趙文升，郭 浩，宋百川

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北保定071003)

三塔合一間接空冷塔熱力性能的數(shù)值研究

趙文升，郭 浩，宋百川

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室(華北電力大學)，河北保定071003)

利用FLUENT數(shù)值計算軟件建立了散熱器塔外垂直布置和塔內(nèi)水平布置的三塔合一間接空冷塔的數(shù)學模型，對不同環(huán)境風速進行模擬計算，得到了相應(yīng)的壓力場、溫度場和速度場，分析了散熱器的布置方式對熱力性能的影響。研究結(jié)果表明：無風時，散熱器的布置方式對熱力性能的影響非常?。淮嬖诃h(huán)境風，當風速不超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異較??；當風速超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異逐漸變大；散熱器塔外垂直布置的空冷塔的熱力性能優(yōu)于散熱器塔內(nèi)水平布置的空冷塔的熱力性能。為這種復合塔的優(yōu)化運行提供參考。

散熱器；三塔合一；間接空冷塔；熱力性能

0 引言

隨著煙塔合一技術(shù)的成熟應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上出現(xiàn)了三塔合一技術(shù)，即將脫硫塔內(nèi)置于空冷塔內(nèi)，由煙塔合一改為三塔合一。三塔合一技術(shù)借鑒了煙塔合一技術(shù)的設(shè)計理念，具有節(jié)水、節(jié)能和環(huán)保效益。在節(jié)能減排的形式下，三塔合一技術(shù)將在火電行業(yè)得到快速發(fā)展。

目前已經(jīng)投運了多臺三塔合一間接空冷機組，已有一些相關(guān)的模擬研究。文獻[1]以某600 MW三塔合一間接空冷機組與某600 MW常規(guī)濕冷機組為對象，比較了兩者的靜態(tài)投資經(jīng)濟性、節(jié)水能力以及煙氣抬升高度方面的差異；文獻[2]以某電廠600 MW間接空冷設(shè)備為例，全面模擬了間接空冷三塔合一的流場特性及自然風對其的作用效果，并采用了有效的防風方法；文獻[3]模擬了自然風和排煙高度對三塔合一的換熱特性的作用效果；文獻[4]和[5]分析了塔內(nèi)設(shè)備、煙囪排煙和環(huán)境風對間接空冷塔傳熱性能的影響，并對其進行了變工況的分析。以上的成果針對的是散熱器塔外垂直布置的三塔合一間接空冷機組，但間接空冷機組的散熱器還可以在塔內(nèi)水平布置，那么散熱器與塔內(nèi)設(shè)備的位置關(guān)系將發(fā)生變化，會影響塔內(nèi)的流場和熱力性能。因此需要研究散熱器的布置方式對空冷塔熱力性能的影響規(guī)律。

通過FLUENT軟件，以某600 MW三塔合一間接空冷系統(tǒng)為例，分別建立散熱器塔外垂直布置和塔內(nèi)水平布置的模型，并進行數(shù)值模擬計算，分析了散熱器的布置方式對熱力性能的影響。

1 三塔合一模型

1.1 物理模型

以某電廠600 MW三塔合一間接空冷塔為模型進行計算。三塔合一空冷塔基本參數(shù)如表1所示[6]，兩種散熱器布置方式的空冷塔示意圖如圖1～2所示。

表1 三塔合一空冷塔基本參數(shù)

三塔合一間接空冷塔的物理模型分為空冷塔和其外部環(huán)境兩部分，其中外部環(huán)境的尺寸遠大于空冷塔的尺寸。對空冷散熱器劃分網(wǎng)格時，采取比較密集的網(wǎng)格。對外部環(huán)境劃分網(wǎng)格時，利用尺寸函數(shù)進行網(wǎng)格劃分，即由中心向外，網(wǎng)格漸漸變稀疏。通過對空冷塔和散熱器的網(wǎng)格不斷加密，驗證模擬結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性，保證模擬結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)量的影響。對于物理模型依次劃分網(wǎng)格數(shù)量為3 434 554、5 225 706和7 089 283，以驗證網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性。模擬結(jié)果說明在幾種典型工況下進塔風量隨網(wǎng)格數(shù)量的改變變化均很小，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為為3 434 554。

圖1 散熱器塔外垂直布置時的示意圖

圖2 散熱器塔內(nèi)水平布置時的示意圖

1.2 數(shù)學模型和數(shù)值方法

表2列出了數(shù)學模型的通用控制方程變量的表達式[3]。

表2 通用控制方程變量的表達式

空冷塔的空氣換熱方程的通用形式如下[4]：

(1)

