李永華，劉 娟

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

自然通風(fēng)冷卻塔變工況下防凍的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)

李永華，劉 娟

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

為了找到我國(guó)北方冬季冷卻塔變工況運(yùn)行時(shí)防止塔內(nèi)結(jié)冰的最佳擋風(fēng)板懸掛層數(shù)，論文建立了600 MW機(jī)組自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的傳熱傳質(zhì)模型，利用FLUENT軟件模擬并分析了在循環(huán)水量不同的工況下，未加裝擋風(fēng)板以及加裝不同層數(shù)擋風(fēng)板時(shí)塔內(nèi)最低水滴溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：(1)隨著擋風(fēng)板層數(shù)的增加，塔內(nèi)不同特征面上最低水滴溫度均升高，填料層下平面空氣溫度梯度逐漸變小，降低了塔內(nèi)結(jié)冰的可能性；(2)在環(huán)境溫度為253.15 K，7 m/s的橫向風(fēng)速下，當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329 kg/s時(shí)，防止塔內(nèi)結(jié)冰的最佳擋風(fēng)板層數(shù)分別為5層、3層、3層和1層，這不僅對(duì)火電機(jī)組的節(jié)能降耗具有一定的實(shí)際意義，也為擋風(fēng)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

冷卻塔；數(shù)值模擬；熱力特性；防結(jié)冰；擋風(fēng)板

0 引 言

在電廠實(shí)際運(yùn)行時(shí)，冷卻塔的運(yùn)行狀況受環(huán)境條件、機(jī)組負(fù)荷以及循環(huán)冷卻水量等因素的影響而長(zhǎng)期處于變工況運(yùn)行狀態(tài)[10]，由于不能很好地根據(jù)工況的變化而及時(shí)調(diào)整擋風(fēng)板的數(shù)量，常會(huì)過量懸掛擋風(fēng)板，使得循環(huán)水溫度高于經(jīng)濟(jì)溫度，造成機(jī)組真空和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低[4，9]?？紤]到在影響冷卻塔變工況特性的因素中，循環(huán)冷卻水量對(duì)出塔水溫的影響較為明顯[10-11]，因此，文中主要研究當(dāng)循環(huán)冷卻水量不同時(shí)，填料層下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面上的最低水滴溫度的變化規(guī)律，進(jìn)一步模擬加裝不同層數(shù)擋風(fēng)板后塔內(nèi)空氣溫度場(chǎng)和最低水滴溫度的變化規(guī)律，進(jìn)而找到循環(huán)冷卻水量不同時(shí)防止塔內(nèi)結(jié)冰的最佳擋風(fēng)板層數(shù)，這對(duì)火電機(jī)組節(jié)能降耗具有一定的實(shí)際意義。

1 數(shù)值模擬方法

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔中水和空氣的熱交換方式是：流過水表面的冷空氣與水直接接觸，通過接觸散熱和蒸發(fā)散熱，把水中的熱量傳給空氣。冷卻塔內(nèi)循環(huán)冷卻水在不同的區(qū)域流態(tài)也不相同，在噴淋區(qū)和雨區(qū)為液滴狀，而在填料區(qū)多為液膜的形式。針對(duì)冷卻塔內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)特性，在噴淋區(qū)和雨區(qū)，采用離散相模型來模擬水滴和空氣之間的相互作用[11-12]。填料區(qū)由于分布致密、水膜流動(dòng)復(fù)雜，其對(duì)氣水流場(chǎng)的影響被當(dāng)做源項(xiàng)采用外接自定義函數(shù)求解[13]，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，在輸運(yùn)方程中考慮了浮力項(xiàng)，控制微分方程的離散化采用有限差分法中的控制容積法，控制方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式，流場(chǎng)的計(jì)算采用典型的SIMPLE算法，F(xiàn)luent求解器采用分離隱式。

1.1 連續(xù)相控制方程

在噴淋區(qū)和雨區(qū)，濕空氣為連續(xù)相，濕空氣的流動(dòng)采用歐拉法求解，通用控制方程如下[14]：

(1)

