周 玉，惠雪松，劉正良

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械學(xué)院，河北 保定071003;2.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院，河北 遷安064400;3.保定華電電力設(shè)計研究院有限公司，河北 保定071003)

0 引 言

近年來核電建設(shè)由沿海向內(nèi)陸地區(qū)擴展，大批內(nèi)陸核電廠的選址、選型工作正在進行。受內(nèi)陸地區(qū)水源限制，核電廠多采用閉式循環(huán)的自然通風(fēng)冷卻塔作為冷源設(shè)備。二回路汽輪機組凝汽器中的循環(huán)水升溫后，由循環(huán)水泵提升至冷卻塔的配水層，在配水管網(wǎng)中經(jīng)噴頭霧化，以水滴狀向下滴落，依次經(jīng)過填料區(qū)、雨區(qū)，同冷卻塔內(nèi)的氣流換熱后，最終到達塔底的集水池。同燃煤電廠相比，核電機組循環(huán)水量大，所配備的冷卻塔淋水面積多在16 000 m2以上，塔高超過165 m。淋水面積巨大，塔體龐大、高度也高。此類規(guī)模的巨型冷卻塔在常規(guī)火電機組中至今仍無應(yīng)用。

巨型冷卻塔的進風(fēng)口高度直接影響到循環(huán)水的溫降，外圍環(huán)境空氣在冷卻塔內(nèi)外密度差、壓力差的作用下經(jīng)過塔底進風(fēng)口流入冷卻塔內(nèi)，進風(fēng)口高度是自然通風(fēng)逆流冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化計算所關(guān)注的主要問題，它關(guān)系到塔內(nèi)流場分布及汽水換熱效果，尤其是在側(cè)風(fēng)存在時對機組運行產(chǎn)生較大影響［1］。而在設(shè)計選型過程中，以往基于火電機組的設(shè)計規(guī)范所推薦的進風(fēng)口經(jīng)驗值有待進一步的論證。為了找尋最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文采用CFD 三維數(shù)值計算工具Fluent 對雙曲線塔體的結(jié)構(gòu)進行了模擬，并對塔內(nèi)流場、溫度場進行計算分析，以確定最優(yōu)進風(fēng)口高度。

1 計算方法

在濕式自然通風(fēng)冷卻塔三維數(shù)值計算中，通常采用噴濺區(qū)、填料區(qū)、雨區(qū)3 個區(qū)域?qū)諝馀c冷卻水之間的傳熱傳質(zhì)過程進行模擬。由于冷卻塔內(nèi)水和空氣的體積比小于10 %［2］，在噴濺區(qū)和雨區(qū)采用離散相模型計算塔內(nèi)流場［3］，其中水滴作為離散相，空氣作為連續(xù)相求解。填料區(qū)的熱質(zhì)傳遞過程采用自定義函數(shù)添加源項的方法進行模擬［4～9］。Fluent 求解器采用分離隱式，流場計算采用典型的SIMPLE 算法。計算中，采用穩(wěn)態(tài)雷諾應(yīng)力平均N-S 方程，選用標準k － ε 湍流模型［10］，其中在輸運方程中考慮了浮力項。

1.1 控制方程

冷卻塔內(nèi)濕空氣作為連續(xù)相，當機組穩(wěn)定工況運行時，其內(nèi)外流場可以當作穩(wěn)態(tài)計算。其通用控制方程如式(1)［10］:

式中:ρ 為空氣密度;ui為速度矢量;Φ 為通用變量;分別表示各向速度分量(u，v，w)、水蒸氣組分Y、溫度T、湍動能k 和湍流耗散率ε，ΓΦ為廣義擴散系數(shù)，SΦ為廣義源項。

塔內(nèi)循環(huán)水以水滴型式在噴濺區(qū)和雨區(qū)自由下落，可用拉格朗日方法計算其流場。離散相模型可追蹤水滴的運動軌跡，并耦合計算它與濕空氣間的熱質(zhì)傳遞。水滴溫度變化方程［10］:

