改善間接空冷塔傳熱性能的方案與研究

黃　俊

0　概述

在我國“三北”地區(qū)，為了解決富煤缺水的矛盾，空冷發(fā)電機組得到了廣泛應(yīng)用［1］。然而，“三北”地區(qū)常年多風(fēng)，影響了空冷塔的流動傳熱性能，夏季尤為嚴(yán)重［2-3］。有關(guān)研究表明，當(dāng)環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速為5～15 m/s時，對空冷塔性能的影響效果分別相當(dāng)于環(huán)境溫度升高2～14℃［4］。空冷塔流動傳熱性能的下降，將導(dǎo)致汽輪機背壓升高，直接影響機組的安全經(jīng)濟(jì)性［5-6］。因此，采取相應(yīng)的改善措施，削弱環(huán)境風(fēng)對空冷塔流動傳熱性能的影響，對于提高空冷機組運行水平具有重要意義。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對空冷塔進(jìn)行了廣泛而深入研究，為間接空冷機組的發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。在設(shè)計方面，Goodarzi、楊立軍等［7-8］對空冷塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，以提高空冷塔的流動傳熱性能。Du Preez、張艾萍等［9-10］則提出了不同的擋風(fēng)墻布置方案，以削弱環(huán)境風(fēng)對空冷塔流動傳熱性能的影響。

現(xiàn)以某660 MW SCAL型間接空冷塔為研究對象，利用Fluent軟件，模似了環(huán)境風(fēng)條件下的空冷塔流場，探討了外圍擋風(fēng)墻、翅墻、十字墻擋風(fēng)墻的布置方案。根據(jù)模似計算結(jié)果，可優(yōu)化擋風(fēng)墻的布置，以削弱環(huán)境風(fēng)對空冷塔流動傳熱性能的影響。

1　數(shù)值計算方法

利用Gambit軟件，創(chuàng)建空冷塔的幾何模型。建立的空冷塔模型，如圖1所示。因散熱器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，將散熱器簡化為圓環(huán)柱體。散熱器被劃分為24個扇區(qū)，并從X正方向沿逆時針進(jìn)行編號。對扇區(qū)劃分網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證后，將網(wǎng)格數(shù)確定為310萬。

圖1　間接空冷塔的幾何模型

采用Fluent軟件中的多孔介質(zhì)代替散熱器，將流動阻力作為動量方程的源項，表達(dá)式為［5］:

式(1)中:Si為動量方程附加的源項;vi為i方向的速度;vmag為速度大小;μ為黏性系數(shù);ρ為密度;1/α為黏性阻力系數(shù);C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，得到散熱器流動阻力與迎面速度之間的關(guān)系式:

核查當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料后，擬定了風(fēng)速變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，該機組當(dāng)?shù)厝昶骄h(huán)境風(fēng)的風(fēng)速，約為5.5 m/s。夏季和冬季的風(fēng)速較大。因此，以夏季TRL工況為機組運行狀態(tài)，進(jìn)口采用5.5 m/s的velocity－inlet邊界條件，利用冪指數(shù)函數(shù)計算不同高度的風(fēng)速，編寫成UDF導(dǎo)入Fluent軟件中。風(fēng)速的計算公式為:

圖2　廠區(qū)不同高度處的月平均風(fēng)速

式(3)中:v0為距地面10 m高處的環(huán)境風(fēng)風(fēng)速。

2　計算結(jié)果及分析

當(dāng)環(huán)境風(fēng)為5.5 m/s時，空冷塔的流場分布，如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)環(huán)境風(fēng)繞流空冷塔時，將在塔附近形成兩股高速繞流。環(huán)境風(fēng)流經(jīng)進(jìn)風(fēng)口的迎風(fēng)側(cè)散熱器后，仍有較大的風(fēng)速，并在塔內(nèi)繼續(xù)向塔后流動，沖擊背風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)的進(jìn)風(fēng)。環(huán)境風(fēng)在塔內(nèi)的底部積聚，形成兩股對稱漩渦。因迎風(fēng)側(cè)的通風(fēng)量大，背風(fēng)側(cè)的通風(fēng)量小，將對塔內(nèi)的上升氣流產(chǎn)生影響，使氣流中心向塔后側(cè)偏移，并在塔的前側(cè)區(qū)域形成漩渦，出現(xiàn)熱風(fēng)回流，加上環(huán)境風(fēng)的吹壓作用，在塔出口處，羽流區(qū)向塔后偏轉(zhuǎn)，形成了“風(fēng)帽”結(jié)構(gòu)。

