李永華，劉娟，湯金明

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北省保定市 071003； 2.內蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司，呼和浩特市 010206)

擋風板縱向間隔懸掛對濕式冷卻塔熱力特性影響的數值模擬

李永華1，劉娟1，湯金明2

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北省保定市 071003； 2.內蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司，呼和浩特市 010206)

在我國北方地區(qū)，自然通風逆流濕式冷卻塔在冬季運行時容易出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，需要在冷卻塔的進風口處加裝擋風板。在電廠實際運行中，常出現(xiàn)為了防止冷卻塔塔內結冰而過量懸掛擋風板的情況，導致機組經濟性降低。為了提高冷卻塔加裝擋風板防凍的可行性，提出了一種新型縱向間隔的擋風板懸掛方式，建立了600 MW機組冷卻塔的傳熱傳質模型，利用Fluent軟件模擬并分析了縱向間隔加裝擋風板后，擋風面積對塔內不同特征面最低水滴溫度的影響，找到了在不同環(huán)境溫度下剛好可以防止塔內結冰的最佳擋風面積。結果表明：縱向間隔加裝擋風板后，塔內最低水滴溫度隨擋風面積的增加而升高；當環(huán)境溫度分別為264.15、261.15和258.15 K時，分別在第1層加裝擋風板后留45個縱向進風口、第1、2層加裝擋風板后留72個縱向進風口以及第1、2、3層加裝擋風板后留90個縱向進風口剛好可以防止塔內結冰，對應的最佳擋風面積分別為848.95、1 578.79以及1 864.16 m2。

冷卻塔；數值模擬；熱力特性；防凍；擋風面積

0 引 言

自然通風逆流濕式冷卻塔在火電廠中廣泛應用，主要作用是冷卻循環(huán)水。冷卻塔內冷卻水通過對流散熱和蒸發(fā)散熱[1-2]，把水中的熱量傳遞給空氣。在我國北方地區(qū)冬季溫度較低，風速較高，冷卻水和空氣之間換熱強度大，塔內結冰風險高[3]。當冷卻塔結冰現(xiàn)象嚴重時，會造成冷卻塔內部設施損壞，影響冷卻塔的安全運行[4-6]。出現(xiàn)結冰現(xiàn)象的原因是：在冷卻塔的塔筒內壁下緣處經常淋不到熱水，從填料中濺出的水沿塔筒內壁流到這些部位，與進塔的冷空氣換熱，當水滴溫度降到冰點以下時，在填料層下平面、進風口上沿面和基環(huán)面等處出現(xiàn)結冰現(xiàn)象[7-9]。目前,在冷卻塔的進風口處加裝擋風板是防止塔內結冰的常見方式[7-12]。

在實際運行中，由于不能及時地根據環(huán)境溫度的變化調整擋風板的數量，常會過量懸掛擋風板，使得循環(huán)水溫度高于經濟溫度，造成機組真空和機組經濟性降低[12]。因此，找到一定環(huán)境溫度下對應的最佳擋風面積對機組的節(jié)能降耗具有重要意義。

文獻[7-9]模擬研究了環(huán)境溫度和橫向風速影響下加裝不同層數擋風板時冷卻塔的熱力特性，找到了環(huán)境溫度和橫向風速影響下防止塔內結冰的最佳擋風板懸掛層數。然而，橫向分層懸掛在實際運行中存在一些問題，比如擋風板懸掛過程耗時較長，懸掛過程中出現(xiàn)結冰現(xiàn)象，從而損壞淋水填料，降低冷卻塔的熱力性能[4]。為了提高冷卻塔加裝擋風板防凍的可行性，本文提出一種新型防止塔內結冰的擋風板懸掛方式，即縱向間隔懸掛，通過建立600 MW機組濕式冷卻塔的傳熱傳質模型，利用Fluent軟件模擬計算縱向間隔加裝擋風板后冷卻塔內的最低水滴溫度，找到不同環(huán)境溫度下防止塔內結冰的最佳擋風面積。

