660 MW SCAL型間接空冷塔夏季安全運行改造方案研究

王藍婧， 劉 康， 付文鋒， 李衛華， 李 姍

(1. 華北電力大學 控制與計算機工程學院， 河北保定 071003;2. 華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室， 河北保定 071003)

空冷機組的節水效果顯著，其水損耗僅為常規濕冷電站的15%～25%，因此在我國富煤缺水的“三北”地區得到了廣泛應用[1].空冷機組分為直接空冷和間接空冷2種形式，其中間接空冷機組因具有運行費用低、設備壽命長、維護簡單、廠用電量少等優點，逐漸成為大型空冷機組的發展方向[2-3].在設計間接空冷機組的空冷塔時，會留出一定的通風裕量，在環境風速較小時可保證空冷塔的換熱量仍能滿足機組安全運行的需要.但在夏季大風期，空冷塔的流動傳熱性能大幅下降，機組必須降負荷運行，甚至可能出現機組跳機的情況.因此，為保障間接空冷機組在夏季大風期也能夠安全穩定運行，需對空冷塔進行安全運行改造.

近幾十年來，國內外學者采用不同方法對空冷塔的流動傳熱性能進行了研究.Leene[4]、翟志強等[5]采用冷態試驗法分析了空冷塔的流場特性；Chen等[6]、黃春花等[7]利用風洞模型進行了試驗，研究了環境風對空冷塔的影響機理；Yang等[8]、趙順安[9]采用CFD軟件對不同環境風速下空冷塔的流場分布特點進行了數值模擬研究；楊立軍等[10]采用模型實驗與數值模擬相結合的方法研究了不同環境風速下空冷塔散熱器的傳熱性能.隨著研究的深入開展，為了改善空冷塔的流動傳熱性能，提高間接空冷機組的熱經濟性，空冷塔的優化改造工作也在逐漸進行.一方面，楊立軍等[10]、Kim等[11]研究了散熱器翅片結構尺寸對空冷塔傳熱性能的影響，并進行了優化分析；Goodarzi[12]提出了一種新型空冷塔的出口結構，可提高環境風下空冷塔的傳熱性能.另一方面，Preez等[13]首次提出擋風墻的概念后，眾多學者對此展開研究：Zhai等[14]提出不同的翅墻布置方案；張艾萍等[15]分析了外圍擋風墻的可行性；趙振國等[16]研究了塔內擋風墻對空冷塔流動傳熱性能的改善效果.

目前，針對間接空冷機組在夏季極端惡劣環境下安全穩定運行的研究還較少.筆者以某660 MW SCAL型間接空冷機組的空冷塔為研究對象，利用Fluent軟件，分析了夏季環境風對空冷塔流動傳熱性能的影響，找出空冷塔流動傳熱性能最差時的環境風速；在考慮空冷塔周圍廠房影響的基礎上，提出了此環境風速下能保障機組安全穩定運行的空冷塔改造方案.

1 數值計算方法

1.1 幾何模型和網格劃分

某660 MW SCAL型間接空冷機組空冷塔的廠房布置復雜，忽略了較小的建筑物和管道，空冷塔的廠房布置如圖1所示.選取長×寬×高為800 m×500 m×700 m的外界環境區，散熱器由282個冷卻管束組成，將其簡化為2.49 m厚的圓環柱體，空冷塔和周圍廠房的主要結構參數如表1所示.為了更好地分析空冷塔的流場分布特點，將散熱器劃分為24個扇區，并進行編號，如圖2所示.

圖1 空冷塔的廠房布置示意圖

圖2 散熱器分區示意圖

根據空冷塔的結構特點，將圖1的幾何模型劃分為16個區，空冷塔內部和散熱器區均采用Map網格，散熱器附近環境區采用四面體網格，其余環境區采用Cooper模式生成的結構化網格[17].通過比較網格總數分別為259萬、367萬、464萬的模型計算結果，發現空冷塔出口風量波動幅度小于3%，可認為數值解基本處于網格獨立范圍內，最后采用網格總數為367萬的網格離散計算域.