圖3　5.5 m/s環(huán)境風(fēng)風(fēng)速下空冷塔流場

圖4　空冷塔散熱器通風(fēng)量分布趨勢

當(dāng)環(huán)境風(fēng)為5.5 m/s時，空冷塔通風(fēng)量不再沿周向均勻分布，如圖4所示。從圖4可知，迎風(fēng)側(cè)的通風(fēng)量大幅增加，而塔側(cè)區(qū)域的通風(fēng)量大幅減少，背風(fēng)側(cè)的通風(fēng)量也小幅減少。由熱平衡方式可知，空冷塔換熱量具有相同的分布趨勢。因此，背風(fēng)側(cè)和塔側(cè)區(qū)域內(nèi)的散熱器冷卻管束，將得不到及時冷卻，極易發(fā)生管束的超溫現(xiàn)象。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速為5.5 m/s時，對空冷塔流動傳熱性能的影響，如表1所示。由表1可知，相比于無風(fēng)狀態(tài)，環(huán)境風(fēng)為5.5 m/s時的空冷塔流動傳熱性能明顯變差，通風(fēng)量減少了27.93%，換熱量減少了19.95%。此時的環(huán)境風(fēng)，嚴(yán)重影響了間接空冷機組的運行。

表1　環(huán)境風(fēng)對空冷塔流動傳熱性能的影響

因此，應(yīng)設(shè)法削弱環(huán)境風(fēng)對空冷塔的影響，并對空冷塔進(jìn)行改造。增加空冷塔通風(fēng)量和換熱量，改善空冷塔通風(fēng)沿周向分布的不均勻性，才能提高空冷塔的流動傳熱性能。

綜上，模糊粒子濾波算法基本流程如圖1 所示。首先對原始視頻幀圖像進(jìn)行HSrg 轉(zhuǎn)換，對HSrg 模式下的圖形進(jìn)行模糊處理，對每個通道模糊化后的圖像中值濾波使被識別目標(biāo)特征更為明顯。隨后，處理后的結(jié)果去模糊化處理，傳遞到粒子濾波器，實現(xiàn)對被追蹤目標(biāo)的識別。

3　擋風(fēng)墻布置方案

空冷塔擋風(fēng)墻的布置方案，是盡可能增加空冷塔的通風(fēng)量和散熱量。同時，提升通風(fēng)量分布在周向上的均勻性。針對空冷塔的流場特點，分別研究了3種機理不同的布置方案，并對各方案參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以期得到較佳的布置方案。

3.1　外圍擋風(fēng)墻

為了降低進(jìn)入空冷塔的環(huán)境風(fēng)風(fēng)速，均勻分布通風(fēng)量，在迎風(fēng)側(cè)，布置了弧形外圍擋風(fēng)墻。外圍擋風(fēng)墻的布置方案，如圖5所示。

圖5　外圍擋風(fēng)墻的布置

在冷卻塔前，布置了高度h為31.9 m(與進(jìn)風(fēng)口齊平)、弧度θ為120°、與散熱器的距離d為30 m的外圍擋風(fēng)墻。空冷塔的流場分布，如圖6所示。此時，由于擋風(fēng)墻的存在，空冷塔的流場分布得到明顯改善。迎風(fēng)側(cè)的環(huán)境風(fēng)在進(jìn)入散熱器之前，受到外圍擋風(fēng)墻的阻礙，風(fēng)速被降低，流入空冷塔后，對背風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)的沖擊作用也被減弱，降低了塔內(nèi)底部的漩渦強度，氣流不會在塔內(nèi)底部積聚，而是在浮升力的作用下，上升后流出空冷塔。因為減小了迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)通風(fēng)量的相差幅度，減緩了塔內(nèi)上升氣流向塔后側(cè)偏移的趨勢，所以，羽流區(qū)向塔后偏轉(zhuǎn)的幅度也被減弱。

圖6　布置外圍擋風(fēng)墻后空冷塔的流場分布

布置外圍擋風(fēng)墻后，空冷塔通風(fēng)量和換熱量沿周向分布的不均勻性得到明顯改善，降低了散熱器冷卻管束發(fā)生超溫現(xiàn)象的可能性。計算數(shù)據(jù)表明，布置外圍擋風(fēng)墻后，空冷塔通風(fēng)量增加了3.81%，換熱量增加了8.67%。布置外圍擋風(fēng)墻后，可提高空冷塔的流動傳熱性能。冷卻塔布置外圍擋風(fēng)墻前后的傳熱性能曲線，如圖7所示。

圖7　布置外圍擋風(fēng)墻前后的空冷塔傳熱性能曲線

3.2　十字擋風(fēng)墻

為削弱環(huán)境風(fēng)在空冷塔迎風(fēng)側(cè)、塔側(cè)、背風(fēng)側(cè)區(qū)域之間的相互影響，在塔內(nèi)底部，布置了十字擋風(fēng)墻。十字擋風(fēng)墻的布置方案，如圖8所示。

