趙文升，肖龍躍，丁曉冬(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北省保定市071003)

發(fā)電廠冷卻塔弧形布置填料層的特性分析

趙文升，肖龍躍，丁曉冬
(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北省保定市071003)

填料是自然通風(fēng)濕式冷卻塔最主要的換熱部分，其換熱量占冷卻塔總換熱量的60%～70%，具有很大的節(jié)能潛力。針對(duì)填料層的布置方式，提出了用弧形填料層替代傳統(tǒng)水平布置填料層的構(gòu)想，并借助Fluent模擬軟件，建立了濕式冷卻塔弧形填料層的傳熱傳質(zhì)模型。研究對(duì)比了不同弧度的填料層布置對(duì)冷卻塔熱力性能的影響，并計(jì)算分析了不同環(huán)境側(cè)風(fēng)下，弧形填料層冷卻塔內(nèi)空氣流場(chǎng)、出塔水溫等參數(shù)的變化。研究結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的水平布置相比，弧形布置填料層增加了一部分換熱面積，改善了雨區(qū)空氣流場(chǎng)，從而增加了冷卻塔的換熱量，使冷卻塔抽力增加，出塔水溫降低;在環(huán)境側(cè)風(fēng)條件下，這種改善效果更加顯著，以填料層弧度0.12 rad為例，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速6 m/s時(shí)，出塔水溫最高可降低0.36℃。

冷卻塔;弧形填料層;弧度;側(cè)風(fēng);數(shù)值模擬

0 引言

自然通風(fēng)濕式冷卻塔以其優(yōu)秀的冷卻性能，廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組循環(huán)冷卻水的冷卻，其冷卻性能的高低直接影響著電站機(jī)組的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。以300 MW機(jī)組為例，出塔水溫度每降低1℃，可使機(jī)組真空提高400～500 Pa，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降1.0～1.5 g/(kW·h)［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)填料做了大量的研究工作，材料方面逐漸發(fā)展為聚氯乙烯(polyvinyl chloride polymer，PVC)塑料材質(zhì)，表面形式主要有點(diǎn)滴式、薄膜式和點(diǎn)滴薄膜式［2］。Kr?ger［3］指出均勻布置方式并不是最優(yōu)布置方式，優(yōu)化填料層布置，可以有效地增強(qiáng)冷卻塔換熱性能。黃東濤［4］指出填料外緣進(jìn)風(fēng)量大，換熱效率高，而內(nèi)緣區(qū)域進(jìn)風(fēng)量小，換熱效率低。從充分發(fā)揮填料層各個(gè)區(qū)域的冷卻能力考慮，對(duì)填料層進(jìn)行分區(qū)，分配不同的填料層厚度，出塔水溫最高降低了0.3℃。高福東［5］通過對(duì)不同填料優(yōu)化布置方案的研究，確定了在一定程度上增大填料總換熱面積，可以降低出塔水溫。此外，冷卻塔的換熱性能極易受到環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響。高明［6］通過對(duì)自然通風(fēng)濕式冷卻塔冷卻數(shù)隨環(huán)境側(cè)風(fēng)的變化研究，表明當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)，冷卻效率降低約11%。因此，降低側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔的影響，對(duì)提高換熱性能具有重要意義。趙元賓［7］研究了在環(huán)境側(cè)風(fēng)下，填料非均勻布置對(duì)冷卻塔冷卻性能的影響，結(jié)果表明，在0～5 m/s自然風(fēng)條件下，填料非均勻布置方式可使出塔水溫降低0.105～0.288℃。但以上研究還是局限在填料層的水平布置，具有一定的局限性。

本文以冷卻塔相關(guān)理論為基礎(chǔ)，首次建立填料層弧形布置的三維數(shù)值計(jì)算模型［8］，以揭示弧形填料層下，冷卻塔內(nèi)空氣流場(chǎng)，通風(fēng)量和水溫的分布及變化趨勢(shì)。