1.2 物理模型和邊界條件

根據間接空冷塔和散熱器的圓柱形結構特點，計算域采用柱坐標系：

(1)

式中：Γ和S分別為通用變量φ的廣義擴散系數和源項；u、v和w分別為環境風在柱坐標系x、r、θ方向上的速度分量；ρ為環境風密度.

表1 空冷塔和周圍廠房的主要結構參數

采用Fluent軟件中的多孔介質模型模擬散熱器的換熱性能[18]，一般在多孔介質模型的動量方程中添加流動阻力源項.根據散熱器阻力性能的實驗數據，可擬合得到環境風流動方向(x方向)上散熱器流動阻力Δp與迎面速度v的關系：

(2)

對比流動阻力源項和式(2)，可得到多孔介質區的黏性阻力系數和慣性阻力系數.

該間接空冷機組的全年平均環境風速約為5.5 m/s.大風期出現在夏季，環境風速常高達12 m/s，風向為東風(沿x負方向)，見圖1.

設置計算域的進口為velocity-inlet邊界條件，出口為outflow邊界條件，地面及廠房為wall邊界條件，其他為symmetry邊界條件.空冷塔進風口不同高度處的環境風速通常采用冪指數風速分布：

(3)

式中：v0為距地面10 m高度處的環境風速；y為空冷塔進風口的不同高度.

湍流模型采用Realizablek-ε模型；環境風密度僅考慮溫度的影響，采用Boussinesq近似假設；離散控制方程時，壓力選取Body force weighted離散格式，其余采用二階迎風差分格式；為保證計算結果的準確性，收斂精度取10-4.

1.3 數值模型驗證

在夏季環境風工況下，當環境風速為5.5 m/s、大氣溫度為38.4 ℃、大氣壓為91 940 Pa時，空冷塔進塔水質量流量為60 735.1 t/h，進水溫度為65.3 ℃，出水溫度不超過53.95 ℃.

采用數值模型對上述驗證工況進行模擬計算，結果如表2所示.由表2可以看出，數值模型的計算結果與空冷塔的設計值基本吻合，通風質量流量和空氣密度的誤差幅度分別為0.79%和0.19%，從而驗證了數值模型的正確性.

表2 數值模型驗證結果

2 模擬與分析

空冷塔內底部空氣被散熱器加熱，空氣密度減小，在浮升力的作用下空氣迅速上升，形成負壓區，塔內外產生壓力差.在雙曲線型空冷塔的抽吸作用下，環境空氣不斷穿過散熱器，向塔內流動，使散熱器冷卻. 無環境風時，塔外空氣在吸力作用下進入塔內，塔四周進風均勻，散熱器各扇區的換熱量基本一致.塔內氣流在塔中心迅速上升，在空冷塔上方形成羽流區.

由圖3和圖4可以看出，環境風流經空冷塔的運動類似“圓柱繞流”.進風口迎風側區受到環境風的吹力作用，通風質量流量增加；“圓柱繞流”運動形成的漩渦阻礙了背風側區進風，通風質量流量減少；由于塔側區環境風的切向速度大，環境壓力較低，空冷塔的抽吸能力被削弱，導致通風質量流量顯著減少.因此，塔底形成了2個關于風向對稱分布的漩渦結構，進風阻力增大，塔側區和背風側區的通風質量流量進一步減少.塔內上升氣流受迎風側區通風質量流量大、背風側區通風質量流量小的影響，氣流中心向塔后側區偏移，在塔前側區形成漩渦，出現熱風回流現象.在環境風的吹力作用下，羽流區發生偏轉，塔出口處形成“風帽”，抑制了塔內氣流的流出，降低了空冷塔的抽吸能力，導致通風質量流量減少.

(a) 空冷塔進風口處環境風速的矢量分布

(b) 沿塔高方向環境風速的矢量分布

(a) 空冷塔進風口處環境風速的矢量分布

(b) 沿塔高方向環境風速的矢量分布

當環境風速較大(約8 m/s)時，迎風側區入口氣流穿過散熱器后仍有較大的速度，來不及在浮力作用下向上運動，加之塔底漩渦的影響，塔側區形成“穿堂風”，不僅不進風，塔內空氣反而穿過散熱器并流向塔外，使散熱器的換熱環境惡化.當環境風速繼續增大(約12 m/s)，背風側區受到迎風側氣流的抑制，也會形成“穿堂風”.

