間接空冷機組“三塔合一、四位一體”技術應用研究

張軍峰

摘要：針對不同環境風速工況，以660MW 超超臨界間接空冷機組為例，通過計算流體力學（CFD）模擬軟件對“三塔合一、四位一體”系統進行了仿真模擬，分別計算了無除塵裝置、臥式低位布置以及立式布置三種方案下10m高度處的水平風速為0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s對空冷塔熱力性能的影響。結果表明，隨著水平風速的增加，出塔水溫呈增加趨勢;在TRL工況下，三種方案的水溫范圍分別為51.7-56.08℃、51.72-55.61℃和51.71-55.6℃。在TMCR工況下，三種方案的水溫范圍分別為32.77-37.18℃、32.79-36.75℃和32.78-36.69℃。期望為優化間接空冷系統、煙氣系統、脫硫系統、濕式除塵系統的布置提供參考。

Abstract： Against the different wind speed conditions， taking 660MW ultra-supercritical indirect air cooling unit as an example， the

"three towers in one and four in one" system was simulated by computational fluid dynamics （CFD） simulation software. The influences of horizontal wind speeds of 0m/s， 2m/s， 5m/s， 8m/s and 12m/s on the thermal performance of the air cooling tower under three schemes of no dust removal device， horizontal low position arrangement and vertical arrangement were calculated respectively. The results show that with the increase of horizontal wind speed， the water temperature in the tower increases. Under TRL conditions， the water temperature ranges of the three schemes are 51.7-56.08℃， 51.72-55.61℃ and 51.71-55.6℃ respectively. Under TMCR conditions， the water temperature ranges of the three schemes are 32.77-37.18℃， 32.79-36.75℃ and 32.78-36.69℃ respectively. It is expected to provide reference for optimizing the arrangement of indirect air cooling system， flue gas system， desulfurization system and wet dust removal system.

關鍵詞：間接空冷機組;三塔合一;計算流體力學;布置工藝

Key words： indirect air cooling unit;three towers in one;computational fluid dynamics;arrangement process

中圖分類號：X51;M621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）25-0173-03

0? 引言

燃煤發電廠的“三塔合一”是將火電廠煙囪（煙塔）、間接空冷塔和脫硫吸收塔“三塔合一”，將濕式除塵器布置于間冷塔內形成四位一體布置。利用冷卻塔熱空氣抬升煙氣排放，將脫硫吸收塔、濕式除塵器、煙囪及CEMS等設備布置在冷卻塔內的燃煤發電廠系統優化布置技術[1-2]。該方式的優勢在于節約用地、節約投資、節約用水、節約能耗和減少污染，目前已被學者廣泛研究。席新銘等[3]通過建立了間接空冷塔內布置煙囪和脫硫塔的數學模型，分析了環境風和煙囪高度對塔內空氣流場及散熱器熱力性能的影響。趙文升等[4]通過構建“三塔合一”間接空冷塔的數學模型，獲得了結構參數對熱力性能的影響規律，并以進塔風量和出塔水溫為評價標準，獲得了最優的結構參數?！叭弦弧笔且粋€涉及流體力學、熱熱傳質學、環境科學和計算數學等多學科領域的復雜問題，為此國外的相關流場模擬同樣具有參考價值[5-7]。

1? “三塔合一、四位一體”系統

1.1 間接空冷系統

間接空冷系統一般由凝汽器、循環水管道、循環水泵、間接空冷塔、冷卻三角等設備和系統組成，如圖1所示。系統流程為：汽機排汽進入凝汽器，與流經凝汽器管束內的冷卻水進行表面換熱，蒸汽將熱量傳遞給冷卻水，并凝結為凝結水。吸收熱量的冷卻水經循環水泵增壓后輸送至空冷塔內的空冷散熱器，將熱量釋放到大氣，空冷塔冷卻水出水再回到汽機房凝汽器內作閉式循環。

間接空冷塔為雙曲線自然通風鋼筋混凝土結構。為了增加空冷散熱器的換熱面積、提高散熱效果，空冷散熱器采用翅片板熱交換器，熱交換器管組成冷卻三角布置在冷卻塔外圍。在冷卻塔的抽吸作用下，空氣通過空冷散熱器，將熱量帶走，散發在大氣中。為了方便換熱器的換熱量控制，冷三角被劃分為幾個冷卻扇段，在冷卻三角外面安裝百葉窗。通過百葉窗控制通風量調節循環水溫。也可以通過控制投入扇段的數量來控制冷卻水的溫度。

1.2 煙氣系統

鍋爐煙氣經過鍋爐尾部受熱面后進入脫硝裝置，脫硝后煙氣進入空氣預熱器，經空氣預熱器換熱后進入電除塵，經除塵后凈煙氣通過引風機出口煙道經冷卻塔下部進風口接入布置于冷卻塔內的脫硫吸收塔，經脫硫吸收塔處理后的煙氣進入濕式除塵器，濕式除塵器出口煙氣接入塔內煙囪排放。

1.3 脫硫系統

脫硫采用石灰石—石膏濕法脫硫。煙氣進入脫硫吸收塔后，通過噴淋吸收區，噴淋吸收區布置有多層噴嘴，將漿液均勻地噴射于充有煙氣的塔中。在吸收塔內，煙氣自下向上流動，與高效霧化噴嘴噴出的自上而下很細的霧狀脫硫漿液形成高效率的氣液接觸，并發生化學反應，煙氣中SO2轉換生成亞硫酸鈣后匯入吸收塔下部循環漿池，煙氣中的95%以上的SO2被去除。漿液循環泵將石灰石漿液送入噴嘴進行霧化。吸收塔底部的石膏漿液通過排出泵排出脫水后形成石膏。經脫硫后的煙氣為帶水汽的濕煙氣，通過塔上部除霧器除去大部分液滴后進入后續濕式除塵器裝置。