1 數值模擬方法

冷卻塔內循環(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。針對冷卻塔內介質的流動特性，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[13-14]。填料區(qū)由于分布致密、水膜流動復雜，其對氣水流場的影響被當做源項采用外接自定義函數求解[15]，選用標準k-ε湍流模型，在輸運方程中考慮了浮力項，控制微分方程的離散化采用有限差分法中的控制容積法，控制方程的對流項采用二階迎風離散格式，流場的計算采用典型的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，濕空氣的流動采用歐拉法求解，通用控制方程為

▽·(ρuiφ-Γφ▽φ)=Sφ

(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)、湍流動能(m2/s2)、湍流擴散率(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為廣義擴散系數；Sφ為廣義擴散源項[16]。

1.2 離散相控制方程

在噴淋區(qū)和雨區(qū)，采用拉格朗日法計算水滴的軌跡，并通過相間耦合計算水滴與空氣之間的熱質交換。水滴的溫度變化關系式為

mwcwΔTw=hAw(Tad-Tw)+hmAw(Cs-C∞)hfg

(2)

式中：Tad、Tw、Aw、mw分別為控制單元內氣相干球溫度(K)、水滴溫度(K)、水滴表面積(m2)和水滴流量(kg/s)；cw為控制單元內水滴的平均比熱容，J/(kg·K)；ΔTw為控制單元內水滴溫度變化量，K；Cs為含1 kg干空氣的濕空氣中水滴表面所含水蒸汽的質量；C∞為含1 kg干空氣的濕空氣中所含水蒸汽的質量；hm為傳質系數，kg/(m2·s)；h為傳熱系數，W/(m2·K)；hfg為淋水蒸發(fā)潛熱，J/kg[17]。

1.3 壓力損失

在噴淋區(qū)和雨區(qū)，由于水滴的拖拽力而引起的空氣壓降在Fluent內部進行計算[18]，空氣流經填料、人字柱、配水管道和收水器時產生的壓降以源項的形式添加到動量方程中，冷卻塔各區(qū)動量源項的通用形式為

(3)

式中：vj為垂直于幾何邊界面方向的空氣流動速度分量，m/s；k為壓力損失系數[19]，對于深度為1 m的填料，壓力損失系數可以按照以下經驗關系式計算：

(4)

(5)

Kfi,1.0m=Kfi,0.9mf+Kfi,1.2m(1-f)

(6)

人字柱(Kts)、配水管道(Kspray)和收水器(Kdrift)的壓力損失系數根據實驗資料取定值，分別為Kts=0.5、Kspray=0.5和Kdrift=3.5[20]。

1.4 邊界條件

以北方某電廠600 MW機組的自然通風逆流濕式冷卻塔為例，其幾何邊界條件如下：塔高125 m，基環(huán)外側直徑106.42 m，塔盆直徑96.42 m，塔出口直徑57.01 m，喉部直徑52.2 m，填料厚度1 m，進風口高度8 m，進風口總面積3 005.76 m2，計算區(qū)域為高度500 m、直徑500 m的圓柱體。

使用Gambit軟件生成冷卻塔的幾何模型以及計算網格，由于不同區(qū)域的網格精度要求不同，塔內傳熱傳質區(qū)域和進風口區(qū)域網格劃分得較密集，塔筒區(qū)域和塔外環(huán)境區(qū)域網格則相對稀疏。經過網格無關性驗證后，確定網格總數約為144萬個。

當有環(huán)境側風時，進口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，地面、塔殼壁面和擋風板為無滑移壁面邊界條件。計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、計算區(qū)域進出口等邊界均為逃逸，在冷卻塔殼壁面為反射。網格劃分及計算邊界如圖1所示。

圖1 網格劃分及計算邊界

1.5 模型正確性驗證

為了證明所建立數值模型的可行性，對冷卻塔未加裝擋風板時3個不同工況下的實測出塔水溫和計算出塔水溫進行了比較，如表1所示。

從表1可看出，3個工況下實測循環(huán)水溫降分別為11.31、10.13和9.48 K，實測出塔水溫和計算出塔水溫之間的絕對誤差分別為0.03、0.07和0.04 K，分別占實測循環(huán)水溫降的0.27%、0.69%和0.42%，這表明所建立的數值模型是可行的。

2 計算結果分析

模擬工況的參數為：進塔水溫298.15 K，循環(huán)水質量流量10 166.46 kg/s，空氣相對濕度53%，橫向風速1.5 m/s，水滴當量直徑3 mm。模擬計算的結果如下。

