填料非均勻布置耦合分區配水對濕式冷卻塔熱力性能的影響

步兆彬, 孫更生, 江廣旭, 呂 賽, 楊繼沖, 何鎖盈, 高 明

(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,濟南 250061)

根據國家統計局數據,2022年火力發電量為5.88×1012kW·h,占總發電量約67%,可見火力發電依然是我國的主要發電方式[1]。冷卻塔是電廠冷端系統中重要的冷卻設備,其對發電機組出力和安全運行具有重要影響[2-4]。配水區和填料區是冷卻塔的主要傳熱傳質區,針對此兩區的節能增效技術及優化改進,國內外眾多學者進行了相關研究[5]。

對于填料區的增效研究,主要包括填料本身的改進[6-7]以及填料布置方式的優化。Gao等[8-9]的研究結果表明,無風和側風條件下非等高填料布置可增加空氣流場分布的均勻性,提高換熱性能。王淼等[10]研究發現填料非等高布置可使塔內氣水比分布均勻,強化傳熱傳質。此外,Chen等[11-12]和Yang等[13]發現填料非等片距布置可明顯改善塔內流場及溫度場的均勻性,增強全塔通風,緩解側風的不利影響,有效提高了冷卻塔冷卻性能。

對于配水區的增效研究,許多學者發現分區配水可增強冷卻塔熱力性能[14]。Li等[15]研究了三分區配水形式對出塔水溫的影響,結果顯示水的溫降最大可提升0.958 K。Zhou等[16]提出了一種新型的四分區配水形式,研究發現其可顯著提高塔內區的傳熱傳質性能。黨志剛[17]、Zhang等[18]和王為術等[19]協同分析了非等片距填料與分區配水對冷卻塔熱阻特性的影響,結果表明全塔冷卻性能可進一步提升。陳瑞等[20]發現側風下非等片距填料和分區配水協同優化依然能有效提高全塔熱力性能,并隨風速的增大優化效果減弱。

通過上述分析,部分學者協同研究了非均勻填料布置和分區配水,但未考慮多工況下填料與配水參數耦合對全塔熱力性能的影響。鑒于此,筆者基于數值方法,開展填料非均勻布置耦合分區配水研究,揭示不同工況下填料非均勻布置耦合分區配水對冷卻塔熱力性能的影響,獲得各個工況下相對最佳的耦合方案,可為大型濕式冷卻塔的性能優化以及工程改造提供指導。

1 物理模型

以某300 MW火力發電機組配備的大型濕式冷卻塔為研究對象,該塔名義淋水面積為5 500 m2,塔頂標高為114.7 m,進風口標高為7.728 m,填料為片距30 mm S波填料,且高度為1 m。

本研究將填料區和配水區沿徑向分為圓形內區和環形外區,填料內外區分別配置片距30 mm和26 mm的S波填料,重新分配配水內外區配水占比,進而形成填料非均勻布置耦合分區配水的節能增效模式,如圖1所示。其中:R1為配水分區半徑;R2為填料分區半徑。S波填料的熱力和阻力特性參數分別見表1和表2,其中A、m、A0和n0為填料熱力特性及阻力特性實驗參數;q為淋水密度,kg/(m2·s)。

圖1 填料非均勻布置耦合分區配水示意圖

表1 填料熱力特性參數

表2 填料阻力特性參數

2 數學模型

2.1 空氣側控制方程

濕空氣的運動、傳熱及組分變化由質量守恒、動量守恒、能量守恒和組分守恒方程來描述,并利用標準k-ε湍流模型對控制方程進行湍流封閉。以上守恒方程可采用以下通用形式[13]表示:

?(ρavφ)=?(Γφ?φ)+Sφ

(1)

式中:ρa為空氣的密度,kg/m3;v為空氣速度,m/s;φ為通用變量,當φ=1時表示質量守恒方程,當φ為u、v和w時表示動量守恒方程,當φ=T時表示能量守恒方程,當φ=Yv時表示組分守恒方程,當φ為k和ε時表示湍流方程;Γφ為擴散系數;Sφ為控制方程源項。