式中：ρ為濕空氣密度，kg/m3；μi為速度矢量，m/s；φ為通用變量，分別表示溫度，K、湍流動(dòng)能，m2/s2、湍流擴(kuò)散率，m2/s3、水蒸氣體積濃度，m3/m3以及x、y、z方向的速度分量，m/s；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義擴(kuò)散源項(xiàng)。

1.2 離散相控制方程

由于伊朗中央銀行目前被列入受制裁者名單，所有同伊央行進(jìn)行商業(yè)往來的外國(guó)銀行和金融機(jī)構(gòu)，都存在遭受制裁甚至被列入受制裁者名單的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)被列入受制裁者名單的主體，可以通過網(wǎng)上向美國(guó)政府申訴，海外資產(chǎn)控制辦公室每年在審查后會(huì)將上百個(gè)主體從名單中除去。因?yàn)槊绹?guó)政府認(rèn)為，制裁的目的“不是為了懲罰，而是為了糾正不正當(dāng)行為”[9]。

在噴淋區(qū)和雨區(qū)，采用拉格朗日法計(jì)算水滴的軌跡，并通過相間耦合計(jì)算水滴與空氣之間的熱質(zhì)交換。水滴的溫度變化關(guān)系式[15]如下：

mwcwΔTw=hAw(Tad-Tw)+hmAw(Cs-C)hfg

(2)

式中：Tad、Tw、Aw、mw分別為控制單元內(nèi)氣相干球溫度，K、水滴溫度，K、水滴表面積，m2和水滴流量，kg/s；cw為控制單元內(nèi)水滴的平均比熱容，J/(kg·K)；ΔTw為控制單元內(nèi)水滴溫度變化量，K；Cs為含1kg干空氣的濕空氣中水滴表面所含水蒸汽的質(zhì)量；C為含1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量；hm為傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m2·s)；h為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；hfg為淋水蒸發(fā)潛熱，J/kg。

1.3 邊界條件

以北方某電廠600MW機(jī)組的自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔為例，其幾何邊界條件如下：塔高125m，基環(huán)外側(cè)直徑106.42m，塔盆直徑96.42m，塔出口直徑57.01m，喉部直徑52.2m，填料厚度1m，進(jìn)風(fēng)口高度8m，計(jì)算區(qū)域?yàn)楦叨葹?00m、直徑為500m的圓柱體。

使用Gambit軟件生成冷卻塔的幾何模型以及計(jì)算網(wǎng)格，由于不同區(qū)域的網(wǎng)格精度要求不同，塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)區(qū)域和進(jìn)風(fēng)口區(qū)域網(wǎng)格劃分得較密集，塔筒區(qū)域和塔外環(huán)境區(qū)域網(wǎng)格則相對(duì)稀疏。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，確定網(wǎng)格總數(shù)約為96萬(wàn)個(gè)。

當(dāng)有環(huán)境側(cè)風(fēng)時(shí)，進(jìn)口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，地面、塔殼壁面和擋風(fēng)板為無滑移壁面邊界條件。計(jì)算中考慮重力和浮力的影響，離散相邊界條件在基環(huán)面、收水器、計(jì)算區(qū)域進(jìn)出口等邊界均為逃逸，在冷卻塔殼壁面為反射。計(jì)算邊界示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算邊界示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)進(jìn)塔水溫為300.07K，空氣干球溫度為253.15K，橫向風(fēng)速為7m/s的工況進(jìn)行模擬，模擬計(jì)算的結(jié)果如下：

2.1 未加裝擋風(fēng)板時(shí)僅循環(huán)水量變化對(duì)塔內(nèi)最低水滴溫度的影響

參考北方某電廠600MW機(jī)組的自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔冬季實(shí)際運(yùn)行時(shí)的循環(huán)冷卻水量，選取循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s的四個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量與填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面三個(gè)特征面上最低水滴溫度的關(guān)系見表1和如圖2所示。