式中:Mp，Tp，Tadb，Ap分別為控制單元內(nèi)水滴質(zhì)量、水滴溫度、氣相干球溫度和水滴面積。h，hfg和t 分別為傳熱系數(shù)、水的汽化潛熱和歷經(jīng)時間。

1.2 阻力計算

熱態(tài)的冷卻塔阻力包括汽水兩相間作用力和結(jié)構(gòu)阻力，其中相間作用力對連續(xù)相壓降的影響通過離散相模型實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)阻力主要包括進風(fēng)口阻力、填料阻力、配水管網(wǎng)阻力和收水器阻力4 部分。由于這些細密的結(jié)構(gòu)體在Gambit 中建模困難，因此它們對連續(xù)相的作用被作為附加動量匯添加到主控方程。通過用戶自定義函數(shù)CFD 編程實現(xiàn)。

動量匯方程一般形式如式(3)為［10］:

式中:Vp為空氣通過幾何邊界面的垂直速度分量;K 為壓力損失系數(shù)，它是一個基于實驗的經(jīng)驗關(guān)系式［4］，表達式如式(4):

式中:mw為水滴質(zhì)量流量;ma為濕空氣質(zhì)量流量;L為填料層高度。進風(fēng)口、管網(wǎng)和收水器的壓力損失系數(shù)根據(jù)有關(guān)實驗資料可以取定值［11～14］，分別為Kjfk=0.5，Kgw=0.5 和Kssq=3.5。

1.3 計算邊界

以AP1000 機組為例:冷卻塔高210 m，進風(fēng)口高度12.5 m，淋水面積20 000 m2，計算環(huán)境區(qū)域為高度500 m、直徑500 m 的圓柱體，本文參照文獻［11］中所推薦的進風(fēng)口面積與淋水面積比0.35 ～0.4，分別對12 m，13 m，14 m，15 m，16 m的進風(fēng)口高度做出計算驗證，將計算分析時考慮環(huán)境側(cè)風(fēng)對冷卻塔熱力性能的影響，環(huán)境風(fēng)速分別為2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s。

如圖1 所示，存在環(huán)境測風(fēng)時入口為速度邊界，出口為壓力邊界;塔壁、地面為無滑移壁面邊界條件;離散相邊界在進出口、水池面、地面均為逃逸邊界條件。

圖1 計算邊界Fig.1 Computational boundary

實際環(huán)境中的環(huán)境側(cè)風(fēng)速度為水平離地高度的函數(shù)，故定義側(cè)風(fēng)廓線為:主導(dǎo)風(fēng)速值υx=υc·(y/10)β，其它方向υy=υz=0，υc為10 m 高度處橫向風(fēng)速的參考值，β 為側(cè)風(fēng)廓線指數(shù)。參照發(fā)電廠地貌環(huán)境，側(cè)風(fēng)廓線指數(shù)β 取值0.2，環(huán)境側(cè)風(fēng)的設(shè)置通過UDF 用戶自定義功能導(dǎo)入到進口邊界條件中去。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分如圖2 所示，利用尺寸函數(shù)工具Sizefunction，對冷卻塔分區(qū)域劃分，并對網(wǎng)格無關(guān)性進行驗證，計算了160 萬、180 萬、210 萬網(wǎng)格總數(shù)下的出塔水溫。180 萬、210 萬網(wǎng)格數(shù)量下的塔內(nèi)流場無明顯變化，所得出塔水溫相近，相差僅有0.012 ℃?？紤]到計算時間，最終選用網(wǎng)格總數(shù)為181 萬。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid of cooling tower

1.5 冷卻塔內(nèi)流場分析

對塔內(nèi)氣流運動軌跡追蹤顯示，如圖3 所示。冷卻塔進風(fēng)口高度12 m，空氣經(jīng)進風(fēng)口由環(huán)境進入塔內(nèi)，冷卻塔四周均勻進風(fēng)，氣流運動跡線分布均勻，左右對稱。由于流動截面積的變化，氣流在進風(fēng)口處出現(xiàn)湍流波動，風(fēng)速值在進風(fēng)口處較小，隨著塔內(nèi)流場的發(fā)展，速度向上逐漸增大，最大風(fēng)速值出現(xiàn)在冷卻塔頂部。

