李慧君， 楊長根

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003)

間接空冷塔(簡稱間冷塔)作為火電廠一種冷端設(shè)備，在我國北方地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，如陽城電廠二期工程2臺600 MW機(jī)組表面凝汽式間接空冷系統(tǒng)[1]；然而北方地區(qū)常年多風(fēng)，嚴(yán)重影響了間冷塔的傳熱性能，夏季尤為嚴(yán)重[2-3]。近年來越來越多學(xué)者對環(huán)境風(fēng)下間冷塔的傳熱特性進(jìn)行過深入研究。

黃春花等[4]利用風(fēng)洞模型通過實驗研究了環(huán)境側(cè)風(fēng)對空冷塔的影響機(jī)理；楊立軍等[5]對空冷塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析；王藍(lán)婧等[6]研究并指出考慮廠房影響后，空冷塔的通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量基本不變，但沿周向分布的不均勻性增大；韋紅旗等[7]對SCAL型間冷塔分扇區(qū)配水防風(fēng)方案進(jìn)行了研究；柴艷琴等[8]對SCAL型間冷塔內(nèi)外流場進(jìn)行了分析研究；趙元賓等[9-11]通過分析了單個冷卻柱和環(huán)境風(fēng)對間冷塔傳熱性能的不利影響并對塔外布置導(dǎo)流板進(jìn)行了研究；YANG L J等[12]利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件研究了不同風(fēng)速下間冷塔內(nèi)外的流場分布；KONG Y Q等[13]研究了間冷塔散熱器不同布置方案對其傳熱性能的影響。

由于目前多采用FlUENT軟件中多孔介質(zhì)模型對環(huán)境風(fēng)下間冷塔傳熱性能及流場優(yōu)化進(jìn)行研究，而針對周圍建筑物存在對間冷塔傳熱性能影響的研究卻比較少。筆者以660 MW SCAL型間冷塔為研究對象，在夏季最不利的氣象條件下，利用FlUENT軟件傳熱器中簡單效能模型來研究周圍建筑物對間冷塔傳熱性能的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

該660 MW SCAL型間冷塔及其相應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 間冷塔及其相應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸

將散熱器分為24個扇區(qū)(S1～S24)，其中S7、S18扇區(qū)分別由5個冷卻三角組成，其他扇區(qū)均由6個冷卻三角組成，散熱器扇區(qū)分布見圖1。間冷塔散熱器局部見圖2。為了使模擬結(jié)果盡量接近實際情況，選取的計算域為500 m×500 m×500 m(X×Y×Z)。間冷塔周圍建筑物分布見圖3(B1～B9均為建筑物)。

圖1 散熱器扇區(qū)分布示意圖

圖3 間冷塔周圍建筑物分布示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

為提高計算精度，散熱器均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，其余流體區(qū)域均采用高質(zhì)量的混合網(wǎng)格。在環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s且塔周圍無建筑物時對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗證。取網(wǎng)格數(shù)為257萬、335萬和421萬進(jìn)行數(shù)值計算，間冷塔出口質(zhì)量流量偏差小于2.6%，符合工程實際要求。最終確定塔周圍有無建筑物時網(wǎng)格總數(shù)為374萬和335萬。邊界條件設(shè)置：無風(fēng)時塔四周設(shè)置為pressure-in，塔頂部設(shè)置為pressure-out；有風(fēng)時迎風(fēng)面設(shè)置為velocity-inlet，背風(fēng)面設(shè)置為outflow。

該間接空冷機(jī)組大風(fēng)期常常出現(xiàn)在夏季且風(fēng)向沿X軸負(fù)向。間冷塔迎風(fēng)面不同高度處風(fēng)速u變化常采用冪指數(shù)函數(shù)，其表達(dá)式為：

(1)

式中：u10為塔進(jìn)口高度10 m處風(fēng)速(環(huán)境風(fēng)速)，m/s；z為塔進(jìn)口不同高度，m。

1.3 計算模型

利用簡單效能模型來模擬空氣與散熱器中循環(huán)水的傳熱過程。在傳熱器模型中，傳熱器核心區(qū)域的流體沿著水流動方向被分割成許多微型macro。對于單個冷卻柱，水的流動方向和微型macro分布見圖4。

圖4 水的流動方向和macro分布

單個macro的傳熱量qmacro是該macro所包含的單個網(wǎng)格單元傳熱量qcell計算得到的傳熱量總和，其計算式為：

qmacro=∑qcell

(2)

傳熱器區(qū)域總傳熱量qtotal為：

qtotal=∑qmacro

(3)

1.4 模型驗證

夏季最不利工況下間冷塔設(shè)計參數(shù)見表2。利用該參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計算得到通風(fēng)質(zhì)量流量和出口水溫的相對誤差分別為1.1%和-0.6%，在誤差允許的范圍內(nèi)，則該計算結(jié)果滿足了實際工程要求，驗證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

表2 間冷塔設(shè)計參數(shù)

