大型循環水涼水塔內部空氣流場數值模擬及優化研究

摘 要 通過對某石油化工企業循環冷卻水系統涼水塔內部軸流風機流場進行數值模擬研究，掌握涼水塔內部空氣流場的紊流程度對軸流風機流量、全壓和軸功率的影響規律。根據現場測繪數據建立基于Mixture的涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型，通過對實際運行數據與CFD數值模擬結果的比較分析，驗證了所建模型的正確性。通過增加導流罩對涼水塔內部空氣流場結構進行優化設計，降低了涼水塔內部空氣流場的紊流程度，在軸流風機流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風機冷卻能力）的情況下，實現了降低軸流風機軸功率，提高風機運行穩定性的目的。

關鍵詞 涼水塔 內部空氣流場 結構優化 數值模擬

中圖分類號 TQ053.5 " 文獻標志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0533?06

近年來，隨著石油化工企業規模的大型化，與之相配套的公用工程系統能耗問題變得異常突出。在石油化工行業，循環水系統是企業正常生產不可或缺的必備系統之一，但其整體能耗較大，各種轉動設備類的耗電量約占石油石化行業用電量的25%、占能耗總量的8%，因此若能降低循環水系統自身能耗，對降低企業生產能源消耗、促進企業降本增效、提高經營效益具有重要的現實意義。

涼水塔作為循環水系統中重要的設備設施，是石油化工企業特別關注的能耗裝置。根據石油化工企業生產運行數據統計，循環水系統中循環水泵、涼水塔風機是用電大戶，占循環水系統能耗的95%以上，而涼水塔風機又占循環水泵和涼水塔風機總能耗的10%～15%左右，因此，重點研究循環水泵和涼水塔風機的節能降耗是循環水系統節能改造的關鍵［1］。

常見的涼水塔型式有開式、閉式和填料式涼水塔。其中，填料式涼水塔與其他涼水塔的工作原理存在細微差別。填料式涼水塔的工作原理是：通過布水管上的噴水嘴將循環水均勻噴灑在塔內填料淋水裝置上并向下流動，同時利用風機將外界的空氣吸進塔內向上流動，完成空氣與循環水的熱量交換，實現對循環水的冷卻。現階段的填料式涼水塔存在一系列問題［2］：

a. 填料式涼水塔需要機械通風，電能消耗大，運行成本高。由于填料式涼水塔需要將外界的空氣吸入涼水塔中從而實現水與空氣的對流換熱，因此循環水量越多所需的風量越大，涼水塔的絕大部分能耗是風機消耗的。一個完整的風機系統由電機、葉片、減速系統、潤滑系統及聯動系統等部分組成。其中，風機葉片的傾斜角可調節，風機葉片傾斜角度越大，風機的運行負荷越大，但與電機、減速系統及聯動系統等部分一樣，其有效功率的效率基本上是固定的，一般隨風機運行負荷變化不大，單純降低風機自身的能耗有時還會影響循環水系統的運行（例如，將風機葉片傾斜角度調小，風機軸功率隨之降低，但可能造成循環水溫度無法達到煉油化工裝置的生產工藝要求）。

b. 隨著涼水塔的運行，出現了兩方面問題，一方面會造成填料的老化破損，導致填料堵塞；另一方面，隨著細菌的滋生以及淤泥的沉淀，在填料表面極易造成循環水的溝流和束流問題，導致循環水分布不均勻，最終影響空氣和循環水的熱交換效率。

針對涼水塔在運行過程中存在的問題，通過運行過程中的檢維修就可以解決，但由于風機各系統有效功率的效率基本上是固定的，單純從風機本體角度出發進一步降低其能耗是非常困難的。為此，筆者提出從涼水塔內部整體流場的角度出發，研究進一步降低風機能耗，提高涼水塔運行效率是非常有必要且較為科學可行的節能技術途徑。

