王林，楊博，普建國，郭三虎，劉愛軍，趙如宇，宋曉輝，康嘉林

（西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

660 MW直接空冷機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)小機(jī)間冷塔流動(dòng)阻力特性研究

王林，楊博，普建國，郭三虎，劉愛軍，趙如宇，宋曉輝，康嘉林

（西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

為研究鋼結(jié)構(gòu)小機(jī)間冷塔的阻力特性，以某電廠660 MW直接空冷機(jī)組小機(jī)間冷塔為研究對(duì)象，運(yùn)用流體力學(xué)方程建立計(jì)算模型，借助ICEM－CFD及Meshing軟件完成網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件計(jì)算了模型各處的流場特性，使用ANSYS軟件計(jì)算了小機(jī)間冷塔各部位的阻力系數(shù)。結(jié)果表明，鋼制空冷塔喉部區(qū)域負(fù)壓最大，空氣流速最大；X柱處局部阻力系數(shù)小于筒身處，折彎處的局部阻力系數(shù)最大；塔身各處局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增大變化較小。

660 MW機(jī)組；給水汽輪機(jī)；鋼結(jié)構(gòu)間冷塔；阻力特性

0 引言

我國水資源嚴(yán)重匱乏，地域分布極不均衡［1－2］。內(nèi)蒙古、山西、陜西等北方地區(qū)是我國的能源基地，蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，具備發(fā)展大型煤電基地和坑口電站群的基礎(chǔ)條件，但上述地區(qū)同時(shí)又是我國水資源最為缺乏的地區(qū)，電力工業(yè)的發(fā)展受到水資源的嚴(yán)重制約。火電廠空冷技術(shù)具有顯著的節(jié)水優(yōu)勢［3－5］，在破解富煤缺水地區(qū)火電產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題中正得到越來越廣泛的應(yīng)用［6－7］。

內(nèi)蒙古地區(qū)某火力發(fā)電項(xiàng)目，一期工程包括2臺(tái)660 MW超臨界直接空冷火電機(jī)組，近期已全部投產(chǎn)。該電廠處于我國嚴(yán)寒地區(qū)，冬季無法實(shí)現(xiàn)混凝土冷卻塔的施工。設(shè)計(jì)單位創(chuàng)新性地提出了給水小汽輪機(jī)采用鋼結(jié)構(gòu)間接冷卻塔的技術(shù)方案。小汽輪機(jī)雙曲線鋼結(jié)構(gòu)空冷塔的應(yīng)用，降低了造價(jià)，縮短了工期，實(shí)際節(jié)水效果明顯。鋼結(jié)構(gòu)間冷塔與混凝土冷卻塔的構(gòu)造單元不同，塔體內(nèi)流場有差異，因此二者的冷卻特性有明顯區(qū)別。目前，行業(yè)內(nèi)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)小機(jī)間冷塔阻力特性的研究較少，為更好地指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行，并為高效鋼結(jié)構(gòu)間冷塔的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，本文對(duì)某電廠660 MW直接空冷機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)小機(jī)間冷塔的阻力特性進(jìn)行了研究計(jì)算。

1 分析方法

1.1 結(jié)構(gòu)簡述

電廠冷卻塔通常由筒體、支撐柱等部件組成，鋼構(gòu)形式和傳統(tǒng)混凝土形式的空冷塔詳細(xì)結(jié)構(gòu)不完全相同。某電廠鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔風(fēng)筒基本參數(shù)見表1，小汽輪機(jī)間冷塔的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼構(gòu)形式間冷塔三維結(jié)構(gòu)

表1 鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔參數(shù)

1.2 分析方法

本計(jì)算采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值分析的方法完成流場分析的計(jì)算工作，計(jì)算采用Fluent軟件。整個(gè)計(jì)算模型首先采用CAD軟件進(jìn)行幾何模型構(gòu)建，然后采用專業(yè)網(wǎng)格劃分工具ICEM－CFD及Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后使用Fluent進(jìn)行前處理計(jì)算設(shè)置、計(jì)算求解以及后處理和數(shù)據(jù)處理，最終得到模型各部位的流場分布和流動(dòng)特性結(jié)果。

為了如實(shí)模擬間冷塔工作時(shí)的流動(dòng)情況，本計(jì)算使用下列方法來實(shí)現(xiàn)：（1）使用穩(wěn)態(tài)定常模擬方法；（2）使用強(qiáng)制塔頂出口風(fēng)速的方式控制間冷塔流量；（3）使用常溫常壓下的空氣物性參數(shù)用于計(jì)算；（4）使用RNGk－ε湍流模型模擬流動(dòng)中的湍流。

