聲屏障及填料和配水協同優化對濕式冷卻塔熱力性能的影響

步兆彬,夏友剛,孔凡新,江廣旭,楊繼沖,何鎖盈,高 明,張政清

(1.山東華聚能源股份有限公司 趙樓綜合利用電廠,山東 菏澤 274700;2.山東大學 能源與動力工程學院/高效節能及儲能技術與裝備山東省工程實驗室,山東 濟南 250061;3.山東交通學院 汽車工程學院,山東 濟南 250357)

0 引 言

自然通風逆流式濕式冷卻塔因結構簡單、冷卻效率高,常作為火力發電系統的冷卻設備[1-2],對其強化增效的研究也一直受到廣泛關注[3-4]。濕式冷卻塔的填料區占全塔換熱量的60%以上[5];而配水區的配水方式直接影響塔內循環水的分布形態,且對全塔氣水比的分布起到決定性作用[6]。目前,對填料區而言,非均勻布置是主要的強化措施,包括非等高[7]和非等片距布置[8]。相比于填料的非等高布置,填料的非等片距布置可以避免因填料高度不同而帶來的局部配水不均的問題,是更合理的一種填料布置方式[9]。SHAHALI等研究發現片距較小的填料熱力性能較好但通風性能較差[10]。ZHANG等[11]、CHEN等[8,12]研究發現非等片距布置可有效強化冷卻塔的換熱,但需對填料的半徑分割點進行優化設計才能達到較好的效果。

目前,分區配水方式是配水區最主要的性能強化方式[13-14],且二分區和三分區是最常用的分區方式。ZHOU等研究發現,適當減少內區配水量同時增加外區配水量,可有效增強全塔換熱效果[15]。ZHANG等將分區配水和填料的非等片距布置進行耦合,形成了兩區協同增效方案[11]。結果表明,填料和配水兩區協同增效方案比單一方案具有更明顯的增效效果。

此外,冷卻塔雨區的水滴下落過程中沖擊水面形成較大的淋水噪聲,對周圍環境產生嚴重影響。對冷卻塔降噪的研究也一直受到研究人員的關注。周揚建立了淋水噪聲計算模型,研究了冷卻塔運行工況對淋水噪聲的影響規律[16]。黃平等對淋水噪聲進行了測試,發現濕式冷卻塔的淋水噪聲多為中高頻且穩定的噪聲[17]。目前,冷卻塔的降噪措施主要是在冷卻塔周圍修建聲屏障,阻礙噪聲的傳播[18]。聲屏障的高度需要超過冷卻塔的進風口,這勢必對冷卻塔的熱力和通風性能造成影響[19]。無風工況下聲屏障會影響冷卻塔的正常進風,而側風工況下又一定程度上起到防風墻的作用[20]。因此,聲屏障對冷卻塔性能的影響要視具體工況和運行條件而定,需深入研究。

隨著技術的進步,涉及填料和配水的兩區協同增效方案以及增設聲屏障用以降低冷卻塔噪聲的方式在冷卻塔的設計施工中已經被廣泛應用。但是,聲屏障對填料和配水協同優化的濕式冷卻塔熱力及通風性能影響的研究還未見報道。本文針對帶有聲屏障的兩區協同增效冷卻塔展開研究,基于數值計算的方法研究聲屏障對填料和配水協同優化的濕式冷卻塔熱力及通風性能影響規律,為帶有聲屏障的兩區協同增效冷卻塔的設計提供理論基礎和指導。

1 物理模型

1.1 幾何模型及物性參數

本文以魯西南地區某300 MW火電機組配備的濕式冷卻塔為研究對象。該塔總高度141.7 m,喉部高度113.02 m,出口直徑52.23 m,喉部直徑47.5 m,進風口高度7.728 m,塔底直徑92.842 m。該塔的名義淋水面積為5 500 m2,設計填料為高度1 m的S波填料,設計配水系統采用均勻配水方式。該塔設計的運行參數及氣象數據如下:進塔水溫45 ℃,循環水流量39 186 m3/h,環境干球溫度28.3 ℃,相對濕度89%,大氣壓強99.6 kPa,累年平均風速2.5 m/s。

為了降低雨區淋水噪聲對周圍辦公環境的影響,后續改造中,在辦公區方向增設2部分相互垂直的聲屏障(長度分別為105 m和54 m),聲屏障的高度為12.4 m。

為了增強該塔的熱力和通風性能,對冷卻塔進行了涉及填料和配水的兩區協同增效改造。如圖1所示,冷卻塔內區和外區分別采用30 mm和26 mm的填料,形成填料的非等片距布置方式,同時在總配水量一定的前提下增加外區配水、減少內區配水,形成冷卻塔的分區配水模式。表1、2分別為所涉及填料的熱力和阻力參數,其中A、m、A0和n0為性能實驗擬合參數。

圖 1 非等片距和分區配水協同增效Fig.1 Synergistic enhancement scheme of non-equidistant fillings and non- uniform water distribution