2.2 循環水側控制方程

循環水在配水區和雨區內以水滴形式與空氣進行熱交換,而在填料區內以液膜形式進行傳熱傳質。配水區和雨區內水滴采用當量直徑法來描述,且假設水滴為剛性球體,豎直下落。循環水的控制方程[13]如下:

(2)

(3)

(4)

式中:z為z向高度,m;Sm為質量守恒方程源項,kg/(m3·s);cw為循環水的比熱容,J/(kg·K);tw為循環水溫度,K;Swe為單位體積由循環水傳遞給空氣中的熱量(能量守恒方程源項),W/m3;vwz為循環水豎直下落速度,m/s;ρw為循環水的密度,kg/m3;fz為循環水所受的阻力,N;mw為單個水滴的質量,kg;g為重力加速度,m/s2。

2.3 控制方程源項

循環水和空氣之間的交互作用采用方程源項來處理,其中包括質量、動量和能量守恒方程源項。

基于對流傳質的單膜理論,質量守恒方程的源項[2]如式(5)所示:

Sm=Ka(χ″-χ)

(5)

式中:Ka為傳質系數,kg/(m3·s);χ″為飽和濕空氣的含濕量,kg/kg;χ為濕空氣的含濕量,kg/kg。

循環水和空氣能量守恒方程的源項(即單位體積由循環水傳遞到空氣中的熱量以及空氣側吸收水側的熱量),如式(6)和式(7)[2]所示:

Swe=Ka(tw-Ta)+Smrw

(6)

Sae=(Kh+Smcv)(tw-Ta)

(7)

式中:rw為循環水的汽化潛熱,kJ/kg;Sae為空氣側吸收水側的熱量,W/m3;Kh為傳熱系數,kW/(m3·K);cv為水蒸氣的比熱容,J/(kg·K);Ta為空氣溫度,K。

Ka和Kh的具體計算方法分別見文獻[5]和文獻[13]。

填料區的動量方程源項可表示為單位體積填料內濕空氣的z向阻力Fz,用壓降形式[20]表示:

(8)

(9)

式中:Δp為壓降,Pa;Hf為填料高度,m;vz為濕空氣的z向速度,m/s;A0和n0為不同填料的阻力特性參數,見表2。

配水區和雨區的阻力Fi主要來自于水滴下落對空氣的阻礙作用,由式(10)和式(11)計算[20]:

(10)

(11)

式中:i為x、y和z方向;dw為水滴的當量直徑,m;fi為單個水滴i方向所受的阻力,N;Cd為空氣與水滴之間的阻力系數;Red為濕空氣的雷諾數;μ為空氣的動力黏度,Pa·s。

2.4 計算域和邊界條件

建立了直徑800 m和高度600 m的圓柱形計算區域,計算域和邊界條件如圖2所示。計算域頂部為壓力出口,地面和塔壁設置為壁面邊界類型,無風時圓柱側面為壓力進口,側風時迎風面為速度進口、背風面為壓力出口。側風廓線函數表示風速與高度之間的對應關系,如式(12)所示。

(12)

式中:vz-a為塔外z高度處的環境空氣流速,m/s;vref為zref高度處的空氣流速,m/s。

圖2 計算域和邊界條件Fig.2 Computational domain and boundary conditions

2.5 網格劃分和計算方法

采用Solidworks和ICEM軟件分別進行幾何建模和網格劃分,如圖3所示。整體計算域包括外界計算域和冷卻塔部分,兩者單獨進行六面體結構化網格劃分,同時對冷卻塔主要傳熱傳質區進行網格加密,然后合并成整體計算域網格系統。