2 風(fēng)速及建筑物的影響

選取環(huán)境風(fēng)速為0 m/s、5.5 m/s、8.0 m/s、12.0 m/s、15.0 m/s、18.0 m/s和20.0 m/s，并對不同風(fēng)速下間冷塔的傳熱性能進(jìn)行模擬計算。

2.1 塔周圍無建筑物不同風(fēng)速的影響

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為0 m/s時，在間冷塔的吸力作用下，塔外空氣均勻通過散熱器對流傳熱后進(jìn)入塔內(nèi)，此時溫度升高、密度減小，空氣在浮升力作用下上升，從而增大了空氣進(jìn)入塔內(nèi)的驅(qū)動力，各扇區(qū)通風(fēng)量和傳熱量近似相等。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s時，間冷塔z=7.5 m截面速度場和溫度場分布見圖5。

圖5 環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

由圖5可得：環(huán)境風(fēng)流過間冷塔時做“圓柱繞流”運(yùn)動，并隨環(huán)境風(fēng)速的增加而加強(qiáng)，其結(jié)果造成了背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器外側(cè)壓力減小，使其通風(fēng)量減小；環(huán)境風(fēng)流過間冷塔側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器時，由于其切向速度大、壓力低，故側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器內(nèi)外壓差減小，結(jié)果使得側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器通風(fēng)量減小，傳熱性能變差；迎風(fēng)區(qū)的進(jìn)風(fēng)與背風(fēng)區(qū)的進(jìn)風(fēng)在塔底相遇后形成近似關(guān)于X軸對稱的漩渦，進(jìn)一步影響了背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)的進(jìn)風(fēng)。故迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量最大、側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)量最小，由于迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量大于背風(fēng)區(qū)，塔內(nèi)氣流的中心偏向風(fēng)向的下游。受塔外環(huán)境風(fēng)的影響，塔出口形成“風(fēng)阻”效應(yīng)，使得塔內(nèi)有效通流面積減小，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速在一定范圍內(nèi)增大時，該“風(fēng)阻”效應(yīng)會逐漸加強(qiáng)，但此時由于風(fēng)速過快對塔的吸力也相應(yīng)加強(qiáng)，在兩者共同作用下，使得塔出口流量發(fā)生相應(yīng)的變化。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8.0 m/s時，其側(cè)風(fēng)區(qū)部分扇區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)，使其通風(fēng)量下降，傳熱量減小，傳熱性能變差。隨著環(huán)境風(fēng)速的進(jìn)一步增加，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時，間冷塔內(nèi)外速度場和溫度場分布見圖6。

圖6 環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

由圖6可得：“圓柱繞流”運(yùn)動進(jìn)一步加強(qiáng)；塔內(nèi)漩渦范圍進(jìn)一步加大且逐漸向風(fēng)向的下游移動，造成背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)進(jìn)風(fēng)阻力進(jìn)一步加大；塔出口“風(fēng)阻”效應(yīng)也加強(qiáng)；形成穿堂風(fēng)的扇區(qū)數(shù)量也增多，當(dāng)穿堂風(fēng)強(qiáng)度不大時，則使得相應(yīng)散熱器的傳熱性能惡化，當(dāng)穿堂風(fēng)強(qiáng)度大時，盡管其通過散熱器前后溫差小，單位質(zhì)量流量的穿堂風(fēng)傳熱量少，但穿堂風(fēng)強(qiáng)度大，也會使得傳熱量增多。

不同環(huán)境風(fēng)速下每個扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化見圖7。

圖7 不同風(fēng)速下每個扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化

由圖7可得：迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量隨環(huán)境風(fēng)速的增大逐漸增加，故傳熱性能也隨之有所改善；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不超過8.0 m/s時，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化不大，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于8.0 m/s時，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量隨著環(huán)境風(fēng)速的增加逐漸減小；當(dāng)風(fēng)速為8.0 m/s時，側(cè)風(fēng)區(qū)(S7、S8、S17和S18扇區(qū))出現(xiàn)穿堂風(fēng)且強(qiáng)度不大，使得通風(fēng)質(zhì)量流量減小、傳熱量減小，傳熱性能惡化；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時，側(cè)風(fēng)區(qū)(S6、S7、S8、S9、S16、S17、S18和S19扇區(qū))出現(xiàn)穿堂風(fēng)且強(qiáng)度不等，使得S6、S9、S16和S19扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減小、傳熱量減小，傳熱性能下降，S7、S8、S17和S18扇區(qū)由于穿堂風(fēng)量略微增多，故使得傳熱性能也略微增強(qiáng)，且該環(huán)境風(fēng)速下背風(fēng)區(qū)也開始出現(xiàn)穿堂風(fēng)；隨著環(huán)境風(fēng)速的進(jìn)一步增加，穿堂風(fēng)的范圍和強(qiáng)度也逐漸加大，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為20.0 m/s時，背風(fēng)區(qū)(S10、S11、S14和S15扇區(qū))為穿堂風(fēng)，使該扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量下降。

