基于空氣流體力學原理解析火力發電廠空冷塔布置

塔拉，額爾敦畢力格，白 陽，樊洛岑，劉詩媛

(1. 內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010；2. 內蒙古中實工程招標咨詢有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

火力發電廠汽輪機排汽的空氣冷卻設施分為直接空冷塔和間接空冷塔。直接空冷塔也叫空冷島；間接空冷塔又分為自然通風間冷塔和機械通風間冷塔，但大中型火力發電廠一般采用自然通風間冷塔。本文中主要對空冷島和自然通風間冷塔布置進行分析研究。對于空冷島和自然通風間冷塔布置來說，最受關注的分別為爐后來風和塔群通道效應問題。對于爐后來風和塔群通道效應問題，行業內從各種角度上進行過較深的研究，但從空氣流體力學原理上對其進行分析的較少。爐后來風和塔群通道效應問題，本質上是空氣氣流遇到障礙物產生的效果。

基于此，本文從解釋空氣氣流遇到障礙物產生的效應入手，并利用其原理解析空冷塔布置典型問題，總結空冷塔布置原因導致的通風效率和氣流干擾注意事項。

1 障礙物對空氣氣流的影響

空氣氣流遇到障礙物后其方向、密度、速度發生變化，并在障礙物背風面產生復雜的湍流現象。如圖1、圖2 所示，當大氣流過障礙物時，因受到阻礙，在障礙物迎風面下部，風速減弱并且有上升氣流(遇到直立的障礙物時，其迎風面由于氣流的撞擊作用而使靜壓高于大氣壓，其風向與來風風向相反，伴隨湍流渦動)；障礙物頂部，因為氣流流線加密而風速加強；而在障礙物背風面，因氣流流線輔散，風速急劇減弱并且有下沉氣流，由于重力和慣性作用，背風面氣流往往成波狀流動，稱為尾流擾動區[1]。尾流擾動區風速會降低，還會產生很強的湍流，且該區域空氣循環流動與周圍大氣僅有少量交換。在孤立的障礙物兩側氣流，與頂部受到相同的影響，同樣風速加強。

圖1 氣流越過山丘典型矢量圖

圖2 氣流越過直立障礙物典型矢量圖

空氣氣流遇到障礙物后發生的風速變化可以利用風功率公式解釋。風功率等于面積、風速的立方、空氣密度的乘積[1]，即

式中：W為風功率，W；A為面積，m2；υ為風速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

理想狀態下，對于一個地點來說，空氣密度為常數；同時一定寬度和高度范圍內，障礙物前后風功率相等。因此障礙物迎風面方向和所處位置上的氣流通過面積和速度成反比。障礙物迎風面方向上的氣流通過面積大于障礙物所處位置的氣流通過面積，因此障礙物頂部和兩側(孤立的障礙物)風速高于其迎風面。而障礙物背風面，從障礙物頂部和兩側流過的外側氣流基本不受影響繼續往后流過，而內側氣流受到障礙物背風面空曠區影響：一方面，因背風面空曠區影響，面積增大而速度下降；另一方面，由于重力和慣性作用，氣流波狀流動，從而產生很強的湍流。所謂湍流是指風速、風向及其垂直分量的迅速擾動或不規律性。另外，受到外側氣流的保護，該區域空氣循環流動而與周圍大氣僅有少量交換。

在障礙物背風面對風速影響的水平距離大致是與障礙物高度和障礙物平均坡度半角的余切的乘積成比例[1]，即

式中：L為障礙物背風面對風速影響的水平距離，m；h為障礙物高度，m；α為障礙物平均坡度角，(°)。

障礙物對空氣氣流的影響延續至山群時會發生峽谷效應。比如兩座山體連線垂直于風向時，即風向與山谷走向一致時，山谷中的風速得到很大的增強。原因是氣流受到單個山體阻礙后，山體兩側風速加強，兩座山頭之間的山谷中兩側的速度本已加強的風力繼續疊加在一塊，成為強度更大的風力，形成峽谷效應。

2 空冷島爐后來風問題解析

空冷島布置中，與氣流相互作用關系中最受關注的問題為爐后來風影響。DL/T 5032—2018《火力發電廠總圖運輸設計規范》5.2.12-1中規定[2]：“宜平行布置在汽機房A 排外側，空冷凝氣器主進風側宜面向夏季主導風向，并兼顧全年主導風向，避免來自鍋爐后及側后的夏季較高風頻和風向；當夏季主導風向與次主導風向形成180°左右對角的廠址，汽機房與空冷島宜平行主導風向布置。”