圖3 靜風(fēng)條件下X-Y 截面氣流跡線及速度等值線Fig.3 X-Y cross section flow trajectory and velocity contour with no wind

環(huán)境側(cè)風(fēng)的存在破壞了塔內(nèi)均勻?qū)ΨQ分布的流場，4 m/s 環(huán)境側(cè)風(fēng)下的塔體豎直截面速度等值線分布如圖4 所示?？梢钥闯鍪苤鲗?dǎo)風(fēng)向的影響，塔內(nèi)氣流分布向右側(cè)偏移，與靜風(fēng)環(huán)境條件不同的是氣流的最大速度值出現(xiàn)在迎風(fēng)口側(cè)，背風(fēng)側(cè)及塔出口處氣流速度值較小，此處冷卻塔進風(fēng)口高度12 m。

圖4 4 m/s 環(huán)境側(cè)風(fēng)下X-Y 截面速度等值線Fig.4 X-Y sectional velocity contour with 4 m/s crosswind

1.6 側(cè)風(fēng)條件下塔內(nèi)溫度分布

溫度較高的循環(huán)水的熱量由冷卻塔內(nèi)通過的氣流帶到外圍環(huán)境，同靜風(fēng)環(huán)境條件相比，有環(huán)境側(cè)風(fēng)時冷卻塔內(nèi)流場發(fā)生變化，塔內(nèi)溫度場也勢必隨之改變，4 m/s 環(huán)境側(cè)風(fēng)條件下及靜風(fēng)條件下的冷卻塔X-Y 截面溫度分布云圖如5，6 所示。

圖5 4 m/s 環(huán)境側(cè)風(fēng)下X-Y 截面溫度分布云圖Fig.5 X-Y section temperature distribution with 4 m/s crosswind

可以看出，靜風(fēng)條件下冷卻塔溫度場分布均勻，呈現(xiàn)軸對稱分布規(guī)律，中心區(qū)域溫度最高，沿水平面徑向方向溫度逐漸降低。這是因為冷卻塔中心區(qū)域為濕熱氣流，同循環(huán)冷卻水的換熱效果較差。4 m/s 環(huán)境側(cè)風(fēng)下塔內(nèi)高溫區(qū)域從塔中心移動到背風(fēng)側(cè)，換熱最差區(qū)域位于冷卻塔右側(cè)部分。濕空氣溫度最高值達到308 K，而靜風(fēng)條件下的塔中心區(qū)域溫度最高值為307 K，可見環(huán)境側(cè)風(fēng)對冷卻塔熱力性能影響較大。

圖6 靜風(fēng)條件下X-Y 截面溫度分布云圖Fig.6 X-Y section temperature distribution with no wind

2 進風(fēng)口高度對冷卻塔熱力性能的影響

2.1 進風(fēng)口高度對出塔水溫的影響

在計算分析進風(fēng)口高度對冷卻塔熱力性能的影響時，選取冷卻塔平均出塔水溫作為分析評價指標，同時對進塔風(fēng)量做出分析計算。

靜風(fēng)條件下進風(fēng)口高度對平均出塔水溫影響如圖7 所示，隨著進風(fēng)口高度增大，平均出塔水溫呈現(xiàn)下降趨勢，進風(fēng)口高度達到14 m 后，出塔水溫的下降逐漸趨于平緩。進風(fēng)口(高度)15 m 及進風(fēng)口16 m 所對應(yīng)的出塔水溫相差不到0.1 ℃?？梢娫谶M風(fēng)口達到一定值時，其高度的增加量對冷卻塔平均出塔水溫的影響并不大，過多地提高進風(fēng)口高度反而會增大循環(huán)水泵的揚程，增大廠用電量，從經(jīng)濟運行角度考慮并不可取。

圖7 靜風(fēng)條件下平均出塔水溫與進風(fēng)口高度關(guān)系Fig.7 The relation between average outlet water temperature and air inlet height with no wind