1 研究對(duì)象

自填料型冷卻塔誕生以來(lái)，填料層的布置形式就一直采用水平布置，主要因?yàn)樗讲贾美鋮s塔的安裝維護(hù)方便。然而，從冷卻塔冷卻性能上講，水平布置并不是最優(yōu)的布置方式。近年來(lái)，隨著大功率機(jī)組的不斷發(fā)展，對(duì)配套的冷卻塔性能要求也越來(lái)越高。研究新式弧形布置填料層的流動(dòng)和換熱性能，對(duì)提高大型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文所選用的冷卻塔的塔筒高度為175 m，喉部高度為140.2 m，喉部高度與塔總高度比為0.8，進(jìn)風(fēng)口高度為12 m。塔筒頂部直徑為83.4 m，喉部直徑為76.34 m，0 m處直徑為130.88 m，塔總高與底部直徑比為1.33，填料厚度為1.2 m，淋水面積為13 200 m2［9］。

弧形填料層的布置可采用上凸形和下凹形2種形式。通過對(duì)弧度為0.09，0.12，0.15，0.18，0.21，0.24 rad的弧形填料層的研究，結(jié)果表明:在配水高度不變的情況下，采用上凸形填料層的冷卻塔的通風(fēng)量、雨區(qū)風(fēng)速等因素較水平布置填料層都有一定程度的提高，冷卻塔出塔水溫有所降低。但和下凹型填料層布置形式的模擬結(jié)果相比，兩者差別不大。由于噴水高度的限制，采用上凸形的填料向上彎曲弧度會(huì)受到限制。故下述模擬結(jié)果分析均為下凹形填料層布置形式(圖1所示)。

2 數(shù)值模型及邊界條件

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定的計(jì)算區(qū)域?yàn)橹睆?00 m，高度500 m的圓柱體。

由于冷卻塔汽水兩相熱量交換主要發(fā)生在噴水層、填料層、收水層和雨區(qū)。因此對(duì)以上區(qū)域進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格劃分，而對(duì)塔筒和環(huán)境采用大網(wǎng)格劃分，以優(yōu)化計(jì)算模型。保證在一定的網(wǎng)格數(shù)量下，計(jì)算主要集中在熱量交換的區(qū)域，從而減小計(jì)算誤差。通過對(duì)幾種不同網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行模擬，最終確定的網(wǎng)格數(shù)量為92萬(wàn)左右［10］。

由于填料層的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，氣液兩相的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)過程都比較復(fù)雜。研究采用Kloppers提出的關(guān)于填料層厚度為1.2 m的熱力特性模型［11］(式1)和對(duì)應(yīng)的壓力損失系數(shù)表達(dá)式(式2)。

式中:Mep為Merkel數(shù);Lfi為填料高度，m;A為汽水接觸面積，m2;Mw為淋水密度，kg/(m2·s-1);Ma為空氣質(zhì)量流率，kg/s;Kp.fi為壓力損失系數(shù)。

2.2 邊界條件及計(jì)算方法

2.2.1 邊界條件

無(wú)環(huán)境側(cè)風(fēng)，計(jì)算域邊界為壓力入口邊界條件，頂部為壓力出口邊界條件。有環(huán)境側(cè)風(fēng)時(shí)，環(huán)境迎風(fēng)側(cè)為速度入口，背風(fēng)側(cè)和頂部為壓力出口，如圖2所示。

地面和冷卻塔殼體設(shè)為墻體，水池面為逃逸，冷卻塔外殼壁面為反彈［13］。在環(huán)境出入口，收水層邊界為離散相邊界條件。

2.2.2 計(jì)算方法

根據(jù)冷卻塔及填料層的特點(diǎn)，研究采用氣液兩相定常流動(dòng)，空氣為連續(xù)相，水滴為離散相，噴水層、收水層和填料層為多孔介質(zhì)。選擇k-ε湍流模型，在輸運(yùn)方程中考慮了浮力相［14］。計(jì)算采用典型的Simple算法，離散化采用控制容積法，并通過UDF自定義函數(shù)，模擬水滴下落速度及冷卻塔出水溫度的變化。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同弧度填料層對(duì)冷卻塔的影響