鍋爐后及側后的夏季較高風頻和風向影響，可利用障礙物對空氣氣流的影響原理進行解釋。可把鍋爐房和汽機房看作高大的、孤立的障礙物，爐后來風被鍋爐房和汽機房阻礙，風速減弱并且氣流上升；在鍋爐房和汽機房頂部及兩側風速加強且同時受到鍋爐房熱量影響，溫度進一步升高；在空冷島區域正好形成尾流擾動區，導致熱風集聚，并形成空氣循環流動且與周圍大氣僅有少量交換的封閉區域，進而影響直接空冷系統冷卻效率，而且其產生的湍流直接影響空冷島結構及設備安全。

3 自然通風間冷塔塔群通道效應問題解析

自然通風間冷塔布置中，與氣流相互作用關系中最受關注的問題為塔群通道效應。DL/T 5032—2018《火力發電廠總圖運輸設計規范》5.2.11-2 中規定：“多座自然通風冷卻塔(本文中只針對自然通風間冷塔)集中布置時，不宜采用梅花形、菱形、三角形布置形式。”[2]并在5.2.11 條條文說明[2]：“當多座自然通風間冷塔集中群組布置采用梅花形、菱形、三角形布置形式時，容易產生通道效應，即當塔群受到較大的風荷載作用時，后排塔的迎風面產生較大的集中力，發生彈性破壞，而前排塔的背風面會因較大的負壓產生彈性穩定破壞。”

所謂的通道效應，實際原理與大氣候動力學中的峽谷效應相同。在三角形布置的三座自然通風間冷塔的任何兩個塔連線垂直于風向時，氣流受到此兩座塔阻礙后，冷卻塔兩側風速加強，兩座塔間區域中兩側的速度本已加強的風力繼續疊加在一塊，成為強度更大的風力，形成峽谷效應，后面對角線上冷卻塔受到峽谷效應會產生集中應力，同時前排塔的背風面產生復雜的湍流和負壓。梅花形、菱形布置為三角形布置的延伸，情況變得更加復雜，而且自然通風間冷塔梅花形、菱形布置時基本上都受到任何風向的峽谷效應影響。

從峽谷效應的原理分析，當廠址所在地兩個對角方向均存在非常明顯的強風，而其他方向風頻風能均非常弱時，自然通風間冷塔可以嘗試三角形布置，不過其中兩座塔的連線需平行于最強對角方向風力、垂直于最弱風力風向，如圖3 所示。圖中D為自然通風間冷塔常規避開距離。

圖3 自然通風間冷塔可采用三角形布置情形

另外，“多座自然通風冷卻塔集中布置時，不宜采用梅花形、菱形、三角形布置形式”是個相對概念，其基于最佳布置方式和節省結構投資理論。當實際條件不可避免的話，通過冷卻塔的工藝優化和結構加強等方式能消除其布置形式帶來的不利影響時，也可以采用梅花形、菱形、三角形布置形式，但其結構投資肯定會上升。

4 空冷塔與建(構)筑物方位和間距

確定空冷塔與建(構)筑物之間相對位置時，主要把通風和氣流動力干擾作為首要考慮因素。根據障礙物對空氣氣流的影響原理，廠區較高大建(構)筑物同樣會引起空冷島爐后來風和自然通風間冷塔群通道效應問題。因此，需要利用空氣流體力學原理分析建(構)筑物與空冷塔之間的相互作用，合理確定空冷塔與建(構)筑物之間相對位置。確定其相對位置關系后采取合理的間距，降低氣流動力干擾影響。國內空冷塔與建(構)筑物的相互通風干擾研究一般都基于濕式冷卻塔的研究成果，即

式中：Lmin為空冷塔與建(構)筑物之間最小避讓距離，m；H為空冷塔有效進風高度，m；h為建(構)筑物高度，m。

式(3)的原理如圖4 所示：首先把冷卻塔有效進風面看作為以冷卻塔進風高度H為半徑的扇形面。其次直立建(構)筑物坡度角可看作90°，那么根據式(2)，直立建(構)筑物影響氣流的尾流擾動區水平距離等于建(構)筑物高度，即圖中45°三角區為建(構)筑物影響氣流的尾流擾動區。那么以冷卻塔進風高度H為半徑的扇形面與建(構)筑物高度h為短邊的45°三角區面不交叉時，可以認為間冷塔與建(構)筑物之間避免了基本的氣流影響。根據幾何原理，直立建(構)筑物影響氣流的尾流擾動區水平距離等于其高度h；以冷卻塔進風高度H為半徑的扇形面與直立建(構)筑物影響氣流的尾流擾動區的45°斜線的切線夾角為45°，而扇形面半徑延伸線連接至45°斜線與地面交叉點時正好形成22.5°夾角，tan22.5°=0.414 214。所以間冷塔與建(構)筑物之間最小避讓距離為Lmin=0.414 214H+h，簡化為Lmin=0.4H+h。通過上述分析，式(3)符合空氣流體力學原理。