2.2 塔周圍有建筑物不同風(fēng)速的影響

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s和12.0 m/s且塔周圍有建筑物時，間冷塔內(nèi)外速度場和溫度場分布見圖8和圖9。

圖8 環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

圖9 環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

不同環(huán)境風(fēng)速下風(fēng)流過建筑物時，會在建筑物的背面形成漩渦；受塔周圍建筑物的影響，“圓柱繞流”形成的渦流不再關(guān)于X軸對稱；間冷塔內(nèi)外速度場和溫度場分布也不再對稱。

塔周圍有建筑物時不同環(huán)境風(fēng)速下每個扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化見圖10。

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s、8.0 m/s和12.0 m/s時，塔周圍有無建筑物時各區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化見表3。

圖10 不同風(fēng)速下每個扇區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化

表3 有無建筑物間冷塔各區(qū)通風(fēng)量 kg/s

相同環(huán)境風(fēng)速下，塔周圍有建筑物相比無建筑物，其通風(fēng)質(zhì)量流量沿周向分布不均勻性進(jìn)一步加大；迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量隨著環(huán)境風(fēng)速增大且增加幅度逐漸變大，傳熱性能也隨之變好；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s時，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量變化較小、傳熱性能基本不變，側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加、傳熱性能變好；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8.0 m/s時，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量下降、傳熱性能變差，而側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加，傳熱性能變好，此時側(cè)風(fēng)區(qū)(S17和S18扇區(qū))無穿堂風(fēng)存在；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時，側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加的幅度降低，而背風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減少、傳熱性能下降，此時背風(fēng)區(qū)(S11和S12扇區(qū))開始出現(xiàn)穿堂風(fēng)，側(cè)風(fēng)區(qū)(S16和S17扇區(qū))無穿堂風(fēng)；隨著環(huán)境風(fēng)速的進(jìn)一步增加，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為18.0 m/s和20.0 m/s時，背風(fēng)區(qū)(S13扇區(qū))和側(cè)風(fēng)區(qū)(S17扇區(qū))均有穿堂風(fēng)存在，使其相應(yīng)扇區(qū)傳熱性能下降。

2.3 通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量變化

不同環(huán)境風(fēng)速下通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量變化見圖11和12。

圖11 通風(fēng)質(zhì)量流量隨環(huán)境風(fēng)速變化

圖12 傳熱量隨環(huán)境風(fēng)速變化

隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量均先減小后增加。通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量最小值均出現(xiàn)在12.0 m/s。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不超過12.0 m/s時，隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加幅度小于背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減小幅度，故塔通風(fēng)質(zhì)量流量減小，傳熱量也隨之減小。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于12.0 m/s時，迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量增加幅度大于背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)質(zhì)量流量減小幅度，故塔通風(fēng)質(zhì)量流量上升，傳熱量也增加。

環(huán)境風(fēng)經(jīng)過塔外建筑物時，由于通流面積減小使得風(fēng)速大小和方向會發(fā)生變化。為了更加直觀地說明由于建筑物的存在對塔通風(fēng)量和傳熱量的影響，定義通風(fēng)質(zhì)量流量改變度M和傳熱量改變度Q。M為塔周圍有建筑物時，不同環(huán)境風(fēng)速下塔的通風(fēng)質(zhì)量流量與塔周圍無建筑物時塔的通風(fēng)質(zhì)量流量之差與塔周圍無建筑物時塔的通風(fēng)質(zhì)量流量之比；Q為塔周圍有建筑物時，不同環(huán)境風(fēng)速下塔的傳熱量與塔周圍無建筑物時塔的傳熱量之差與塔周圍無建筑物時塔的傳熱量之比。M和Q隨環(huán)境風(fēng)速變化見圖13。

圖13 M和Q隨環(huán)境風(fēng)速變化

M的最大值和最小值分別在環(huán)境風(fēng)速為20.0 m/s和0 m/s取得，Q的最大值和最小值分別在環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s和0 m/s取得。環(huán)境風(fēng)速為5.5 m/s時，M和Q分別約為5.60%和5.92%；環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時，M和Q分別約為3.62%和2.32%；環(huán)境風(fēng)速大于15.0 m/s時，在一定范圍內(nèi)隨著風(fēng)速的增加，M和Q均增加。

3 結(jié)語

(1) 間冷塔周圍有無建筑物時，均在環(huán)境風(fēng)速為8.0 m/s時側(cè)風(fēng)區(qū)部分扇區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)，環(huán)境風(fēng)速為12.0 m/s時背風(fēng)區(qū)部分扇區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)，在一定范圍內(nèi)隨著環(huán)境風(fēng)速的增加穿堂風(fēng)量也增加。

(2) 間冷塔周圍有無建筑物時，其通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量均隨環(huán)境風(fēng)速先減小后增加，在12.0 m/s時最小。

(3) 塔周圍有建筑物相比無建筑物時，塔通風(fēng)質(zhì)量流量和傳熱量改變度分別在環(huán)境風(fēng)速為20.0 m/s和5.5 m/s時最大，均在0 m/s時最小。