由圖5(a)可知，隨著環境風速的增大，空冷塔的通風質量流量和換熱量均先減少后增加.這是因為環境風速增大時，迎風側區的通風質量流量增加，形成“穿堂風”的散熱器扇區增加，“穿堂風”強度明顯增大.當塔側區和背風側區的通風質量流量減少幅度大于迎風側區通風質量流量的增加幅度時，空冷塔的通風質量流量減少，反之會增加.

由圖5(b)可知，空冷塔受環境風的影響，通風質量流量沿周向分布不均勻，迎風側區的通風質量流量最大，背風側區次之，塔側區的通風質量流量最小.由熱平衡可知，空冷塔換熱量具有相同的分布趨勢，迎風側區換熱效果最好，背風側區次之，塔側區的換熱效果最差.隨著環境風速的增大，空冷塔通風質量流量和換熱量的周向分布不均勻性進一步增大.由于空冷塔是軸對稱結構，散熱器各扇區的通風質量流量基本關于風向對稱分布.

(a) 間接空冷塔性能的變化趨勢

(b) 散熱器通風質量流量分布

評價空冷塔的流動傳熱性能主要考慮2個方面：無論環境風速多大，空冷塔的通風質量流量和換熱量均須滿足機組安全運行的需要；空冷塔的通風質量流量和換熱量盡量沿周向均勻分布，以保證散熱器各個冷卻管束不超溫，均能安全運行.空冷塔的通風質量流量和換熱量越大，沿周向分布越均勻，其流動傳熱性能越好.

由圖5可知，無風環境時，空冷塔的通風質量流量和換熱量最大，且沿周向均勻分布，其流動傳熱性能最好；有環境風時，隨著環境風速的增大，空冷塔的通風質量流量和換熱量均先減少后增加，當環境風速為12 m/s時，空冷塔的通風質量流量和換熱量均達到最小，易導致機組發生大幅度降負荷甚至跳機的情況.隨著環境風速的增大，空冷塔通風質量流量和換熱量的周向分布不均勻性越來越大，塔側區和背風側區的通風質量流量逐漸減少(見圖5)，冷卻管束的換熱環境惡化，極易發生超溫現象，且環境風速越大，發生超溫的可能性越大，到時只能關閉超溫的散熱器扇區，以保證設備安全運行.綜合考慮以上2個方面，說明環境風速為12 m/s時空冷塔的流動傳熱性能最差.

3 空冷塔的安全運行改造

夏季大風期間，環境風速為12 m/s時空冷塔的流動傳熱性能最差，機組發生大幅度降負荷甚至跳機的可能性最大.因此，研究空冷塔的安全運行改造方案時，僅需考慮12 m/s環境風速下的空冷塔.

3.1 廠房影響

環境風速為12 m/s時，考慮廠房影響后的空冷塔流場如圖6所示，散熱器通風質量流量分布如圖7所示.由于汽機房的存在，導致環境風流動空間減小，流速增大，迎風側區通風質量流量增加.材料庫及檢修間(高為15 m)阻礙了部分環境風流入迎風側22～24扇區，導致其通風質量流量增幅小于1～3扇區.由于廠房的存在，導致環境風的繞流流動空間減小，繞流速度明顯增大，塔后漩渦區面積迅速增大，發生“穿堂風”的散熱器扇區增加，“穿堂風”強度增強，背風側區的穿堂風質量流量顯著增加.