圖4 直立建(構)筑物與空冷塔之間最小避讓距離

當建(構)筑物為非直立的圓弧形狀時，式(3)中的h應等于式(2)中的L，即

式中：Lmin為間冷塔與圓弧形建(構)筑物之間最小避讓距離，m；H為間冷塔有效進風高度，m；H為圓弧形建(構)筑物高度，m；α為圓弧形建(構)筑物間冷塔一側的平均坡度角值，(°)。

也可以利用圖5 所示幾何原理確定空冷塔與圓弧形建(構)筑物之間最小避讓距離。利用式(4)計算的結果與圖5 所示幾何原理得出得結果是相近的，工程上均可利用，這進一步證明了利用空氣流體力學推導空冷塔布置原理的正確性。

圖5 圓弧形建(構)筑物與間冷塔最小避讓距離

5 廠址周圍地貌和廠區豎向設計對空冷塔的布置影響

廠址周圍地貌對空冷塔的布置影響同樣需要重視，避免受到高大地物的尾流擾動影響。如山區電廠中空冷塔不宜布置在山頭背風面，特別是山頭位于主導風向上風側時嚴禁背風面布置空冷塔[4]。總平面布置不可避免時，可根據式(2)～(4)合理避讓距離。

廠區豎向設計中一般對場地采取一定坡度，從而導致廠區各建(構)筑物室外設計地坪標高存在差異，特別是階梯式豎向布置的場地中此差異更為明顯。場地對間冷塔造成擋風影響主要存在于階梯式豎向布置的場地。在階梯式豎向布置的場地中，為降低地基處理工程量，一般情況下間冷塔等大型建(構)筑物宜布置在低臺階挖方區，輔助、附屬生產區布置在高臺階填方區。這種布置將可能導致高臺階上布置的輔助、附屬設施與高臺階本身高度疊加，對間冷塔進風造成影響。特別是夏季主導風向上風側上的高臺階上布置較高大的輔助、附屬建(構)筑物時會加劇對間冷塔的擋風和動力干擾影響。因此，在總平面布置時，不僅要在平面上保證間冷塔布置的合理性，而且要保證豎向布置的合理性。

冷卻塔與直立建(構)筑物設計地坪標高值不同時，式(3)應變為

式中：Lmin為空冷塔與建(構)筑物之間最小避讓距離，m；H為空冷塔有效進風高度，m；h為建(構)筑物高度，m；△h為建(構)筑物和空冷塔地坪高差值(建(構)筑物地坪高于空冷塔時取正直，反側取負值)，m。

式(5)的原理如圖6 所示。

圖6 直立建(構)筑物與空冷塔不同設計地坪時的最小避讓距離

冷卻塔與圓弧形建(構)筑物設計地坪標高值不同時，式(4)應變為

式中：Lmin為間冷塔與圓弧形建(構)筑物之間最小避讓距離，m；H為間冷塔有效進風高度，m；H為圓弧形建(構)筑物高度，m；α為圓弧形建(構)筑物間冷塔一側的平均坡度角值，(°)；△h為建(構)筑物和空冷塔地坪高差值[建(構)筑物地坪高于空冷塔時取正直，反側取負值]，m。

也可以利用圖7 所示幾何原理，確定設計地坪標高值不同時的空冷塔與圓弧形建(構)筑物之間最小避讓距離。

圖7 圓弧形建(構)筑物與空冷塔不同設計地坪時的最小避讓距離

需要注意的是，不管是建(構)筑物和空冷塔設計地坪是否存在高差，其避讓距離僅為總圖專業進行廠區總平面規劃布置時的最佳距離。因每個電廠所處的氣象環境和電廠本身總平面格局均不同，最終避讓距離均應通過模擬實驗進一步論證。根據實驗結果，進一步調整其間距，達到技術經濟最合理的結局。

6 結語

火力發電廠中空冷塔為廠區重要的設備及建(構)筑物之一，空冷塔合理的布置直接影響著電廠的效率，對節能降耗起到關鍵作用。本文中對氣流遇到障礙物后的效應進行論述，利用風功率公式對其效應進行論證，進而利用空氣流體學原理對空冷島爐后來風問題、自然通風間冷塔群效應問題、空冷塔與建(構)筑物避讓距離公式進行解析，為空冷塔布置提供理論依據和總結其關鍵注意事項，供業內相關參考借鑒。