圖8　十字擋風(fēng)墻的布置

在塔內(nèi)底部，布置高度h為31.9 m(與進(jìn)風(fēng)口齊平)、半徑r為65.65 m(與進(jìn)風(fēng)口外部半徑相同)、與風(fēng)向夾角θ為0°的十字擋風(fēng)墻，此時的空冷塔流場，如圖9所示。環(huán)境風(fēng)由迎風(fēng)側(cè)進(jìn)入空冷塔后，受到十字擋風(fēng)墻的阻礙，不影響背風(fēng)側(cè)、塔側(cè)區(qū)域的進(jìn)風(fēng)，塔內(nèi)底部的漩渦結(jié)構(gòu)被破壞，氣流上升后流出空冷塔。在塔內(nèi)的中上部，由于迎風(fēng)側(cè)的氣流流量仍大于背風(fēng)側(cè)，上升氣流中心向塔后側(cè)偏移的幅度并沒有得到明顯減小。

圖9　布置十字擋風(fēng)墻后空冷塔的流場分布

布置十字擋風(fēng)墻前后空冷塔的通風(fēng)量和換熱量的周向分布趨勢，如圖10所示。

圖10　布置十字擋風(fēng)墻前后的空冷塔流動傳熱性能

由圖10可知，布置十字擋風(fēng)墻后，空冷塔通風(fēng)量和換熱量沿周向分布的不均勻性并沒有得到明顯降低。但計算數(shù)據(jù)顯示，布置十字擋風(fēng)墻后，空冷塔的通風(fēng)量增加了3.94%，換熱量增加了3.81%。因此，布置十字擋風(fēng)墻，對于提高空冷塔的流動傳熱性能，具有一定的作用。

3.3　翅墻

為削弱散熱器周圍環(huán)境風(fēng)的繞流強度，提高環(huán)境風(fēng)進(jìn)入散熱器之前沿周向分布的均勻性，在散熱器的外圍，布置了若干片翅墻，翅墻的布置方案，如圖11所示。

圖11　翅墻安裝示意圖

在塔內(nèi)底部，布置高度h為31.9 m(與進(jìn)風(fēng)口齊平)、寬度d為30 m的翅墻，共20片。此時，空冷塔的流場分布，如圖12所示。從圖12可知，空冷塔的流場分布狀態(tài)得到明顯改善。繞流的環(huán)境風(fēng)經(jīng)過每片翅墻時，都會在翅墻的導(dǎo)流作用下，分流出一部分氣流，流入空冷塔。這樣，沿著環(huán)境風(fēng)流動方向，繞流的風(fēng)量在逐漸減少，氣流速度也在降低。由于繞流的作用，在空冷塔背風(fēng)側(cè)形成的漩渦強度，在明顯減弱，所占面積也在減少。

圖12　布置翅墻后空冷塔的流場分布

布置翅墻后，明顯改善了空冷塔通風(fēng)量沿周向的分布狀態(tài)，增加了背風(fēng)側(cè)和塔側(cè)區(qū)域的通風(fēng)量，迎風(fēng)側(cè)通風(fēng)量有一定幅度的減小。根據(jù)熱平衡可知，空冷塔換熱量具有相同的分布趨勢。迎風(fēng)側(cè)通風(fēng)量的減少，是因為增加了背風(fēng)側(cè)和塔側(cè)區(qū)域通風(fēng)量，導(dǎo)致塔內(nèi)底部的漩渦向迎風(fēng)側(cè)移動，增加了迎風(fēng)側(cè)的進(jìn)風(fēng)阻力。布置翅墻前后空冷塔的流動傳熱性能，如圖13所示。

圖13　布置翅墻前后空冷塔的流動傳熱性能

計算數(shù)據(jù)表明，與原始流場相比，布置翅墻后，空冷塔通風(fēng)量增加了 12.43%，換熱量增加了16.57%，空冷塔的流動傳熱性能得到顯著提高。

4　結(jié)語

以某660 MW SCAL型間接空冷塔為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，分別探討了外圍擋風(fēng)墻、翅墻、十字墻3種擋風(fēng)墻的布置方案。增加擋風(fēng)墻后，可改善空冷塔的流動傳熱性能。

(1)受環(huán)境風(fēng)的影響，空冷塔通風(fēng)量和換熱量被大幅減少，并且不再沿周向均勻分布，其流動傳熱性能明顯變差。

(2)對于外圍擋風(fēng)墻、十字擋風(fēng)墻、翅墻3種布置方案，因為擋風(fēng)的機理不同，所以，改善空冷塔流動傳熱性能的效果各有差異。當(dāng)環(huán)境風(fēng)風(fēng)速為5.5 m/s時，翅墻的改善效果最好，為16.57%，外圍擋風(fēng)墻次之，為8.67%，十字擋風(fēng)墻的改善效果較弱，僅為 3.81%。

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