采用下凹形填料層，填料層面積的增加會(huì)增加換熱面積，加強(qiáng)換熱，同時(shí)也會(huì)增加冷卻塔的通風(fēng)阻力，使進(jìn)風(fēng)量減少。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn):不同弧度的填料層與水平布置的填料層面積變化很小，以0.12 rad為例，弧形布置填料層的面積只較水平布置增加了0.05%，面積變化所對(duì)應(yīng)的換熱性能變化較小。本研究的重點(diǎn)在于填料層形狀改變所導(dǎo)致的雨區(qū)空氣流場(chǎng)變化引起的冷卻塔換熱性能的變化。

由于冷卻塔換熱量的30%～40%發(fā)生在雨區(qū)，所以雨區(qū)風(fēng)速也是論證冷卻塔換熱性能高低的一個(gè)重要指標(biāo)。風(fēng)速的增加有助于增強(qiáng)雨區(qū)和填料區(qū)的換熱。圖3分別截取了雨區(qū)高6 m處，壓力入口條件下，水平布置填料層的速度分布和下凹弧度0.12 rad的填料層速度分布。由圖3可知，無(wú)論是雨區(qū)外圍還是中心區(qū)域，填料層下凹型布置的雨區(qū)空氣流速較水平布置均有一定程度的提高。

冷卻塔通風(fēng)量和出塔水溫隨填料層弧度的變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4(a)可知:當(dāng)填料層彎曲弧度較小時(shí)，填料層與入口風(fēng)向夾角較小，增加了進(jìn)風(fēng)口空氣漩渦擾動(dòng)，對(duì)冷卻塔進(jìn)風(fēng)產(chǎn)生了干擾。冷卻塔通風(fēng)量較水平布置方式有所降低。隨著弧度的增加，通風(fēng)量開始增加?？梢娦〉膹澢《葧?huì)阻礙冷卻塔的進(jìn)風(fēng)。當(dāng)彎曲弧度為0.12 rad時(shí)，通風(fēng)量比水平布置增加了2.01%。隨著填料層彎曲弧度的繼續(xù)增大，在一定范圍內(nèi)，通風(fēng)量幾乎保持不變。

由圖4(b)可知:當(dāng)填料層彎曲弧度較小時(shí)，出塔水溫和通風(fēng)量呈現(xiàn)相反的變化，通風(fēng)量降低，冷卻塔出塔水溫升高。隨著弧度的增加，出塔水溫開始降低。當(dāng)彎曲弧度為0.24 rad時(shí)，出塔水溫最高降低了0.186℃。隨著填料層彎曲弧度的繼續(xù)增大，出塔水溫有所降低，但降低趨勢(shì)減小。

當(dāng)填料層下凹弧度大于0.24 rad時(shí)，冷卻塔通風(fēng)量、出塔水溫等參數(shù)變化幅度較小，改善效果并不明顯。并且弧度越大，所需要的填料層面積將增加，冷卻塔填料層和配水系統(tǒng)的建設(shè)安裝及運(yùn)行維護(hù)成本也相應(yīng)提高。因此，弧形填料層的弧度應(yīng)該保持在0.09～0.12 rad。

3.2 環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)弧形填料層冷卻塔的影響

環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔的冷卻性能影響很大，以環(huán)境側(cè)風(fēng)3.5 m/s為例，冷卻塔冷卻效率降低約11%［6］。所以，減小側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔的影響至關(guān)重要。圖5為0.12 rad填料層冷卻塔在5種不同風(fēng)速的環(huán)境側(cè)風(fēng)下，其通風(fēng)量和出塔水溫的變化。

由圖5可知:(1)隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，通風(fēng)量先減小后增加，出塔水溫先升高后降低。原因是在無(wú)風(fēng)時(shí)，冷卻塔進(jìn)風(fēng)流場(chǎng)最均勻，換熱效果最好，而隨著風(fēng)速的增加，橫向風(fēng)破壞了流場(chǎng)的均勻性，使換熱效果急劇惡化。隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加，當(dāng)風(fēng)速大于6 m/s時(shí)，塔內(nèi)氣流紊流強(qiáng)度增加，強(qiáng)化了氣液間的換熱，相應(yīng)的換熱能力有所提高。(2)隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，下凹型填料冷卻塔通風(fēng)量和出塔水溫的變化與水平布置變化趨勢(shì)相似，但是變化趨勢(shì)較為平緩。以出塔水溫為例，無(wú)風(fēng)時(shí)，兩種類型冷卻塔的差值為0.168℃，而側(cè)風(fēng)下的差值最高為0.36℃。