式中：ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ為通用變量，可以表示為u，ν，ω，T等求解變量；Γφ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項。

描述氣體流過散熱器時選用可實現(xiàn)κ-ε湍流模型；選用組分輸運模型來處理排煙和塔內(nèi)氣體之間的夾雜流動。

選用穩(wěn)態(tài)求解器，空冷塔壁面設(shè)置為壁面邊界條件。無環(huán)境風工況下，外部環(huán)境的周圍設(shè)置為壓力入口，上部設(shè)置為壓力出口。側(cè)風工況下，外部環(huán)境迎風側(cè)設(shè)置為速度入口。自然風的速度為冪指數(shù)風速廓線計算公式編寫的UDF函數(shù)，迎風面的風速分布用下式表示[7]:

(2)

式中：u0為高度為10 m處的環(huán)境風速；y為所求點的高度。

下風側(cè)設(shè)置為自由流出，另外幾個面設(shè)置為對稱邊界，煙囪的入口設(shè)置為速度入口。

建立數(shù)值模型時對空冷散熱器進行簡化處理，選用多孔介質(zhì)模型對散熱器的流動阻力及換熱特性進行模擬。在原動量方程的基礎(chǔ)上，多孔介質(zhì)模型增加了可代表物理模型空間流動阻力的動量源項，其由粘性損失項和內(nèi)部損失項組成[8]。

(3)

式中：Si為動量方程的源項；μ為動力粘度；ui為i方向的速度；umag為速度的大小；uj為j方向的速度；ρ為流體密度；α為滲透率；C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)實驗測得換熱器阻力性能數(shù)據(jù)[6]，擬合得到換熱器法向方向阻力損失與速度之間的關(guān)系式如下：

Δp=4.77u2+6.19u

(4)

計算粘性阻力系數(shù)1/α=144 880，慣性阻力系數(shù)C2=3.119 02[9]。

2 計算結(jié)果分析

2.1 散熱器塔外垂直布置時熱力性能分析

當散熱器在塔外垂直布置時，在空冷塔的抽力作用下，周圍的冷空氣與散熱器完成換熱后，從底部進入塔內(nèi)，隨后流動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由水平流動變?yōu)橄蛏狭鲃?，然后從塔出口流出[10-12]。當脫硫塔和煙囪在塔底的中心布置時，會減小空氣在塔底的流通區(qū)域，即流動阻力會變大。圖3為沒有環(huán)境風時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，空氣的壓力、溫度和速度的分布均關(guān)于空冷塔的中心軸對稱；空冷塔內(nèi)部沿著空氣的流動方向壓力逐漸升高；空氣與散熱器進行完熱交換后溫度升高；空氣在向塔出口流動的過程中流速持續(xù)增大；塔內(nèi)設(shè)備對塔內(nèi)的壓力和溫度的分布影響較小，但會使塔底部的氣體流場出現(xiàn)了一部分低速區(qū)域。排煙的速度和溫度均比周圍的熱空氣的速度和溫度大，因此排煙位置周圍的熱空氣的速度會增大，溫度會升高，有利于進塔風量的增加。此外，排煙周圍的熱空氣的浮升力會對排煙起到抬升的作用，阻礙排煙對塔內(nèi)設(shè)備的腐蝕，利于煙氣的凈化排放，利于環(huán)保。

圖3 散熱器垂直布置時無風工況下分布云圖

存在環(huán)境風時，三塔合一結(jié)構(gòu)的流動換熱特性出現(xiàn)顯著的空間特性。圖4為環(huán)境風速4 m/s時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，塔內(nèi)空氣溫度和壓力分布不再均勻，與散熱器進行完熱交換的高溫空氣區(qū)域發(fā)生變化，高溫空氣區(qū)域向背風側(cè)偏移，并且背風側(cè)的高溫區(qū)域略大于迎風側(cè)的高溫區(qū)域；塔內(nèi)部和塔出口熱空氣流動的跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時排煙流動的跡線也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，都向背風側(cè)發(fā)生了一定角度的偏轉(zhuǎn)，由于排煙速度大于周圍熱空氣的速度，排煙流動跡線變化比較小。

圖4 散熱器垂直布置時4 m/s工況下分布云圖

2.2 散熱器塔內(nèi)水平布置時熱力性能分析

當散熱器在空冷塔內(nèi)呈環(huán)狀水平布置時，在空冷塔的抽力作用下，空氣由空冷塔入口流入塔內(nèi)，隨后流動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由水平流動變?yōu)橄蛏狭鲃?，大部分空氣與塔內(nèi)水平布置的環(huán)狀散熱器進行熱交換，一部分空氣從環(huán)狀散熱器的中心圓孔流過[13-15]。從散熱器流過的空氣的溫度會明顯大于從中心圓孔流過的空氣的溫度。由于散熱器存在阻力，從中心圓孔流過的空氣的速度會較大，可能會對從散熱器流過的空氣有一定的抬升作用。圖5為沒有環(huán)境風時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，塔內(nèi)的壓力、溫度和速度的分布趨勢與散熱器塔外垂直布置時大致相同。