表 1 填料的熱力性能參數

表 2 填料的阻力性能參數

1.2 簡化假設

對冷卻塔的幾何結構及其內部氣水流動做如下簡化假設,在此基礎上,對氣水流動過程進行建模計算。

1) 氣體為理想氣體,滿足氣體狀態方程;

2) 忽略塔內細節結構,以阻力源項對其產生的氣動阻力進行計算;

3) 氣水流動皆處于穩定狀態;

4) 塔內水滴為剛性球,只在z向運動。

2 數學模型及其離散化

2.1 控制方程

對濕空氣運動描述的控制方程為通用形式,并已經有廣泛的應用[5, 21],此處不再贅述。

根據守恒原理推導得出的循環水運動的控制方程如式(1)～(3)所示[5]。

(1)

(2)

(3)

式中:g為當地重力加速度,m/s2;ρw為循環水的密度,kg/m3;ρ為濕空氣的密度,kg/m3;vw,z為循環水水滴在豎直方向上的速度,m/s;mw為單個水滴的質量,kg;fz為單個水滴收到的來自氣流的阻力,N。

2.2 計算域及邊界條件

為了充分考慮外界環境對冷卻塔內部氣水流動狀態的影響,本文計算過程中采取的計算域為高600 m、直徑800 m的大圓柱空間區域,冷卻塔置于圓柱空間區域的底部中心。計算域及對應的邊界條件類型如圖2所示。

圖 2 計算域及邊界條件類型Fig.2 Calculation domain and boundary conditions

在無風工況下,整個計算域的出口條件為壓力出口,入口邊界條件為壓力入口;在側風環境下,計算域出口為壓力出口,入口為速度入口。外部空間區域與冷卻塔內部區域以交界面邊界類型連接。假設聲屏障為實體墻,其邊界條件為壁面。為了模擬實際狀態下的側風環境,在側風工況下進口風速大小與高度呈風速廓線關系,如式(4)所示[22]。

(4)

式中:vref為參考位置的環境風速,m/s;vz為高度z處的環境風速,m/s;z表示位置高度,m。

2.3 計算方法

以Fluent軟件中集成的氣體流動模型計算濕空氣運動過程,編寫UDF程序計算循環水控制方程。以用戶自定義標量UDS計算循環水控制方程中的參數。氣水運動的相互作用,包括傳熱、傳質和動量交換等過程,以氣水控制方程的源項實現[23-25]。

以殘差和出塔水溫、出塔氣溫等關鍵參數的變化為依據判斷控制方程計算的收斂性。當能量方程殘差小于10-6,其余殘差小于10-4,且塔內關鍵參數不發生變化時,判斷計算過程收斂。

2.4 模型驗證

首先驗證網格的獨立性,其次驗證模型計算的準確性。基于ICEM CFD進行網格劃分。分別創建了網格數量為115萬、140萬、188萬和196萬的4套網格系統,以設計工況為計算工況進行計算,用以驗證網格的獨立性。計算結果如表3所示。綜合考慮計算精度和計算資源,本文選擇188萬的網格系統進行后續計算研究。

表 3 網格獨立性驗證

出塔水溫的設計值是基于能量守恒和質量守恒原理,并結合修正系數綜合計算得出,在工程實踐中被證明和初建冷卻塔的實測值較為一致,常作為模型驗證的數據[3,26]。另外,本文研究對象已運行多年,填料面臨老化等問題,出塔水溫的實測值與最初的數據出現較大偏差,已不適合用于模型的驗證,因此本文將計算值和設計值進行比較,驗證模型的準確性。在網格獨立性基礎上,對不同運行工況進行計算,比較計算值和設計值以驗證模型準確性。如表4所示,本文模型最大誤差為3.53%,符合計算精度要求。

表 4 模型準確性驗證

3 結果與討論

側風是影響冷卻塔運行的重要變量。本文重點研究側風工況下聲屏障對填料和配水協同優化的濕式冷卻塔熱力性能的影響。首先分析聲屏障和兩區協同增效方案對塔內溫度場、速度場和水蒸氣組分分布的影響,在此基礎上定量分析聲屏障和兩區協同增效方案對熱力和通風性能的影響。

3.1 塔內物理場演變規律

本文所涉及冷卻塔的累年平均風速為2.5 m/s,在此側風工況下研究冷卻塔內各物理場的演變規律才具有實際意義,包括溫度場、空氣速度場和水蒸氣質量分數分布。為了充分對比,本文給出3種結構下冷卻塔的計算結果,即未經任何改造的原始塔、增加聲屏障的原始塔以及增加聲屏障及兩區協同增效改造的冷卻塔。