利用Fluent軟件進行模擬計算。定義用戶自定義變量(UDS)和編寫用戶自定義函數(UDF),用于計算循環水的控制方程,空氣和循環水的交互作用通過控制方程源項來實現。采用Simple算法來耦合壓力和速度。當能量殘差小于10-6,其他項殘差小于10-4,且連續迭代100次所監測的水溫值基本不變時,認為迭代收斂。

(a) 整體計算域網格

(b) 冷卻塔網格圖3 網格劃分Fig.3 Meshing

2.6 模型驗證

2.6.1 網格獨立性驗證

通過網格加密分別建立了網格數量為115萬、140萬、188萬和196萬的4套網格系統,在設計工況下進行網格獨立性驗證,計算結果如表3所示。隨著網格數量的增加,模擬所得出塔水溫值逐漸接近設計值,相對誤差越來越小。綜合考慮計算精確度和經濟性,選擇網格數量為188萬的網格系統(G-3)進行后續研究。

表3 網格獨立性驗證

2.6.2 模型準確性驗證

參考文獻[2]和文獻[5]的驗證方法,根據濕式冷卻塔塔內的熱力和阻力平衡方程,并結合經驗系數,通過迭代計算得到不同工況下的設計值。基于網格系統G-3,選擇4種不同運行工況用于驗證模型的準確性,計算結果見表4。模擬值與設計值之間最大相對誤差為3.53%,小于5%,表明所建立的三維數值模型滿足準確性要求,可用于后續研究與模擬計算。

表4 模型準確性驗證

3 結果與分析

首先研究填料分區半徑對冷卻塔熱力性能的影響,進而優化得到相對最佳的填料分區半徑。接著,基于優化的填料分區半徑,通過改變配水分區半徑,重新分配配水內外區配水占比,研究不同工況下分區配水參數對冷卻塔熱力性能的影響。最后,經過分析得到各個工況下優化的耦合增效方案。

3.1 填料非均勻布置對冷卻塔熱力性能的影響

以設計工況下無風時為例,分析不同填料分區半徑對冷卻塔熱力性能的影響。圖4為冷卻數和體積傳熱系數隨填料分區半徑的變化曲線。由圖4可知,隨著填料分區半徑R2的增大,冷卻數和體積傳熱系數均先增大后減小。當R2=25 m時,冷卻數和體積傳熱系數最大,冷卻塔熱力性能最優。與原始塔(片距30 mm的S波填料均勻布置且均勻配水)相比,冷卻數和體積傳熱系數分別增大了0.07 W/(m3·K)和7.92 W/(m3·K)。因此,設計工況下無風時,相對最佳的填料分區半徑為R2=25 m。

圖4 冷卻數和體積傳熱系數隨填料分區半徑的變化曲線

根據上述研究思路,同樣優化得到設計工況下側風v=2.5 m/s以及春夏秋冬季典型工況下(運行和環境參數見表5)相對最佳的填料分區半徑,分別為15 m、10 m、20 m、7.5 m和2.5 m。經以上分析,得到了各個工況下相對最佳的填料分區半徑,為后續填料非均勻布置耦合分區配水研究奠定了基礎。

表5 不同工況下運行參數和環境參數

3.2 填料非均勻布置耦合分區配水下塔內溫度場和氣水比場

以設計工況下無風和側風(v=2.5 m/s)時為例,分析塔內溫度場和氣水比場。無風與側風時,填料區分別以優化的R2=25 m和R2=15 m進行分區,配水區分別以R1=25 m和R1=15 m進行分割,并改變內外區的配水占比,P表示內區配水占比。

圖5和圖6分別為無風和v=2.5 m/s時不同內區配水占比下Y=0 m截面的空氣溫度場。圖7和圖8分別為無風和v=2.5 m/s時不同內區配水占比下填料底面的氣水比場。

圖5 無風時不同內區配水占比下Y=0 m截面的空氣溫度場

由圖5可知,無風條件下,塔中心溫度高,外圍溫度較低,溫度場呈現左右對稱分布。與均勻配水P=37.69%相比,P=35%時,雨區低溫區面積增加,塔中心高溫區面積顯著減小,分布更趨于均勻;P=45%時,內區配水量增加,導致塔中心傳熱傳質集中,溫度劇烈上升。