1.4 濕式電除塵系統

濕式電除塵器用來處理脫硫吸收塔出口濕煙氣，主要用來除去含濕氣體中的微塵、霧滴等物質。濕式電除塵器一般根據煙氣流向分為橫流式（煙氣流向為水平方向進出，臥式布置）和豎流式（煙氣流向為垂直方向進出，立式布置）。在電極放電作用下沉集在極板上的粉塵通過工藝水沖洗收集，工藝水可回收循環利用，使用濕式電除塵器后含濕煙氣中的煙塵排放可達5mg/m3以下。根據濕式除塵器的布置方式和位置，分為立式布置、臥式低位布置、臥式中高位布置和臥式高位布置。

2? 數學建模

為能更為準確地表述本模型的依據，本節分別從流場建模方程[5]、阻力計算[6]和網格劃分等方面進行了系統介紹。

2.1 空氣流場方程

間接空冷塔在機組運行、氣象環境穩定時，忽略實際運行工況輕微變換的影響，為簡化數學模型將塔內外空氣流場可以按穩態計算。空氣流場的通用控制方程表示如下：

2.2 散熱器阻力模型

空冷散熱片、百葉窗阻力計算公式如下：

公式中：P1為空氣垂直通過散熱片的阻力，單位為Pa;P2為空氣通過百葉窗阻力（全開），單位為Pa;ξ1為散熱片的阻力系數，變化范圍通常為23～53;ρam為通過散熱片的定性氣溫下的空氣密度，單位為kg/m3;定性溫度為散熱三角入口空氣溫度與出口空氣溫度的平均值;ρa1為散熱片入口空氣溫度下的空氣密度，單位為kg/m3;V 為空氣通過管束的迎面風速，單位為m/s。

2.3 計算方法

計算采用流體軟件 FLUENT（流場仿真），對根據空氣流場方程和散熱器阻力模型建立的空冷塔三維數學模型進行求解。離散方程組中速度與壓力解耦采用 SIMPLEC（簡化為不可壓縮流體）算法，應用分離變量法對離散方程進行求解，冷卻塔動量方程中對空氣流動和傳熱耦合求解，采用QUICK（快速收斂）模式作為速度和溫度場的離散格式。

2.4 網格劃分

采用 GAMBIT（網格設定）網格劃分軟件，進行三維模型的網格劃分，具體劃分采用結構化網格和自適應性網格相結合的方式。整個區域可分為塔內和塔外。建立了帶有立式布置、臥式低位布置、臥式中高位布置、臥式高位布置間接空冷塔網格模型。計算域為 1000m×1000m×1000m。

3? 案例分析

3.1 設定條件

以某660MW 超超臨界間接空冷機組配套的間接空冷塔為例，其主要設計參數如下：塔高173.7m，喉部高度145m，塔殼底部半徑為66.5m，冷卻塔出口半徑為49.1m，喉部半徑為47.6m;進風口高度為27.5m，散熱器高度為28m，散熱器的外圍半徑為78m，冷卻三角基礎高2m，冷卻三角的高位24m;冷卻塔的迎面風速設計值為1.77m/s，散熱器的平均傳熱系數為44.6W/（m2k），散熱器面積約157萬m2。取兩個工況，即夏季TRL和額定TMCR。夏季TRL工況主要參數為：塔循環水量62410t/h、進塔水溫60.5℃，在環境溫度32.1℃、大氣壓859hPa、海拔高度1150m、相對濕度0.55、冷卻塔零米以上10m處環境風速5m/s時，間冷塔出水水溫≤50.1℃。額定TMCR工況：進塔循環水量62410t/h、進塔水溫41.3℃，在環境溫度14.7℃、大氣壓866hPa、海拔高度1150m、相對濕度0.50、冷卻塔零米以上10m處環境風速5m/s時，間冷塔出水水溫≤31.2℃。

3.2 結果與討論

脫硫吸收塔、濕式除塵器、排煙管道等主要工藝構件的布置形式對冷卻塔熱力、阻力性能影響，以及煙氣的擴散過程。取10m高度處的水平風速分別為0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s，研究其對空冷塔熱力性能的影響，結果如圖3和圖4所示。其主要結論如下：①無自然風時，臥式低位布置和立式布置對通風量影響小于1.0%，對阻力系數影響小于2.0%。 ②在自然風速小于2m/s時，臥式低位布置方案與立式布置方案對間接空冷塔的出塔水溫影響小于0.01℃，在自然風速大于5m/s時臥式低位布置方案將使出塔水溫降低約0.5℃，而立式布置方案影響較小。③自然風速小于8m/s時立式布置對冷卻塔的通風量影響很小，而臥式布置能增大冷卻塔的通風量約8%，當風速達到12m/s，采用立式或臥式脫硫裝置都使冷卻塔通風量增大約14%，所以除塵器等構件能減緩自然風的影響。④當排煙量與冷卻塔通風量的比值小于2.5%，排煙引起冷卻塔通風量、抽力和阻力系數等參數的變化幅度都小于0.15%，所以排煙對于冷卻塔的熱力、阻力性能影響非常小。

4? 結論

間接空冷火力發電廠采用“三塔合一、四位一體”布置時，通過分析除塵器的布置方式和位置，對立式布置、臥式低位布置、臥式中高位布置和臥式高位布置四種方式，通過建立內置脫硫裝置、濕式除塵器的自然通風間接空冷塔的熱力、阻力計算模型研究分析，通過對比10m高度處的水平風速為0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s時各種布置對間接空冷塔性能影響，濕式除塵器在間冷塔內低位臥室布置對冷卻塔熱力、阻力性能影響最小。

參考文獻：

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