超大型海水冷卻塔鹽沉積影響數(shù)值模擬研究

摘 要：針對核電項目中的大型海水冷卻塔，采用三維數(shù)值模型，結(jié)合廠址氣象數(shù)據(jù)、冷卻塔設(shè)計參數(shù)、總圖布置以及周圍環(huán)境特征，研究了2 座超大型自然通風(fēng)海水冷卻塔在建筑物、自然風(fēng)相互作用下的冷卻塔飄滴擴(kuò)散遷移特征和鹽沉積量。結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境風(fēng)向與塔排平行時，出口熱空氣相互疊加形成一股氣流，有利于減少飄滴和鹽沉積對環(huán)境的影響;粒徑大于550 μm 的飄滴不能從高位冷卻塔出口逸出;2 臺核電機(jī)組正常運行工況時，鹽沉積量一般不會對植物造成損壞。

關(guān)鍵詞：飄滴;鹽沉積;海水冷卻塔;環(huán)境風(fēng);數(shù)值模擬

中圖分類號：X822. 7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著沿海工業(yè)的飛速發(fā)展及淡水資源的日益緊缺，海水循環(huán)冷卻技術(shù)作為一項環(huán)保型節(jié)水新技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展[1] 。海水冷卻塔運行時，經(jīng)過熱交換后的濕熱空氣攜帶著小的液滴從冷卻塔出口排出形成飄滴，在環(huán)境風(fēng)的影響下飄向遠(yuǎn)處最終落到地面，飄滴所含的鹽類物質(zhì)造成鹽沉積，可對地面上的植物等帶來影響。

目前針對冷卻塔鹽沉積問題常用的研究方法主要為現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬兩種。在現(xiàn)場監(jiān)測研究方面，目前主要通過4 種方法對陸地的鹽沉積量進(jìn)行監(jiān)測[2] 。沈亞東[3] 采取濕式沉降法測量了某海水塔四季的鹽沉積量，結(jié)果表明風(fēng)向和風(fēng)頻率對鹽沉積量有較大影響，鹽沉積的峰值往往出現(xiàn)在主導(dǎo)風(fēng)的下風(fēng)向。

數(shù)值模擬方面目前常用方法是季節(jié)/ 全年冷卻塔影響預(yù)測模式（SACTI）[4-9] ，該模型由美國電力研究院開發(fā)，只需給定廠址條件、氣象條件和塔的運行條件就能預(yù)測鹽沉積分布。已有大量學(xué)者利用此模型對海水冷卻塔鹽沉積的分布范圍和峰值進(jìn)行研究，進(jìn)而評估鹽沉積對周邊植物的危害程度。隨著計算流體力學(xué)（CFD） 技術(shù)的發(fā)展，有國外學(xué)者開始用CFD 技術(shù)模擬冷卻塔霧羽的抬升與飄滴沉積的規(guī)律。Meroney[10] 通過對比CFD 模擬結(jié)果和現(xiàn)場實驗的示蹤結(jié)果，證實CFD 技術(shù)在預(yù)測霧羽及飄滴軌跡方面的結(jié)果與現(xiàn)場實驗基本一致。Bornoff 等[11] 利用CFD 技術(shù)研究了單塔、多塔不同排列情況下的霧羽抬升情況，對比模擬結(jié)果和風(fēng)洞試驗結(jié)果認(rèn)為二者吻合度較好。CFD 技術(shù)和SACTI 模型作為最常用的預(yù)測飄滴及鹽沉積分布的手段，有學(xué)者對二者的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了對比，認(rèn)為SACTI 模型計算過程中難以體現(xiàn)廠址建筑物及其地形對周圍流場及霧羽遷移擴(kuò)散的影響，而CFD 技術(shù)具有該方面的優(yōu)勢[12-13] 。本文采用CFD 技術(shù)針對國內(nèi)某電廠的2 座海水冷卻塔，研究了在建筑物、自然風(fēng)相互作用下冷卻塔的飄滴特性及鹽沉積對周邊環(huán)境造成的影響，研究結(jié)果可為電廠的選址提供技術(shù)參考，對冷卻塔對環(huán)境的影響評價工作具有重要意義。

1 冷卻塔設(shè)置參數(shù)

國內(nèi)某電廠的2 座海水冷卻塔沿南北方向布置，塔的中心間距為250 m，每個冷卻塔的東側(cè)均有兩個低矮建筑，詳見圖1，冷卻塔主要尺寸列于表1，填料采用S 波，填料高度為2 m。循環(huán)海水的含鹽量為2. 8%，考慮濃縮倍率1. 5。

2 數(shù)值計算

2. 1 控制方程

冷卻塔在機(jī)組負(fù)荷、氣象條件及循環(huán)水量穩(wěn)定運行時，塔內(nèi)外空氣流場按穩(wěn)態(tài)計算，空氣運動方程見參考文獻(xiàn)[14]。填料區(qū)可采用商用軟件Fluent 的多孔介質(zhì)模型，填料的阻力損失系數(shù)見式（1），雨區(qū)采用離散相模型（DPM 模型），空氣對雨滴的阻力按照式（ 2） ～ （ 4） 進(jìn)行分析。采用MERKEL 模型，分析填料和雨區(qū)的熱交換過程。