表1 循環(huán)水量不同時(shí)三個(gè)特征面上的最低水滴溫度

圖2 循環(huán)水質(zhì)量流量與特征面上最低水滴溫度的關(guān)系

由表1和圖2可知，隨著循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量的增加，填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面上的最低水滴溫度均升高。原因是當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量增加時(shí)，單位體積控制體內(nèi)水滴數(shù)量增加導(dǎo)致氣水比降低，與單位表面積水滴接觸的冷空氣量減少，傳熱傳質(zhì)減弱，特征面上的最低水滴溫度升高。

2.2 加裝不同層數(shù)擋風(fēng)板對(duì)塔內(nèi)空氣溫度場(chǎng)的影響規(guī)律

在進(jìn)風(fēng)口處加裝擋風(fēng)板，可以減少進(jìn)塔的空氣量以及循環(huán)水和空氣之間的換熱量，從而提高塔內(nèi)溫度，防止結(jié)冰。加裝擋風(fēng)板后進(jìn)風(fēng)口的布置如下：每層擋風(fēng)板高1.33m，將進(jìn)風(fēng)口平均分為6層，從上到下按層數(shù)依次加裝擋風(fēng)板，將第6層留作進(jìn)風(fēng)，不懸掛擋風(fēng)板。

以循環(huán)水質(zhì)量流量為11 830kg/s工況為例,未加裝擋風(fēng)板和加裝不同層數(shù)擋風(fēng)板后填料下面空氣溫度場(chǎng)如圖3所示。

從圖3可以看出，未加裝擋風(fēng)板時(shí)填料層下平面空氣溫度梯度很大，溫度分布不均導(dǎo)致循環(huán)水和空氣之間換熱不均，從而導(dǎo)致塔內(nèi)最低水滴溫度偏低。加裝擋風(fēng)板以后，隨著擋風(fēng)板層數(shù)的增加，填料層下平面空氣溫度梯度逐漸變小，空氣溫度分布均勻性得到改善，降低了塔內(nèi)結(jié)冰的可能性。

2.3 循環(huán)水量和擋風(fēng)板層數(shù)對(duì)塔內(nèi)最低水滴溫度的影響規(guī)律

為了防止冷卻塔結(jié)冰而懸掛過多層數(shù)的擋風(fēng)板會(huì)導(dǎo)致出塔水溫升高，降低機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。為了找到循環(huán)水量不同時(shí)加裝擋風(fēng)板的最佳層數(shù)，選取循環(huán)水質(zhì)量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s的工況進(jìn)行模擬計(jì)算，得到擋風(fēng)板層數(shù)和填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面三個(gè)特征面上最低水滴溫度的關(guān)系見表2。

表2 循環(huán)水質(zhì)量流量不同時(shí)擋風(fēng)板層數(shù)與特征面最低水滴溫度的關(guān)系

從表2可以看出：(1)當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為9 011kg/s未加裝擋風(fēng)板時(shí)，填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面處最低水滴溫度均小于273.15K，說明此時(shí)三個(gè)特征平面上水滴均已產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛4層擋風(fēng)板后，基環(huán)面處最低水滴溫度為271.35K，仍然無法防止基環(huán)面處水滴結(jié)冰，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛5層擋風(fēng)板后，三個(gè)特征平面上最低水滴溫度均升高到273.15K以上，說明當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為9 011kg/s時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛5層擋風(fēng)板剛好可以防止塔內(nèi)結(jié)冰。(2)當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為11 830kg/s未加裝擋風(fēng)板時(shí)，填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面處均已產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛2層擋風(fēng)板后，基環(huán)面處最低水滴溫度為270.69K，仍然無法防止基環(huán)面處水滴結(jié)冰，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛3層擋風(fēng)板后，三個(gè)特征平面上最低水滴溫度均升高到273.15K以上，說明當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為11 830kg/s時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛3層擋風(fēng)板剛好可以防止塔內(nèi)結(jié)冰。(3)當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為13 863kg/s未加裝擋風(fēng)板時(shí)，填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面處均已產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛2層擋風(fēng)板后，基環(huán)面處最低水滴溫度為272.63K，仍然無法防止基環(huán)面處水滴結(jié)冰，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛3層擋風(fēng)板后，三個(gè)特征平面上最低水滴溫度均大于273.15K，說明當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為13 863kg/s時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛3層擋風(fēng)板剛好可以防止塔內(nèi)結(jié)冰。(3)當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為17 329kg/s未加裝擋風(fēng)板時(shí)，進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面處產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛1層擋風(fēng)板后，三個(gè)特征平面上最低水滴溫度均大于273.15K，說明當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量為17 329kg/s時(shí)，在進(jìn)風(fēng)口處懸掛1層擋風(fēng)板剛好可以防止塔內(nèi)結(jié)冰。