(a) 空冷塔進風口處環境風速的矢量分布

(b) 沿塔高方向環境風速的矢量分布

Fig.6 Velocity vector diagram of the cooling tower considering the effects of factory buildings at a cross wind speed of 12 m/s

圖7 12 m/s環境風速下考慮廠房前后散熱器通風質量流量分布

Fig.7 Ventilation rate distribution of the radiator with and without considering the effects of factory buildings at a cross wind speed of 12 m/s

由表3可知，環境風速為12 m/s時，考慮廠房的影響后，空冷塔穿堂風質量流量增加了1倍.考慮廠房前后，通風質量流量、穿堂風質量流量和換熱量的變化幅度分別為2.72%、103.55%和0.28%.背風側區穿堂風質量流量急劇增加，削弱了塔側區和背風側區散熱器的換熱效果.由于迎風側區通風質量流量和背風側區穿堂風質量流量的增幅基本相同，迎風側區散熱器的換熱效果得到提高，導致空冷塔通風質量流量和散熱量基本沒有變化.考慮廠房的影響后，雖然空冷塔的通風質量流量和換熱總量基本不變，但由于穿堂風質量流量增加，其沿周向分布的不均勻性進一步增大，空冷塔的流動傳熱性能變差.

表3 廠房對空冷塔流動傳熱性能的影響

3.2 改造方案

對空冷塔進行安全運行改造時，盡可能提高在12 m/s環境風速下空冷塔的通風質量流量和換熱量，減少穿堂風質量流量，保證通風質量流量和換熱量沿周向均勻分布，使空冷塔的流動傳熱性能得到改善.

針對12 m/s環境風速下空冷塔流場的特點，在塔外加裝翅墻時，既要改善空冷塔的流動傳熱性能，降低間接空冷機組跳機的可能性，又要考慮塔周圍空余空間的限制，滿足現場安裝的需要.通過不斷地試驗，調整翅墻數量、幾何尺寸(高度、寬度、厚度)和安裝位置，直至得到較為理想的空冷塔流場.最后確定安裝6片翅墻，其中翅墻高度與進風口齊平，寬度為30 m，厚度與冷卻管束相同，翅墻的布置方式如圖8所示.

圖8 翅墻安裝示意圖

加裝翅墻后的空冷塔進風口流場如圖9所示，散熱器通風質量流量分布如圖10所示.在翅墻1和翅墻6的“聚風”作用下，環境風流動方向發生改變，迎風側區通風質量流量增加，繞流流量減少，“圓柱繞流”強度減弱，塔側區的環境壓力增大，塔內外壓差增大，空冷塔的抽吸能力增強，通風質量流量增加，發生“穿堂風”的散熱器扇區減少.其余4片翅墻破壞了環境風的“圓柱繞流”運動，進風口周圍的空氣流速降低，塔側區的通風質量流量進一步增加，塔底漩渦區朝背風側區移動，背風側區的流動阻力增大，穿堂風質量流量減少.

圖9 12 m/s環境風速下加裝翅墻后空冷塔進風口處的速度矢量圖

Fig.9 Velocity vector diagram at air intake of the cooling tower with wing walls at a cross wind speed of 12 m/s

圖10 12 m/s環境風速下加裝翅墻前后散熱器的通風質量流量

由表4可知，加裝翅墻后，通風質量流量和換熱量大幅增加，且沿周向分布的均勻性有所提高，空冷塔的流動傳熱性能明顯改善，通風質量流量、穿堂風質量流量和換熱量的改善幅度分別為24.55%、26.57%和13.01%.

表4 加裝翅墻前后空冷塔的流動換熱性能對比

4 結 論

(1) 夏季環境風流經空冷塔時做類似“圓柱繞流”運動，塔側區和背風側區的通風質量流量減少.環境風速達到8 m/s時，塔側區發生“穿堂風”現象；環境風速達到12 m/s時，背風側區也形成“穿堂風”.

(2) 隨著環境風速的增大，空冷塔的通風質量流量和換熱量均先減少后增加，而穿堂風質量流量持續增加，通風質量流量和換熱量沿周向分布的不均勻性越來越大.當環境風速為12 m/s時，空冷塔的流動傳熱性能最差.

(3) 考慮廠房的影響后，空冷塔的通風質量流量和換熱量基本不變，但其沿周向分布的不均勻性增大，空冷塔的流動傳熱性能變差.

(4) 加裝翅墻后，環境風“圓柱繞流”運動被破壞，空冷塔的流動傳熱性能得到明顯改善，穿堂風質量流量減少了26.57%，通風質量流量和換熱量分別增加了24.55%、13.01%.

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