本計(jì)算對(duì)邊界條件的處理方法為：入口邊界，包含一定湍流強(qiáng)度的速度入口邊界；出口邊界，恒定靜壓的壓力出口邊界；對(duì)稱面，完全滑移的對(duì)稱邊界；固體壁面，水力光滑的壁面邊界。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

本分析中對(duì)于阻力系數(shù)的定義為

式中：ξ為阻力系數(shù)；A為特征截面流通面積，在本分析中選取間冷塔出口截面作為特征界面，m2；qm為特征截面處的質(zhì)量流量，kg/s；ρm為流體的平均密度；在此ρm≈ρv，ρv為氣體密度；Δp為分析得到的壓差，Pa。

本分析中將在間冷塔模型中設(shè)置4個(gè)取壓面，在計(jì)算完成后分別讀取各面上的靜壓值，最終根據(jù)這些數(shù)據(jù)獲得最終的阻力系數(shù)結(jié)果。各取壓面的位置和編號(hào)如圖2所示。

圖2 各取壓面的位置和編號(hào)

間冷塔中各區(qū)段的流動(dòng)阻力系數(shù)劃分為：塔筒阻力系數(shù)，面A至B的流動(dòng)區(qū)間；拐彎向上阻力系數(shù)，面B至C的流動(dòng)區(qū)間；X柱的阻力系數(shù)，面C至D的流動(dòng)區(qū)間。

1.4 計(jì)算方法可靠性校驗(yàn)

為了驗(yàn)證使用上面描述分析方法的計(jì)算精度，本項(xiàng)目選用一個(gè)有工程解的流動(dòng)問題作為驗(yàn)證考題。選取90°彎管（管子直徑為7.8 m）進(jìn)行建模，對(duì)其生成網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 90°彎管三維網(wǎng)格劃分示意

將上述網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中設(shè)置邊界條件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：Δp為截面1和截面2的壓差，Pa；ξ為局部阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；v為局部阻力件上游速度，m/s。

在Fluent中設(shè)置邊界條件為：入口速度分別為1，10，40，60，80，100m/s，出口背壓為11kPa，壁面粗糙度為0.3 mm。對(duì)于90°彎管，彎頭下游出口距離L＞5d（d為管徑）時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)基本趨于穩(wěn)定，沿程動(dòng)壓基本趨于穩(wěn)定，此后的管段可以取為壓力測量點(diǎn)；而上游由于流動(dòng)較穩(wěn)定，因此取靠近彎頭的地方較為合適。本算例中，取得上游壓力測量點(diǎn)為圖4中截面1，下游壓力測量點(diǎn)為圖4中截面2，90°彎管局部阻力系數(shù)計(jì)算見表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，90°彎管在不同的入口流速下，彎頭的局部阻力系數(shù)均在0.145左右波動(dòng)，取得平均值ξ＝0.14488，《實(shí)用流體阻力手冊》查得該彎頭的阻力系數(shù)為0.14750，與經(jīng)典值符合，因此本文采用的計(jì)算方法是可靠的。上述算例截取90°彎管的壓力云圖和速度矢量圖如圖5～6所示。

2 分析過程

2.1 計(jì)算模型

為了建立計(jì)算所用的結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)間冷塔本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，使用CAD軟件對(duì)三維幾何模型進(jìn)行創(chuàng)建和相關(guān)處理。由于間冷塔在結(jié)構(gòu)和流場兩方面均滿足周向?qū)ΨQ的條件，為了使計(jì)算更加便捷，本文使用周向1/12模型（即30°角）進(jìn)行分析。此外，為了使塔體進(jìn)、出口的流動(dòng)能夠充分發(fā)展，在流道幾何模型上對(duì)間冷塔的進(jìn)、出口均進(jìn)行了適當(dāng)延長。完成結(jié)構(gòu)模型的建立后，模型被導(dǎo)入Meshing及ICEMCFD中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終得到的模型網(wǎng)格數(shù)約為5700萬。

圖4 上游和下游壓力測量點(diǎn)