由此可見，填料下面、進(jìn)風(fēng)口上沿面和基環(huán)面三個(gè)特征平面上最低水滴溫度隨擋風(fēng)板層數(shù)的增加而升高。在環(huán)境溫度為253.15K，7m/s的橫向風(fēng)速下，當(dāng)循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s時(shí)，防止冷卻塔內(nèi)結(jié)冰的最佳擋風(fēng)板層數(shù)分別為5層、3層、3層和1層。防止塔內(nèi)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象的最佳擋風(fēng)板懸掛層數(shù)隨循環(huán)冷卻水質(zhì)量流量的增加而減少。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)600MW自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔未加裝擋風(fēng)板和加裝擋風(fēng)板后的熱力過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了不同循環(huán)水質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)的防止塔內(nèi)結(jié)冰的最佳擋風(fēng)板懸掛層數(shù)，得到以下結(jié)論：

(1)未加裝擋風(fēng)板時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度為253.15K，橫向風(fēng)速為7m/s，循環(huán)水質(zhì)量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s時(shí)，塔內(nèi)產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。隨著循環(huán)水質(zhì)量流量的增加，三個(gè)特征面上最低水滴溫度均升高。

(2)在進(jìn)風(fēng)口處加裝擋風(fēng)板后，隨著擋風(fēng)板層數(shù)的增加，三個(gè)特征平面上最低水滴溫度均升高，填料下面空氣溫度分布逐漸趨于均勻，降低了塔內(nèi)結(jié)冰的可能性。

(3) 在環(huán)境溫度為253.15K，7m/s的橫向風(fēng)速下，當(dāng)循環(huán)水質(zhì)量流量分別為9 011、11 830、13 863和17 329kg/s時(shí)，防止冷卻塔內(nèi)結(jié)冰的最佳擋風(fēng)板層數(shù)分別為5層、3層、3層和1層。找到冷卻塔變工況下加裝擋風(fēng)板的最佳層數(shù)有利于火電機(jī)組的節(jié)能降耗，為擋風(fēng)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

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Numerical Optimization Design on Natural Draft Cooling Tower Anti-icing at Off-design Operating Conditions

LI Yong-hua, LIU Juan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Heibei Province, China)

In order to find the optimal layers of windshield boards at off-design operating conditions of cooling tower in winter in the north of China. A heat and mass transfer model of a natural draft counter-flow wet cooling tower for a 600 MW thermal power unit is established. By using the FLUENT software, the changing regularity of the minimum water droplets temperatures in the cooling tower with no windshield boards installed and with different layers of windshield boards installed under different circulating water mass flow rate conditions is simulated. The results indicate that: (1) with the increasing layer of windshield boards, the lowest water droplets temperatures at different characteristic planes will all increase and the air temperature gradient at the bottom surface of fill zone becomes little, thus reducing the icing probability. (2) when the circulating water mass flow rates are 9 011 kg/s, 11 830 kg/s, 13 863 kg/s and 17 329 kg/s respectively at the ambient temperature of 253.15 K and the crosswind velocity of 7 m/s, the optimal layers of windshield boards to avoid water freezing in the tower are 5 layers, 3 layers, 3 layers and 1 layer, which has some practical significance to the energy saving of thermal power units and provides theoretical evidence for optimum design of windshield boards.

Cooling tower; Numerical simulation; Thermodynamic properties; Anti-icing; Windshield board

2015-06-10

2015-07-10

李永華(1961-)，女，教授，主要從事火電機(jī)組節(jié)能理論及節(jié)能技術(shù)研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.007

TK264

A

1009-3230(2015)08-0024-06