數量為為3 434 554。

圖1 散熱器塔外垂直布置時的示意圖

圖2 散熱器塔內水平布置時的示意圖

1.2 數學模型和數值方法

表2列出了數學模型的通用控制方程變量的表達式[3]。

表2 通用控制方程變量的表達式

空冷塔的空氣換熱方程的通用形式如下[4]：

(1)

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

描述氣體流過散熱器時選用可實現κ-ε湍流模型；選用組分輸運模型來處理排煙和塔內氣體之間的夾雜流動。

選用穩態求解器，空冷塔壁面設置為壁面邊界條件。無環境風工況下，外部環境的周圍設置為壓力入口，上部設置為壓力出口。側風工況下，外部環境迎風側設置為速度入口。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[7]:

(2)

式中：u0為高度為10 m處的環境風速；y為所求點的高度。

下風側設置為自由流出，另外幾個面設置為對稱邊界，煙囪的入口設置為速度入口。

建立數值模型時對空冷散熱器進行簡化處理，選用多孔介質模型對散熱器的流動阻力及換熱特性進行模擬。在原動量方程的基礎上，多孔介質模型增加了可代表物理模型空間流動阻力的動量源項，其由粘性損失項和內部損失項組成[8]。

(3)

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

根據實驗測得換熱器阻力性能數據[6]，擬合得到換熱器法向方向阻力損失與速度之間的關系式如下：

Δp=4.77u2+6.19u

(4)

計算粘性阻力系數1/α=144 880，慣性阻力系數C2=3.119 02[9]。

2 計算結果分析

2.1 散熱器塔外垂直布置時熱力性能分析

當散熱器在塔外垂直布置時，在空冷塔的抽力作用下，周圍的冷空氣與散熱器完成換熱后，從底部進入塔內，隨后流動方向發生偏轉，由水平流動變為向上流動，然后從塔出口流出[10-12]。當脫硫塔和煙囪在塔底的中心布置時，會減小空氣在塔底的流通區域，即流動阻力會變大。圖3為沒有環境風時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，空氣的壓力、溫度和速度的分布均關于空冷塔的中心軸對稱；空冷塔內部沿著空氣的流動方向壓力逐漸升高；空氣與散熱器進行完熱交換后溫度升高；空氣在向塔出口流動的過程中流速持續增大；塔內設備對塔內的壓力和溫度的分布影響較小，但會使塔底部的氣體流場出現了一部分低速區域。排煙的速度和溫度均比周圍的熱空氣的速度和溫度大，因此排煙位置周圍的熱空氣的速度會增大，溫度會升高，有利于進塔風量的增加。此外，排煙周圍的熱空氣的浮升力會對排煙起到抬升的作用，阻礙排煙對塔內設備的腐蝕，利于煙氣的凈化排放，利于環保。

圖3 散熱器垂直布置時無風工況下分布云圖

存在環境風時，三塔合一結構的流動換熱特性出現顯著的空間特性。圖4為環境風速4 m/s時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，塔內空氣溫度和壓力分布不再均勻，與散熱器進行完熱交換的高溫空氣區域發生變化，高溫空氣區域向背風側偏移，并且背風側的高溫區域略大于迎風側的高溫區域；塔內部和塔出口熱空氣流動的跡線發生偏轉，同時排煙流動的跡線也發生偏轉，都向背風側發生了一定角度的偏轉，由于排煙速度大于周圍熱空氣的速度，排煙流動跡線變化比較小。

圖4 散熱器垂直布置時4 m/s工況下分布云圖

2.2 散熱器塔內水平布置時熱力性能分析

當散熱器在空冷塔內呈環狀水平布置時，在空冷塔的抽力作用下，空氣由空冷塔入口流入塔內，隨后流動方向發生偏轉，由水平流動變為向上流動，大部分空氣與塔內水平布置的環狀散熱器進行熱交換，一部分空氣從環狀散熱器的中心圓孔流過[13-15]。從散熱器流過的空氣的溫度會明顯大于從中心圓孔流過的空氣的溫度。由于散熱器存在阻力，從中心圓孔流過的空氣的速度會較大，可能會對從散熱器流過的空氣有一定的抬升作用。圖5為沒有環境風時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，塔內的壓力、溫度和速度的分布趨勢與散熱器塔外垂直布置時大致相同。

