改善間冷塔換熱性能方案分析

楊照

摘要：環境風速變化使間冷塔內外空氣流場發生改變，導致其換熱性能發生變化，因此如何優化間冷塔內外空氣流場具有重要意義。以某660MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，建立了三維模型并利用CFD換熱器中簡單效能法結合多孔介質模型，在不同環境風速下，對間冷塔空氣流場分布及換熱性能進行了數值模擬。根據間冷塔流場分布提出了3種改善方案，并定義了反映改善程度的改善系數。結果表明：間冷塔內外同時布置擋風墻（D方案）對其換熱性能改善最大，間冷塔內部布置擋風墻（C方案）對其換熱性能改善最小;D、C兩方案分別在18m/s和8m/s時對間冷塔換熱性能改善最大，改善系數約為17.34%和4.29%;D方案和B方案相比C方案換熱性能均有一定改善，在18m/s時均取得最大值，分別約為14.69%和15.39%。因此，對于風向較固定的地區，D方案可以有效改善間冷塔的換熱性能。

關鍵詞：環境風速;間冷塔;空氣流場;換熱性能;改善系數;擋風墻

1 前言

在我國西北干旱地區，隨著小型火電機組逐漸被中大型火電機組取代，大型間接空冷系統則顯得越來越重要。間接空冷塔（簡稱間冷塔）作為間接空冷系統中的重要部件，通過空氣與循環冷卻水換熱后使其溫度降低，達到循環利用的目的。SCAL型間冷塔由于具有節約廠用電、結構較簡單等優點，近年來被廣泛采用。由于環境風速變化使間冷塔內外空氣流場發生改變，導致其換熱性能發生變化，故許多學者對其展開了深入的研究。

以某660MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，在夏天最不利的條件下，利用CFD換熱器中簡單效能法并結合多孔介質模型，對無擋風墻（A方案）進行數值模擬，根據流場分布提出3種改善方案，即塔外布置擋風墻（B方案）、塔內布置擋風墻（C方案）和塔內外同時布置擋風墻（D方案），并探討了循環水平均出口水溫變化，從而為擋風墻的布置方案提供一定的參考。

2 模型建立

2.1 幾何模型、網格劃分及邊界條件設置

選取某660MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，其相關尺寸如表1所示。散熱器局部示意圖如圖1所示。為了便于統計和分析數據，將散熱器分為24個扇區，其中7扇區和18扇區包括5個冷卻三角，其它扇區包括6個冷卻三角。迎風區為1到3和22到24扇區，側風區為4到9和16到21扇區，背風區為10到15扇區。分別研究了3種不同擋風墻改善方案，其尺寸大小及位置如表1所示。B方案是在塔外側風區的正中央垂直于風向布置兩個擋風墻，C方案是在塔內沿圓周方向均勻布置10個擋風墻，D方案是B方案和C方案的組合。間冷塔擋風墻不同方案及散熱器分區如圖2所示。選取計算域為X×Y×Z（500m×500m×500m）。

圖1散熱器局部示意圖

網格劃分：采用Map和Cooper方式劃分網格。當環境風速為5.5m/s時，對網格無關性進行驗證。取網格數為448萬、511萬和598萬進行數值計算，結果表明塔出口質量流量偏差約小于1.98%，故認為進行了網格無關性驗證。最終確定網格總數為511萬。邊界條件設置：迎風面設置為velocity-inlet，背風面設置為outflow。間冷塔不同高度處環境風速采用冪指數函數變化，即：

式中：v10為10m高度處的風速大小，m/s;z為間冷塔進風口不同高度，m。該間空冷機組大風期出現在夏季，風向沿X負方向。

2.2 計算模型

為了更準確地模擬循環水和空氣的換熱過程，選取了CFD中換熱器模型中簡單效能法并結合多孔介質模型。單個macro的換熱量是該macro所包含的所有網格單元計算得到的換熱量總和，其計算式為：

換熱器區域總的換熱量為：

式中：qmacro為單個macro的換熱量，W。

2.3 數值模型驗證

間冷塔驗證工況參數如表2所示。對其工況參數進行了模擬驗證，其結果如表3所示。在誤差允許的范圍內，證明了該數值模型的正確性。

2.4 改善系數

定義I為不同改善方案下相比A方案的改善系數，即：相同條件下，不同改善方案下的換熱量Q與A方案下的換熱量Q0之比減去1后乘以100;定義M為不同改善方案相比最差改善方案的改善系數，即：相同條件下，不同改善方案的換熱量Q與最差改善方案的換熱量Qmin之比減去1后乘以100，即：

改善系數大小直觀地反映了各改善方案改善程度的大小。

3 各方案對間冷塔換熱性能的影響

當無環境風且無擋風墻時，在塔的吸力作用下，塔外空氣通過散熱器對流換熱后均勻進入塔內。此時擋風墻不同布置方案對塔內外流場影響很小，故各扇區的通風量和換熱量近似相等。由于不同改善方案通風量和換熱量變化趨勢在8m/s或12m/s發生轉折，故以8m/s和12m/s為例，對間冷塔換熱性能進行分析。