2.2 進風(fēng)口高度對進塔風(fēng)量的影響

進塔風(fēng)量與進風(fēng)口高度的關(guān)系如表1 所示，隨著進風(fēng)口高度的增加，進入冷卻塔內(nèi)的氣流量逐漸增多。進風(fēng)口從12 m 增高到14 m 時所增加進塔風(fēng)量為974 kg/s;進風(fēng)口從14 m 增高到16 m時所增加的進塔風(fēng)量為314 kg/s?？梢娺M風(fēng)口高度達到14 m 時，進一步增加其高度對冷卻塔熱力性能的提升效果并不明顯，14 m 進風(fēng)口高度下的進風(fēng)面積與淋水面積比為0.352。

表1 進塔風(fēng)量與進風(fēng)口高度關(guān)系Tab.1 The relation between inlet air quantity and air inlet height

2.3 環(huán)境側(cè)風(fēng)下循環(huán)水溫降與進風(fēng)口高度關(guān)系

環(huán)境側(cè)風(fēng)的存在會對自然通風(fēng)逆流冷卻塔熱力性能產(chǎn)生不利影響，使冷卻塔的運行偏離設(shè)計工況。分別選取環(huán)境側(cè)向風(fēng)速2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s 進行計算，分析計算不同進風(fēng)口高度下的循環(huán)冷卻水溫降值，如圖8 所示。

圖8 環(huán)境側(cè)風(fēng)下的循環(huán)水溫降與進風(fēng)口高度關(guān)系Fig.8 The relation between circulating water temperature drop and inlet height with crosswind

12 ～16 m 5 種不同進風(fēng)口高度冷卻塔的循環(huán)水溫降值均在靜風(fēng)條件下達到最大，隨著風(fēng)速的增大，循環(huán)水溫降值逐漸減小。環(huán)境側(cè)風(fēng)6 m/s時循環(huán)水溫降最小，出塔水溫最高。風(fēng)速超過6 m/s 后出塔水溫有所降低，這是因為風(fēng)速增大使雨區(qū)的橫向通風(fēng)量增加，循環(huán)水在雨區(qū)換熱增強。

2 ～8 m/s 的環(huán)境側(cè)風(fēng)下，循環(huán)水溫降均隨冷卻塔進風(fēng)口高度的增大而增大。進風(fēng)口高度從12 m 增高到14 m 時，循環(huán)水出塔水溫降低顯著，但當進風(fēng)口高度達到14 m 之后，進一步增大其高度對冷卻塔熱力性能的提升已不太明顯。

3 結(jié) 論

本文對20 000 m2淋水面積巨型冷卻塔選取不同進風(fēng)口高度的熱力性能進行了數(shù)值計算，計算過程中考慮環(huán)境側(cè)風(fēng)對冷卻塔運行的影響。進風(fēng)口高度為12 ～16 m 5 種情況，環(huán)境風(fēng)速為0 ～8 m/s。

(1)5 種進風(fēng)口高度的冷卻塔在靜風(fēng)條件下運行效果最優(yōu)，出塔水溫均低于有環(huán)境側(cè)風(fēng)存在時的出塔水溫。環(huán)境側(cè)風(fēng)的存在使冷卻塔內(nèi)高溫區(qū)域向背風(fēng)側(cè)移動，減少了冷卻塔的進風(fēng)量。

(2)隨著進風(fēng)口高度的增加出塔水溫逐漸降低，進塔風(fēng)量也隨進風(fēng)口高度的增高而增大，但當進風(fēng)口高度達到14 m 后，進一步增加其高度對循環(huán)水溫降的提升已不太明顯。

(3)15 m 進風(fēng)口高度的出塔水溫比12 m 進風(fēng)口高的出塔水溫降低了0.47 ℃，這對汽輪機組的熱經(jīng)濟性提升有著明顯的效果。

(4)將進風(fēng)口高度由15 m 提升至16 m 所增加的循環(huán)水溫降不到0.1 ℃，過多地提升其高度反而會增大循環(huán)水泵的廠用電消耗。14 m 下的進風(fēng)口高度所對應(yīng)的進風(fēng)面積與淋水面積比為0.352。

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