圖3(a)為塔內溫度場云圖。由于側風會誘導進風口上沿氣流紊亂,故3種結構下在進風口的迎風側都會出現小范圍的高溫區。增加聲屏障會在一定程度上縮減迎風側進風口上沿的高溫區范圍,此時聲屏障起到擋風墻的作用。另外,由于外界冷風不易進入冷卻塔中心,導致原始塔塔心出現明顯的高溫區。對比發現,增加聲屏障會減小塔心高溫區的范圍。在增加聲屏障的基礎上,實施填料和配水的協同優化措施會進一步減小迎風側進風口上沿和塔心區域的高溫區范圍。從溫度云圖的對比可知,在本文研究工況下,聲屏障和兩區協同增效方案都對塔內溫度場的均勻分布產生有利影響。

圖3(b)為冷卻塔內空氣流速分布云圖。在2.5 m/s側風風速下冷卻塔內部空氣流速呈非對稱性分布特征,在進風口迎風側附近以及背風側出風口附近都出現小范圍的高流速區。另外,空氣繞流導致的旋渦現象致使進風口上沿出現低風速區,但迎風側的低風速區范圍明顯高于背風側。增加聲屏障和實施兩區協同增效方案會使迎風側進風口附近的高風速區在一定程度上減小,但對塔內整體的空氣流速分布影響并不明顯。

圖3(c)為水蒸氣質量分數分布云圖。與塔內溫度場分布類似,由于空氣的繞流作用在進風口上沿的迎風側附近空氣流速變慢,出現水蒸氣質量分數較高的區域。另外,塔心區域空氣流速較小,氣水傳質充分,出現水蒸氣質量分數較高的區域。對比可知,增加聲屏障后塔心區域的水蒸氣質量分數明顯減小,而實施兩區協同增效方案后塔心區域的水蒸氣質量分數進一步減小。

(a) 冷卻塔內溫度場云圖

(b) 冷卻塔內速度場云圖

(c) 冷卻塔內水蒸氣質量分數云圖

3.2 熱力性能變化規律

循環水溫降和冷卻數是評價冷卻塔熱力性能最常用的2個參數[27-28],其中循環水溫降是冷卻塔熱力性能最直接的體現。水溫降隨環境風速的變化如圖4所示。可以看出:水溫降的變化趨勢在6 m/s風速處存在臨界點。對比可知,在僅增加聲屏障這一改造下,冷卻塔的水溫將會略有減低。這可能是由于聲屏障在一定程度上對冷卻塔的進風產生了削弱作用。但是,增加兩區協同增效方案后冷卻塔的循環水溫降又有明顯的提高。這說明兩區協同增效方案可以有效抵消聲屏障的不利影響。定量計算可知,聲屏障結合兩區協同增效方案后水溫降平均增加了0.06 ℃,在降低噪聲的同時保證了冷卻塔的正常運行。由于冷卻塔的循環水量巨大,較小的溫降即可引起較大的全塔散熱量變化。以本文冷卻塔39 186 m3/h循環水量計,0.06 ℃的溫降增量可引起每小時約9 875 MJ散熱量的變化。

圖 4 循環水溫降隨側風風速的變化Fig.4 The variation of circulating water temperature drop with crosswind

圖5為冷卻數隨側風風速的變化。可以看出:與循環水溫降的變化規律類似,冷卻數隨側風風速的增加也是先減小后增大。在無風工況下增加聲屏障前后冷卻數相差不大,在側風工況下聲屏障使冷卻數減小。但增加兩區協同增效方案后,冷卻數明顯增加。這說明,增加兩區協同增效方案可抵消聲屏障對冷卻數的不利影響。定量計算可知,聲屏障結合兩區協同增效方案可使冷卻數平均增加3.8%。

圖 5 冷卻數隨側風風速的變化Fig.5 The variation of Merkel number with crosswind

3.3 全塔通風性能

冷卻塔通風量隨環境風速的變化趨勢如圖6所示。可以看出:隨著環境風速的不斷變大,通風量變化趨勢也存在臨界點,同樣出現在6 m/s風速處。通過對比發現,在各個側風風速環境下原始塔的全塔通風量都是最大的。這是由于采用聲屏障會在一定程度上影響冷卻塔的正常進風;另一方面在冷卻塔內增加小片距填料也會形成更大的通風阻力,最終導致全塔通風量的減小。雖然在經過改造后,冷卻塔的全塔通風量有所減小,但是一方面填料的非均勻布置在塔內形成了更為合理的空氣動力場分布,另一方面增加了整個填料區的熱力性能。

圖 6 全塔通風量隨側風風速的變化Fig.6 The variation of ventilation with crosswind

4 結 論

1) 在本文研究工況條件下聲屏障和兩區協同增效方案可均勻塔內溫度場、空氣流速分布和水蒸氣質量分數分布。

2) 兩區協同增效方案可在一定程度上削弱聲屏障的不利影響,使循環水溫降和冷卻數比原始塔分別平均增加了0.06 ℃和3.8%。

3) 雖然通過改造后全塔通風量有所減小,但空氣動力場分布更為合理,最終使冷卻塔熱力性能有所增加。