表1 出塔水溫的實測值與計算值對比

Table 1 Comparison of actual measured and calculated outlet water temperature

2.1 未裝擋風板時環(huán)境溫度與塔內水溫的關系

對環(huán)境干球溫度分別為258.15、261.15和264.15 K時填料下面、進風口上沿面和基環(huán)面3個特征面上的最低水滴溫度進行模擬計算，得到環(huán)境溫度和特征面上最低水滴溫度的關系如圖2所示。

圖2 特征面上最低水滴溫度隨環(huán)境溫度的變化趨勢

從圖2可看出，隨著環(huán)境溫度的降低，3個特征面上的最低水滴溫度均降低。這是由于隨著環(huán)境溫度的降低，循環(huán)冷卻水和冷空氣之間的溫度差、濕度差增大，傳熱的驅動力增大，換熱增強，塔的抽力增加，通風量增大，塔內最低水滴溫度下降。

當環(huán)境溫度為258.15 K時，填料層下平面、進風口上沿面和基環(huán)面上最低水滴溫度均小于273.15 K，說明此時3個特征平面均已產生結冰現(xiàn)象。當環(huán)境溫度為261.15 K時，進風口上沿面和基環(huán)面產生結冰現(xiàn)象，當環(huán)境溫度為264.15 K時，基環(huán)面產生結冰現(xiàn)象。為了提高塔內溫度防止結冰，采用在冷卻塔進風口處加裝擋風板的方案。

2.2 進風口加裝擋風板

擋風板將進風口按標高平均分為3層，從上到下依次為1、2、3層，前2層擋風板高均為2.67 m，為保證冷卻塔的進風，第3層擋風板采用原高度的一半，即1.33 m，從進風口高0 m到1.33 m處為下層進風區(qū)域，不懸掛擋風板，留作進風。擋風板為梯形，每塊擋風板的尺寸如下:第1層擋風板上部寬度、第1層擋風板下部寬度(即為第2層擋風板上部寬度)、第2層擋風板下部寬度(即為第3層擋風板上部寬度)、第3層擋風板下部寬度分別為：84.14、87.06、89.96、91.42 cm。當1層或幾層采用縱向間隔均勻懸掛時，一定數目的擋風板和縱向進風口依次排列，每層的縱向進風口尺寸和該層每塊擋風板的尺寸相同，第1、2、3層縱向間隔加裝擋風板后的進風口結構示意圖如圖3所示。

圖3 縱向間隔加裝擋風板示意

2.2.1 縱向間隔加裝擋風板對塔內空氣溫度場的影響

以環(huán)境溫度為261.15 K，1、2層縱向間隔加裝擋風板后留60個縱向進風口、擋風面積為1 644.57 m2時填料下面空氣溫度場為例，對比未加裝擋風板以及縱向間隔加裝擋風板后填料下面空氣溫度場，如圖4所示。從圖4可以看出，未加裝擋風板時，在冷卻塔的背風側空氣溫度較低，循環(huán)水和冷空氣之間的溫差較大，循環(huán)水傳遞給冷空氣的熱量較多，使得此處水滴溫度偏低；縱向間隔加裝擋風板后，填料下面最低空氣溫度明顯升高，降低了塔內結冰的可能性。

2.2.2 擋風面積對塔內最低水滴溫度的影響

對縱向間隔加裝擋風板后環(huán)境溫度分別為258.15、261.15和264.15 K時3個特征面上的最低水滴溫度進行模擬計算，擋風板的縱向間隔懸掛方案如表2所示，3個特征面上最低水滴溫度隨擋風面積的變化趨勢如圖5所示。

圖4 填料下面空氣溫度場

圖5 環(huán)境溫度為258.15、261.15和264.15 K時特征面上最低水滴溫度隨擋風面積的變化趨勢

(1)從圖5可看出，在環(huán)境溫度分別為258.15、261.15 和264.15 K時，3個特征面上的最低水滴溫度均隨擋風面積的增加而升高。這是因為隨著擋風面積的增加，通風阻力增大，而塔的抽力幾乎不變，因此通風量減少，循環(huán)水和空氣之間的換熱量減少，使得塔內最低水滴溫度升高。