圖5 散熱器水平布置時無風工況下分布云圖

圖6為環(huán)境風速4 m/s時中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，存在環(huán)境風時，各個云圖出現(xiàn)顯著的空間特性，塔內(nèi)空氣溫度和壓力分布不再均勻，高溫空氣區(qū)域向迎風側(cè)偏移，并且迎風側(cè)的高溫區(qū)域大于背風側(cè)的高溫區(qū)域；塔內(nèi)部和塔出口熱空氣流動的跡線向背風側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，排煙流動的跡線也向背風側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，排煙流動跡線變化比較小。脫硫塔和煙囪在塔底的中心位置布置，減少了塔底空氣的流動區(qū)域，從環(huán)狀散熱器中心圓孔流過的空氣的流量減少，流動速度變小，且向背風側(cè)的偏轉(zhuǎn)角度也變小，對從背風側(cè)流進空冷塔的空氣的抑制作用減弱，背風側(cè)的換熱性能有所改善。

圖6 散熱器水平布置時4 m/s工況下分布云圖

圖7 進塔風量隨環(huán)境風速變化的規(guī)律曲線

2.3 兩種散熱器布置方式的熱力性能比較

圖7、8分別為散熱器塔外垂直布置和塔內(nèi)水平布置的進塔風量和熱負荷隨環(huán)境風速變化的規(guī)律曲線。從兩個曲線圖可以看出，每一種布置形式的進塔風量和熱負荷隨環(huán)境風速變化的走勢是相同的。當環(huán)境風速不超過6 m/s時，兩種布置形式的進塔風量和熱負荷相差比較小。當環(huán)境風速超過6 m/s時，兩種布置形式的進塔風量相差逐漸變大，但熱負荷的差異相對較小。當環(huán)境風速超過12 m/s時，散熱器塔外垂直布置的進塔風量和熱負荷開始逐漸增加，但散熱器塔內(nèi)水平布置的進塔風量和熱負荷的變化趨勢趨于平緩。在整個模擬的環(huán)境風速的范圍內(nèi)，散熱器塔外垂直布置的進塔風量和熱負荷都優(yōu)于散熱器塔內(nèi)水平布置的。

圖8 熱負荷隨環(huán)境風速變化的規(guī)律曲線

3 結(jié)論

沒有環(huán)境風時，散熱器兩種布置方式的三塔合一間接空冷塔內(nèi)壓力、溫度和速度的分布趨勢幾乎相同，布置方式對熱力性能的影響非常小。存在環(huán)境風時，布置方式對空冷塔的熱力性能的影響開始明顯。當環(huán)境風速不超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異較??；當環(huán)境風速超過12 m/s時，兩種布置方式的熱力性能差異逐漸變大。在整個范圍內(nèi),散熱器塔外垂直布置的空冷塔的熱力性能優(yōu)于塔內(nèi)水平布置的空冷塔的熱力性能。

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Numerical Research on the Thermal Performance of the Indirect Air Cooling Tower with Three Incorporate Towers

ZHAO Wensheng,GUO Hao,SONG Baichuan

(MOE’s Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Two numerical models were established for indirect air cooling tower with three incorporate towers with FLUENT software,one with the radiator installed outside the tower vertically and the other with the radiator installed in the tower horizontally.Pressure field,temperature field and velocity field were acquired using numerical calculation in different wind speed conditions.The influence of the installation on the thermal performance was studied in details.The results indicate that when the influence of the installation on the thermal performance can be negligible with no wind.When the wind speed is not more than 12 m/s,the difference of the thermal performance of two kinds of installation is relatively small.When the wind speed exceeds 12 m/s,the difference of the thermal performance of two kinds of installation becomes bigger.The thermal performance of the air cooling tower with the radiator installed vertically outside is better than that of the air cooling tower with the radiator installed horizontally in the tower.The conclusion can provide a reference for the optimal operation of this kind of composite tower.

radiator; three incorporate towers; indirect air cooling tower; thermal performance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.006

2016-09-12。

TK264.1

1672-0792(2017)01-0032-05

趙文升(1969-)，男，副教授，主要從事汽輪機設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與運行優(yōu)化、空冷系統(tǒng)優(yōu)化等方面的工作。