圖6 v=2.5 m/s時不同內區配水占比下Y=0 m截面的空氣溫度場

由圖6可知,由于側風影響,塔內溫度場對稱分布被破壞,塔高溫區向迎風側偏移,背風側出現低溫區。側風下,與均勻配水P=12.85%相比,P=10%時,塔中心的高溫區顯著減小,但當P=15%時,塔中心溫度升高,熱質傳遞惡化。

圖7 無風時不同內區配水占比下填料底面的氣水比場

由圖7可知,在設計工況下(無風),當均勻配水P=37.69%時,塔內氣水比分布呈現內區低外圍高的特點,這是由于塔內部氣體流速低,流量小,且內外區配水密度一致,因此內部的氣水比偏低。減小內區配水量,即當P=35%時,塔中心區低氣水比面積顯著減小,全塔氣水比分布更趨于均勻。增加內區配水量,即當P=45%時,塔中心區域氣水比降低,空氣質量流量減小,傳熱傳質性能惡化,但外圍區域氣水比有一定幅度增加。

由圖8可知,側風下,迎風面出現部分低氣水比區域,背風面出現小面積的高氣水比區。與均勻配水P=12.85%相比,當P=10%時,塔中心的低氣水比區消失,但外圍氣水比有所下降;當P=15%時,與P=10%相反,內區氣水比急劇下降,外區有所增大。

3.3 填料非均勻布置耦合分區配水對冷卻塔熱力性能的影響

設計工況下無風時,填料區以優化的R2=25 m進行分區,改變配水分區半徑R1和內區配水占比P,研究不同填料非均勻布置耦合分區配水方案下冷卻塔的熱力性能。

圖9為不同配水分區半徑下熱力性能指標隨內區配水占比的變化曲線。由圖9可知,不同配水分區半徑下冷卻數和體積傳熱系數均隨內區配水占比的增大先增大后減小,當配水分區半徑R1為15 m、20 m、25 m、30 m、35 m和40 m時,相對最佳的內區配水占比分別為10%、20%、35%、45%、69%和92.5%,與原始塔相比,冷卻數分別增大0.07、0.08、0.09、0.08、0.08和0.07,體積傳熱系數分別增大12.2 W/(m3·K)、13.5 W/(m3·K)、17.0 W/(m3·K)、16.9 W/(m3·K)、14.5 W/(m3·K)和8.3 W/(m3·K)。當R1為15～35 m時,適當降低內區配水占比,而當R1=40 m時,適當增大內區配水占比,均可提高冷卻塔整體熱力性能。因此,無風時,當R1=25 m且P=35%時,冷卻塔熱力性能相對最優。

(a) R1=15 m

(b) R1=20 m

(c) R1=25 m

(d) R1=30 m

(f) R1=40 m圖9 不同配水分區半徑下熱力性能指標隨內區配水占比的變化曲線Fig.9 Variation curves of thermal performance with water distribution percentage in the inner zone and partition water distribution radius

結合第3.2節塔內溫度場和氣水比場的分析,當配水分區半徑R1較小時,減小內區配水量,可降低內區的通風阻力,增大空氣流速,強化傳熱傳質,緩解此區域的高溫高濕現狀,但同時也增大了外區的進風阻力。隨著R1的增大,外區覆蓋面積越來越小,增加此部分配水量,將會導致其淋水密度很大,嚴重影響進風效果,降低通風性能,進一步惡化傳熱傳質性能,此時增加P可改善此情況,提高熱力性能。因此,可通過合理配置內外分區半徑和配水量,使全塔內外區的熱力性能達到最優。

設計工況下側風v=2.5 m/s時,填料區以優化的R2=15 m進行分區,同樣改變配水分區半徑R1和內區配水占比P,研究側風下不同填料非均勻布置耦合分區配水方案下冷卻塔的熱力性能。