(2)由圖2和圖5可知，在264.15 K環(huán)境溫度下，第1層縱向間隔加裝擋風板后留45個縱向進風口時基環(huán)面最低水滴溫度為274 K，剛好高于273.15 K，即剛好可以防止塔內結冰，因此，該懸掛方式為在264.15 K環(huán)境溫度下防止塔內結冰的最佳懸掛方式，最佳擋風面積為848.95 m2；同理，在 261.15 K環(huán)境溫度下，最佳懸掛方式為第1、2層縱向間隔懸掛擋風板后留72個縱向進風口，最佳擋風面積為1 578.79 m2；在258.15 K環(huán)境溫度下，最佳懸掛方式為第1、2、3縱向間隔懸掛擋風板后留90個縱向進風口，最佳擋風面積為1 864.16 m2。最佳擋風面積隨環(huán)境溫度的降低而增大。

3 結 論

本文對600 MW機組自然通風逆流濕式冷卻塔未加裝擋風板以及縱向間隔加裝擋風板后的熱力特性進行了數值模擬，得到以下結論：

(1)未加裝擋風板時，當橫向風速為1.5 m/s，環(huán)境干球溫度分別為258.15、261.15 和264.15 K時，塔內產生不同程度的結冰現(xiàn)象，塔內最低水滴溫度隨著環(huán)境溫度的降低而降低。

(2)在進風口處縱向間隔加裝擋風板后，隨著擋風面積的增加，進塔空氣量減少，塔內最低水滴溫度升高。

(3)在1.5 m/s橫向風速下，當環(huán)境溫度為264.15 K時，第1層縱向間隔加裝擋風板后留45個縱向進風口剛好可以防止塔內結冰，最佳擋風面積為848.95m2；當環(huán)境溫度為261.15 K時，第1、2層縱向間隔加裝擋風板后留72個縱向進風口剛好可以防止塔內結冰，最佳擋風面積為1 578.79 m2；當環(huán)境溫度為258.15 K時，第1、2、3層縱向間隔加裝擋風板后留90個縱向進風口剛好可以防止塔內結冰，最佳擋風面積為1 864.16 m2；最佳擋風面積隨環(huán)境溫度的降低而增大。

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(編輯 蔣毅恒)

Numerical Simulation on Influence of Windshield Boards Installed at a Regular Longitudinal Spacing on Wet Cooling Tower Thermal Performance

LI Yonghua1, LIU Juan1,TANG Jinming2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. Inner Mongolia Datang International Togtoh Power Generation Co., Ltd., Hohhot 010206, China)

In the north of China, water freezing phenomenon occurs easily during the operation of natural draft counter-flow wet cooling towers in winter. It is necessary to install windshield boards at the air inlet of cooling tower. During the actual operation of power plants, it often appears the situation that the number of windshield boards is over large in order to avoid water freezing in cooling tower, which decreases the economics of unit. In order to improve the feasibility of installing windshield boards to avoid water freezing, we propose a new installation method of spaced longitudinal windshield board, and establish a heat and mass transfer model of cooling tower in a 600 MW unit. With using Fluent, we simulate and analyze the influence of the installing area of windshield boards on the minimum water droplet temperature on different characteristic planes after windshield board installation, and find the optimal installing area of windshield boards at different ambient temperatures. The results indicate that, the lowest water droplet temperature in the tower increase with the installing area increase of windshield boards; when the ambient temperatures are 264.15 K, 261.15 K and 258.15 K respectively; the cooling tower can avoid water freezing with windshield boards installed at a regular longitudinal spacing at the first layer with 45 longitudinal air inlets, the first two layers with 72 longitudinal air inlets and the first three layers with 90 longitudinal air inlets respectively, the corresponding optimal installing area of windshield boards are 848.95 m2, 1578.79 m2and 1864.16 m2respectively.

cooling tower; numerical simulation; thermodynamic performance; anti-freezing; installing area of windshield boards

TM 621.7

A

1000-7229(2016)01-0119-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.018

2015-08-25

李永華(1961)，女，教授，主要從事火電機組節(jié)能理論及節(jié)能技術研究工作；

劉娟(1989)，女，碩士研究生，研究方向為濕式冷卻塔防凍；

湯金明(1986)，男，工程師，主要從事汽輪機及附屬設備檢修管理工作。