1 風機實際運行數據與涼水塔內部空氣流場數值模擬對比

1.1 涼水塔熱力性能及能耗考核標準規范

目前，涼水塔熱力性能及能耗考核標準主要有美國和西歐相關專業機構的標準規范，其中美國CTI熱力性能認證是對涼水塔換熱效率的認可，但忽略了電機能耗的考核，在當下節能減排的情況下不太適用。

“中國CCTI性能評價”和GB/T 7190.1—2018規定，標準工況下能耗不大于0.030 kW·h/m3是涼水塔耗電比的硬性指標，可見，涼水塔的能耗對循環水系統運行成本起著重要作用。

涼水塔的能源效率等級（簡稱能效等級）是表示產品能源效率高低差別的一種分級方法，依據能效系數大小依次分為1、2、3、4、5共5個等級，表1為涼水塔的能效等級表。

從我國現行的涼水塔能效等級標準可以看出，對涼水塔耗電比的硬性指標要求，會促使石油化工企業加大對大型填料式涼水塔節能減排技術的改造力度，特別是一些舊填料式涼水塔的技術改造，將成為石油化工企業必須完成的一項重點工作。

1.2 涼水塔性能參數及運行參數

現場測繪某石油化工企業循環冷卻水系統涼水塔各部件的性能參數（表2）。圖1為優化前后的涼水塔結構尺寸圖。

涼水塔運行參數如下：

干球溫度 28 ℃

濕球溫度 23 ℃

大氣壓 88 540 Pa

進口水溫 40 ℃

出口水溫 30 ℃

循環水量 5 000 m3/h

從近幾年循環水場運行記錄可以得到，涼水塔的運行參數全部在規定范圍內，在不同的運行工況之下，涼水塔有效功率的效率始終變化不大。

1.3 涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型及涼水塔優化前后風阻系數理論計算

為進一步正確掌握和優化現有涼水塔內部空氣流場的流體動力學規律，在保持涼水塔軸流風機流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風機冷卻能力）的前提下，通過對涼水塔內部加裝“天圓地方”的導流罩以減小涼水塔內部空氣流場的紊流度，從而達到降低涼水塔軸流風機功率的目的［3］。

1.3.1 三維模型建立及網格劃分

根據涼水塔各部件的幾何性能參數數據，分別建立基于Mixture的涼水塔結構優化前后內部空氣流場三維紊流流體動力學模型［4］，如圖2、3所示。按照有限元網格劃分原則，分別對涼水塔結構優化前后內部空氣流場三維紊流流體動力學模型進行網格劃分，所劃分的網格單元數分別為584 766（wedge cells楔形單元）和2 754 675（mixed cells混合單元）［5，6］。

1.3.2 邊界條件及風阻系數理論計算

根據建立的涼水塔結構優化前后內部空氣流場三維紊流流體動力學模型，按照涼水塔運行工藝參數要求和涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學原理，邊界條件設定為：入口設定為速度入口，速度為5.32 m/s；出口設定為壓力出口，出口面壓力為0 Pa［7，8］。

在相同動力學模型邊界條件下，計算涼水塔結構優化前后的風阻系數C為：

C=

式中 Δp——涼水塔風機全壓，Pa；

u——空氣流速，m/s；

ρ——空氣密度，ρ=1.225 kg/m3。

根據已知參數，計算得到涼水塔結構無導流段優化之前涼水塔內部空氣流場風阻系數為4.02，涼水塔結構有導流段優化之后涼水塔內部空氣流場風阻系數為3.00。

1.3.3 優化前CFD數值模擬

采用實際運行數據對優化前的涼水塔內部空氣流場進行CFD數值模擬計算，結果如圖4所示。涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型的CFD數值模擬計算結果與涼水塔的實際運行參數完全一致，說明涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型是正確的，計算結果準確、可靠。

CFD數值模擬結果能夠準確定量掌握涼水塔內部空氣流場的內在規律，特別是能夠反映涼水塔內部空氣流場的紊流程度與軸流風機流量、全壓以及軸功率之間的影響規律［9～11］。