圖10為設計工況下側風v=2.5 m/s時不同配水分區半徑下冷卻數隨內區配水占比的變化曲線。由圖10可知,設計工況下側風v=2.5 m/s時,不同配水分區半徑R1下,冷卻數均隨內區配水占比P的增大先增大后減小。當R1=10～40 m,優化的P分別為5%、10%、20%、30%、69%和92.5%時,與側風v=2.5 m/s下的原始塔相比,冷卻數分別增大了0.06、0.06、0.08、0.07、0.07和0.06。因此,設計工況下側風v=2.5 m/s時,優化的耦合方案為R2=15 m、R1=20 m、P=20%。與設計工況下無風時的優化方案相比,冷卻數低0.01。

圖10 設計工況下側風v=2.5 m/s時不同配水分區半徑下冷卻數隨內區配水占比的變化曲線

由于側風影響,塔內流場變得混亂,且高溫高濕區向迎風側移動,物理場分布極不規律,導致傳熱傳質惡化,側風下填料非均勻布置耦合分區配水的增效程度低于無風下的增效程度。

3.4 不同季節典型工況下耦合優化增效方案

以春季典型工況為例,分析不同季節典型工況下的耦合優化增效方案。圖11為春季不同配水分區半徑下冷卻數隨內區配水占比的變化曲線。由圖11可知,春季典型工況不同配水分區半徑R1下,冷卻數均隨內區配水占比P的增大先增大后減小。以R1=15 m為例分析以上變化趨勢,當內區配水占比較小時,大部分的循環水分布在外區,造成進風阻力較大,進而影響內部的熱質傳遞;隨著內區配水占比的增大,外區通風阻力減小,空氣更容易進入塔內部,全塔的熱力性能提升,當P=10%時,冷卻數最大,熱力性能最優,此時內區配水占比低于外區;繼續增大內區配水占比到均勻配水(P=12.85%)時,內外區淋水密度一致,內區呈現高溫高濕現狀,換熱效果變差,熱力性能開始下降;內區配水占比繼續增大時,內區的配水量逐漸增加,傳熱傳質將急劇惡化,熱力性能減弱。

當R1=10～40 m,優化的P分別為1%、5%、10%、30%、70%和91.5%時,與該工況下原始塔相比,冷卻數分別增大了0.10、0.11、0.12、0.11、0.10和0.10。因此,春季時,當R1=15 m且P=10%時,冷卻塔的熱力性能相對最優。

圖11 春季典型工況不同配水分區半徑下冷卻數隨內區配水占比的變化曲線

根據上述春季工況研究思路,改變環境參數和運行參數,分別對夏季、秋季和冬季典型工況下的耦合增效方案進行優化研究,考慮到篇幅,不再一一描述,耦合優化增效方案具體見表6。

表6 春夏秋冬四季典型工況下的耦合優化增效方案

4 結 論

(1) 設計工況下無風時隨著填料分區半徑的增大,冷卻數和體積傳熱系數均先增大后減小,相對最佳的填料分區半徑為R2=25 m。

(2) 與均勻配水相比,適當減小內區配水量時,雨區低溫區面積增加,塔中心高溫區面積減小,溫度場分布更趨于均勻,同時可顯著提高內區的氣水比。

(3) 設計工況下,不同配水分區半徑R1時冷卻數和體積傳熱系數均隨內區配水占比P的增大先增大后減小。當R1=15～35 m時適當降低P,而當R1=40 m時適當增大P,均可提高冷卻塔的整體熱力性能。當R1=25 m、P=35%時,冷卻塔熱力性能相對最優,與原始塔相比,冷卻數增大了0.09,體積傳熱系數增大了17.0 W/(m3·K)。給出了設計工況側風v=2.5 m/s和春夏秋冬四季典型工況時的耦合優化增效方案。