圖6給出了傳統(tǒng)水平布置填料層和下凹0.12 rad填料層，在環(huán)境側(cè)風(fēng)2 m/s條件下，填料下表面的溫度分布圖。由圖6可知:在環(huán)境自然風(fēng)條件下，冷卻塔內(nèi)氣水參數(shù)不再呈軸對(duì)稱分布［15-17］，圖6(b)中心紅色高溫區(qū)域面積明顯少于圖6(a)中的面積。其主要是因?yàn)榛⌒蔚奶盍蠈硬贾?，改變了雨區(qū)的空氣流場(chǎng)，優(yōu)化了冷卻塔進(jìn)風(fēng)，使空氣流速增加，填料中心區(qū)域換熱增強(qiáng);同時(shí)填料面積的增加，也增強(qiáng)了塔內(nèi)換熱，冷卻塔抽力增加。分析結(jié)果表明:采用下凹形填料層的冷卻塔更能適應(yīng)環(huán)境風(fēng)速的變化，有利于提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

4 結(jié)論

(1)弧形填料層的布置方式可以提高冷卻塔的換熱，增加通風(fēng)量，降低冷卻塔的出塔水溫，提高大型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

(2)隨著彎曲弧度的逐漸增加，冷卻塔通風(fēng)量先降低，后增加，并在一定范圍內(nèi)基本保持不變。冷卻塔出塔水溫先升高后降低，最高可降低0.168℃。建議采用的填料層彎曲弧度為0.09～0.12 rad。

(3)弧形填料可有效改善側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔的換熱效果。當(dāng)環(huán)境側(cè)風(fēng)為6 m/s時(shí)，出塔水溫最高可降低0.36℃。

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(編輯:蔣毅恒)

Characteristic Analysis on Arc-Shaped Packing Layer of Cooling Tower in Power Plant

ZHAOWensheng，XIAO Longyue，DING Xiaodong
(Ministry of Education Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China)

Packing is themost important partof the heatexchanger in natural draftwet cooling tower，which accounts for 60%-70%of the total heat transfer，so it has a great potential in energy saving.According to the arrangement of packing layer，this paper put forward the idea that used arc-shaped packing layer instead of traditional horizontal packing layer; established a heat and mass transfer model for the arc-shaped packing layer in wet cooling tower with using simulation software Fluent.Then，the impactof packing layer arrangementwith different radians on the thermal performance of cooling tower was studied and compared;the relevant parameters＇changes of arc-shaped packing layer in wet cooling tower，such as air flow field and outletwater temperature，were calculated and analyzed under different natural crossw ind conditions.The research results show that:the arc-shaped packing layer can increase the heat exchange area，improve the air flow field in rain zone，thus increase the heat exchange quantity and pumping power of cooling tower，and reduce the outlet water temperature;this improvement ismore significantunder natural crosswind conditions.In the case of 0.12 rad packing layer，when the naturalwind speed is 6 m/s，the outletwater temperature can be reduced up to 0.36℃.

cooling tower;arc-shaped packing layer;radian;crossw ind;numerical simulation

TM 621.7

A

1000－7229(2014)11－0127－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.022

2014-06-30

2014-07-31

趙文升(1969)，男，副教授，主要從事汽輪機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與運(yùn)行優(yōu)化、直接空冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等研究工作;

肖龍躍(1988)，男，碩士研究生，主要從事濕式冷卻塔填料的研究;

丁曉冬(1990)，男，碩士研究生，主要從事熱電廠熱經(jīng)濟(jì)性、熱電負(fù)荷分配算法及其分配系統(tǒng)的研究。