1.3.4 優化后CFD數值模擬

對優化后的涼水塔內部空氣流場（在涼水塔內部加裝“天圓地方”的導流罩）進行CFD數值模擬計算，結果如圖5所示。可以看出，同樣在保持涼水塔軸流風機流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風機冷卻能力）的前提下，空氣從下向上流動過程中產生的紊流漩渦極少，這些極少的紊流漩渦隨空氣主流場運動時基本上不會增加主流場的紊流度，因此涼水塔內部空氣流場的紊流度減小，有效降低了涼水塔軸流風機的軸功率［12］。

2 優化效果

2.1 技術效益分析

根據現場測繪得到的涼水塔各部件幾何性能參數數據，建立基于Mixture的涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型，對實際運行數據與CFD數值模擬進行對比分析研究，準確定量得到了涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型和CFD數值模擬結果。通過對涼水塔內部結構優化前后的數值模擬結果進行對比分析，可以非常明顯、準確地得出，涼水塔內部空氣流場結構優化后，在保持軸流風機流量、全壓基本不變（不犧牲軸流風機冷卻能力）的情況下，能夠有效降低軸流風機的軸功率，并且使風機運行的穩定性得到了增強，達到了節能減排的目的。同時，所建立的涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型也為循環水涼水塔的優化設計和運行過程中的性能校核提供了科學、準確的理論計算方法和科學依據。

2.2 經濟效益分析

涼水塔內部空氣流場結構經過優化后，根據目前的運行狀況，對于一座5 000 m3/h處理量的涼水塔，一年可節省運行費用15.22萬元左右。對于大型石油化工企業來說，一般需要配備20～30座

5 000 m3/h處理量的涼水塔，一年節省運行費用將高達228.30～342.45萬元左右（一年四季按75%的綜合運行臺數進行計算）。因此，涼水塔內部空氣流場優化改造節能減排技術措施的實施，會給大型石油化工企業帶來非常可觀的經濟效益，同時也極大地促進了企業節能減排工作的落實。

3 結束語

建立了基于Mixture的涼水塔內部空氣流場三維紊流流體動力學模型，對實際運行數據和CFD數值模擬結果進行對比研究，驗證了模型的正確性、可靠性，同時得到了涼水塔內部空氣流場紊流程度對軸流風機流量、全壓和軸功率的影響規律。對涼水塔內部空氣流場結構進行優化，在涼水塔內部加裝“天圓地方”的導流罩，CFD數值模擬結果表明，優化后的涼水塔結構降低了風機輸出軸功率，降低了涼水塔的綜合能耗，計算得到涼水塔風機的輸出軸功率降低了約25.1%，通過流場優化改造實現了節能減排的目標。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-07-03，修回日期：2024-07-16）

Numerical Simulation and Optimization Study on the Internal

Air Flow Field in Large Circulating Water Cooling Tower

BAI Ting?he 1，2， DA Yu?bo3

（1. CNPC Lanzhou Petrochemical Co.； 2. School of Petrochemical Engineering， Lanzhou University of Technolog；

3. Lanzhou Xigu Urban and Rural Development "amp; Investment Co.， Ltd.）

Abstract " Through simulating and investigating the axial fan’s flow field in the cooling tower of a petrochemical enterprise’s circulating cooling water system， obtaining the effect rule of the air flow field’s turbulence degree which influencing the axial fan’s flow rate， total pressure and shaft power within the cooling tower， having the field surveying and mapping data based to establish a three?dimensional turbulent hydrodynamic model of the air flow field inside the cooling tower was implemented， including comparatively analyzing both actual operation data and CFD simulation results to verify correctness of the model established. The results show that， adding the guiding hood can optimize the structure of the air flow field inside the cooling tower， reduce the degree of turbulence there ; in addition， under the condition of basically keeping the axial fan’s flow rate and full pressure unchanged （without sacrificing the cooling ability of the axial fan）， reducing the axial fan’s axial power and improving its operation stability can be realized.

Key words " cooling tower， internal air flow field， structure optimization， numerical simulation