表2 90°彎管局部阻力系數(shù)計(jì)算

圖5 90°彎管的壓力云圖

圖6 90°彎管的速度矢量圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算獲得了鋼制間冷塔工作時(shí)的流場分布，計(jì)算獲得的流場云圖如圖7～8所示。從圖中可以看出，鋼結(jié)構(gòu)間冷塔喉部區(qū)域的流速最大、負(fù)壓最大，且喉部向兩側(cè)流體流速與負(fù)壓呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。

圖7 間冷塔（鋼架）縱截面處速度云圖

圖8 空冷塔（鋼架）縱截面處靜壓云圖

X柱（鋼架）處局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系見表3（計(jì)算混凝土X柱阻力系數(shù)時(shí)均以入口空氣流速為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，空氣密度取1.225 kg/m3，下同），冷卻塔塔筒（鋼架）處局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系見表4（在計(jì)算塔筒阻力系數(shù)時(shí)均以出塔空氣速度為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)），拐彎向上部分阻力系數(shù)見表5（該部分計(jì)算阻力系數(shù)時(shí)均以散熱器后迎面風(fēng)速為計(jì)算基準(zhǔn)）。由表3～5可知，鋼結(jié)構(gòu)小機(jī)間冷塔從底部X柱區(qū)域到筒身，再到塔身拐彎向上部分，阻力系數(shù)逐漸增大。

表3 X柱（鋼架）處局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

3 鋼結(jié)構(gòu)間冷塔與混凝土冷卻塔比較

根據(jù)上文所得結(jié)果，對(duì)比計(jì)算了相同規(guī)模的鋼制冷卻塔與混凝土冷卻塔的流動(dòng)阻力。計(jì)算參數(shù)如下：假設(shè)空氣入口流速為1.2 m/s，入口空氣溫度為15℃，出口空氣溫度為50℃，則本文塔形下塔頂出口的空氣流速為6.76 m/s，混凝土塔與鋼結(jié)構(gòu)塔阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果表6。

表4 冷卻塔塔筒（鋼架）處局部阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

表5 拐彎向上部分阻力系數(shù)

表6 同規(guī)模混凝土塔與鋼結(jié)構(gòu)塔流動(dòng)阻力比較

4 結(jié)論

為研究鋼結(jié)構(gòu)空冷塔的阻力特性，以某電廠660MW直接空冷機(jī)組小機(jī)間冷塔為對(duì)象建模，分析計(jì)算了塔基X柱處、塔筒處以及拐彎向上部位的局部阻力系數(shù)，并研究了局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增大的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：（1）鋼結(jié)構(gòu)空冷塔喉部區(qū)域負(fù)壓最大，流體流速最大，抽吸力最大；（2）鋼結(jié)構(gòu)間冷塔X柱處阻力系數(shù)約為0.16，筒身處約為1.02，拐彎向上部分約為1.07；（3）鋼結(jié)構(gòu)間冷塔局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增大變化很??；（4）鋼結(jié)構(gòu)空冷塔完全可以替代混凝土冷卻塔。

［1］戴振會(huì)，孫奉仲，王宏國.國內(nèi)外直接空冷系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.電站系統(tǒng)工程，2009，25（3）：1－4，11.

［2］劉紅彬.直接空冷機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性分析［J］.文摘版：工程技術(shù)，2015（34）：299－300.

［3］劉潤來，李永生.采用直接空冷和中水回用技術(shù)建設(shè)節(jié)水型火電廠［J］.中國電力，2007，40（10）：17－19.

［4］王麗，張義江，郭民臣，等.積灰及迎面風(fēng)速對(duì)直接空冷機(jī)組性能的影響［J］.中國電力，2015，48（2）：21－26.

［5］楊雪梅.200 MW空冷機(jī)組節(jié)水技術(shù)技改研究與應(yīng)用［J］.熱電技術(shù)，2015（2）：19－23.

［6］王佩璋.2×600 MW空冷與水冷電廠節(jié)水指標(biāo)的計(jì)算和評(píng)價(jià)［J］.發(fā)電設(shè)備，2007，21（3）：214－218.

［7］劉振華，陳磊，胡偉，等.節(jié)能發(fā)電調(diào)度下考慮空冷機(jī)組節(jié)水效應(yīng)的火電機(jī)組排序［C］//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì).中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)第十一屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2010：799－803.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TM 621

A

1674－1951（2016）10－0005－04

王林（1989—），男，山東青島人，助理工程師，碩士，從事大型火電機(jī)組節(jié)能環(huán)保技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用方面的工作（E-mail：wanglina＠tpri.com.cn）。

2016－08－18；

2016－09－21