3.1 A方案對間冷塔換熱性能的影響

當環境風速為8m/s和12m/s時，間冷塔內外流場分布如圖3、圖4所示。結果表明：迎風區換熱最好，背風區其次，側風區最差;當環境風速為8m/s時，側風區出現穿堂風。原因如下：環境風流過間冷塔散熱器外側時做“圓柱繞流”運動，且隨著環境風速的增加而增強，結果使得側風區和背風區的通風量減小;環境風流過間冷塔側風區散熱器外側時，由于切向速度大，使間冷塔吸力減小，使得側風區通風量減小;進入迎風區和背風區的氣流在塔內相遇后形成近似關于X軸對稱的渦流，從而增大了背風區空氣進入塔內的阻力;隨著環境風速的增加，迎風區氣流對側風區和背風區的沖擊就越大;迎風區通風量隨著環境風速的增加而增加，背風區和側風區隨著環境風速的增加而減小，當環境風速增加到某一值時出現穿堂風。故迎風區換熱性能最好，側風區換熱性能最差。

3.2 B方案對間冷塔換熱性能的影響分析

當環境風速從8m/s增加到12m/s時，1到6扇區和19到24扇區通風量增加，7到18扇區通風量減小。由于通風量增加幅度略大于其下降幅度，故塔的通風量略增加，但側風區和背風區換熱性能下降幅度大于迎風區換熱性能增加幅度，故塔的換熱性能下降。當環境風速為8m/s時，與A方案相比：1到9扇區和16到24扇區通風量均不同程度的增加，10扇區到15扇區通風量減小，側風區無穿堂風存在。由于通風量增加幅度大于其下降幅度，故使得塔通風量增加，換熱性能有所提高。當環境風速為12m/s時，與A方案相比：1到7扇區和18到24扇區通風量增加，側風區（8、9、16和17扇區）和背區13扇區出現穿堂風，其余扇區通風量減小。由于通風量增加幅度大于其下降幅度，故使得塔通風量增加，換熱性能有所提高。相同條件下受外側擋風墻的影響：環境風流經擋風墻時，切向速度突然減小為0，徑向速度增大，使得一部分環境風改變方向后進入側風區散熱器內，從而增大了擋風墻上游臨近扇區的通風量;由于“圓柱繞流”運動減弱也使得該擋風墻下游臨近扇區的通風量增加;當環境風速為12m/s時，側風區開始出現穿堂風，通風量開始下降;受擋風墻影響背風區外側形成渦流且隨著風速的增加其范圍越來越大，使得壓力降低，通風量下降。

3.3 C方案對間冷塔換熱性能的影響

當環境風速為8m/s和12m/s時，其單位扇區通風量。由于通風量增加的幅度小于其下降的幅度，故塔的通風量下降，換熱性能也下降。當環境風速為8m/s時，與A方案相比：迎風區和背風區通風量變化不大，側風區通風量增加，故塔的通風量增加，換熱性能略提高。當環境風速為12m/s時，與A方案相比：迎風區通風量變化不大，側風區通風量增加，背風區通風量略減小。由于通風量增加的幅度略大于其下降的幅度，故塔的通風量略增加，換熱性能也略提高。相同條件下受內側擋風墻的影響：塔內一定范圍內形成孤立的區域，從而在一定程度上減弱了迎風區氣流對背風區氣流的沖擊作用，使得穿堂風量減小，同時容積流量減小使得壓力升高，故渦流數量隨著環境風速的增加而增多，使得背風區通風量減小;“圓柱繞流”作用減弱，使得側風區通風量增加。

3.4 D方案對間冷塔換熱性能的影響

由于通風量增加幅度略大于其下降幅度，故塔的通風量略增加，但側風區和背風區換熱性能下降幅度大于迎風區換熱性能上升幅度，故塔的換熱性能下降。當環境風速為8m/s時，與A方案相比：迎風區通風量變化較小，側風區通風量增加，背風區通風量減小。由于通風量增加幅度大于其下降幅度，故塔的通風量增加，換熱性能提高。當環境風速為12m/s時，與A方案相比：迎風區和側風區的通風量都增加，背風區通風量下降，且形成穿堂風的扇區數量減小。由于通風量增加幅度大于其下降幅度，故塔的通風量增加，換熱性能提高。相同條件下受內外擋風墻的影響：迎風區通風量隨著環境風速增加其增幅變大;側風區由于“

圓柱繞流”運動減弱，使得通風量增加;背風區由于塔內和塔外渦流影響，其風量下降且下降幅度略變緩。

4 結語

（1）建立了間冷塔三維數值模型，利用CFD換熱器中簡單效能法結合多孔介質模型;對不同環境風速下間冷塔換熱性能進行了模擬研究;根據其流場分布提出了B方案、C方案和D方案來改善間冷塔換熱性能，并定義了改善系數。

（2）B、C和D方案相比A方案換熱性能均有改善;C方案當環境風速為8m/s時I取得最大值，約為4.29%;B和D方案當環境風速為18m/s時I均取得最大值，分別約為16.63%和17.34%。

（3）B方案和D方案相比C方案換熱性能也得到改善，均在18m/s時M達到最大，分別約為14.69%和15.39%。

（4）D方案為最優方案，C方案為最差方案。因此對于風向較固定的地區，D方案可以有效改善間冷塔的換熱性能。

參考文獻：

[1]王雪波.環境風影響下間接空冷系統循環水流量分配優化研究[D].華北電力大學（北京），2017.

[2]郭浩.三塔合一間接空冷塔優化研究[D].華北電力大學，2017.

[3]盛波.側風對間接空冷塔性能影響的數值研究及防風措施的探索[D].東南大學，2015.

[4]吳曉鵬.間接空冷系統熱力性能分析和設計研究[D].華北電力大學（北京），2014.

[5]向同瓊.間接空冷機組空冷塔翅墻結構優化及數值模擬研究[D].華北電力大學，2014.

[6]王高敏.大型空分裝置空冷塔系統的研究與優化[D].華東理工大學，2011.