圖5 散熱器水平布置時無風工況下分布云圖

圖6為環境風速4 m/s時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，存在環境風時，各個云圖出現顯著的空間特性，塔內空氣溫度和壓力分布不再均勻，高溫空氣區域向迎風側偏移，并且迎風側的高溫區域大于背風側的高溫區域；塔內部和塔出口熱空氣流動的跡線向背風側發生偏轉，排煙流動的跡線也向背風側發生偏轉，排煙流動跡線變化比較小。脫硫塔和煙囪在塔底的中心位置布置，減少了塔底空氣的流動區域，從環狀散熱器中心圓孔流過的空氣的流量減少，流動速度變小，且向背風側的偏轉角度也變小，對從背風側流進空冷塔的空氣的抑制作用減弱，背風側的換熱性能有所改善。

圖6 散熱器水平布置時4 m/s工況下分布云圖

圖7 進塔風量隨環境風速變化的規律曲線

2.3 兩種散熱器布置方式的熱力性能比較

圖7、8分別為散熱器塔外垂直布置和塔內水平布置的進塔風量和熱負荷隨環境風速變化的規律曲線。從兩個曲線圖可以看出，每一種布置形式的進塔風量和熱負荷隨環境風速變化的走勢是相同的。當環境風速不超過6 m/s時，兩種布置形式的進塔風量和熱負荷相差比較小。當環境風速超過6 m/s時，兩種布置形式的進塔風量相差逐漸變大，但熱負荷的差異相對較小。當環境風速超過12 m/s時，散熱器塔外垂直布置的進塔風量和熱負荷開始逐漸增加，但散熱器塔內水平布置的進塔風量和熱負荷的變化趨勢趨于平緩。在整個模擬的環境風速的范圍內，散熱器塔外垂直布置的進塔風量和熱負荷都優于散熱器塔內水平布置的。

圖8 熱負荷隨環境風速變化的規律曲線

3 結論

沒有環境風時，散熱器兩種布置方式的三塔合一間接空冷塔內壓力、溫度和速度的分布趨勢幾乎相同，布置方式對熱力性能的影響非常小。存在環境風時，布置方式對空冷塔的熱力性能的影響開始明顯。當環境風速不超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異較小；當環境風速超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異逐漸變大。在整個范圍內,散熱器塔外垂直布置的空冷塔的熱力性能優于塔內水平布置的空冷塔的熱力性能。

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Numerical Research on the Thermal Performance of the Indirect Air Cooling Tower with Three Incorporate Towers

ZHAO Wensheng,GUO Hao,SONG Baichuan

(MOE’s Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Two numerical models were established for indirect air cooling tower with three incorporate towers with FLUENT software,one with the radiator installed outside the tower vertically and the other with the radiator installed in the tower horizontally.Pressure field,temperature field and velocity field were acquired using numerical calculation in different wind speed conditions.The influence of the installation on the thermal performance was studied in details.The results indicate that when the influence of the installation on the thermal performance can be negligible with no wind.When the wind speed is not more than 12 m/s,the difference of the thermal performance of two kinds of installation is relatively small.When the wind speed exceeds 12 m/s,the difference of the thermal performance of two kinds of installation becomes bigger.The thermal performance of the air cooling tower with the radiator installed vertically outside is better than that of the air cooling tower with the radiator installed horizontally in the tower.The conclusion can provide a reference for the optimal operation of this kind of composite tower.

radiator; three incorporate towers; indirect air cooling tower; thermal performance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.006

2016-09-12。

TK264.1

1672-0792(2017)01-0032-05

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、空冷系統優化等方面的工作。