朱明奕，張曉旭，李志強(qiáng)，吳岳，劉玲，李雨蒙

(1.天津市環(huán)境工程評估中心，天津 300191；2.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191；3.天津市大氣污染防治重點實驗室，天津 300191；4.天津環(huán)科瞻云科技發(fā)展有限公司，天津 300191)

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采用數(shù)值與物理風(fēng)洞確定煙塔合一類項目環(huán)境防護(hù)距離

朱明奕1，張曉旭2,3,4，李志強(qiáng)2,3,4，吳岳2,3,4，劉玲2,3,4，李雨蒙2,3,4

(1.天津市環(huán)境工程評估中心，天津 300191；2.天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，天津 300191；3.天津市大氣污染防治重點實驗室，天津 300191；4.天津環(huán)科瞻云科技發(fā)展有限公司，天津 300191)

煙塔合一排煙方式具有很多獨特的優(yōu)勢。由于該排煙方式原理較為復(fù)雜，所以很難確定煙塔合一類項目的環(huán)境防護(hù)距離。研究采用數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞方法預(yù)測冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)范圍，同時采用數(shù)值風(fēng)洞預(yù)測冷卻塔下風(fēng)向酸沉降范圍。預(yù)測結(jié)果表明，采用數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞方法所預(yù)測的冷卻塔空腔區(qū)范圍基本一致，數(shù)值風(fēng)洞預(yù)測的酸沉降范圍小于空腔區(qū)范圍，可以根據(jù)空腔區(qū)范圍確定煙塔合一防護(hù)距離。因此，采用數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞兩種模式預(yù)測冷卻塔空腔區(qū)的范圍是必要且可行的，可以為煙塔合一類項目環(huán)境防護(hù)距離的制定提供依據(jù)。

煙塔合一；數(shù)值風(fēng)洞；物理風(fēng)洞；環(huán)境防護(hù)距離

煙塔合一排煙方式具有很大的環(huán)保優(yōu)勢，因此近幾年國內(nèi)涌現(xiàn)出很多煙塔合一類電廠項目。但煙塔合一類項目運行時在冷卻塔背風(fēng)面會產(chǎn)生空腔區(qū)，當(dāng)污染物卷入空腔區(qū)，會使地面濃度升高，所以一般都采用空腔區(qū)水平尺寸作為設(shè)置防護(hù)距離的依據(jù)。另外，冷卻塔近距離范圍內(nèi)過飽和水蒸氣量較大，會產(chǎn)生“下雨”現(xiàn)象，排煙冷卻塔水蒸氣和煙氣混合后凝結(jié)成霧滴的過程中，會溶解煙氣中的部分SO2，從而造成霧滴pH值下降，對近距離建筑和土壤都帶來一定程度的影響，所以確定防護(hù)距離也要考慮到酸性物質(zhì)沉降范圍的因素[1]。由于煙塔合一類項目的排煙模式原理較為復(fù)雜，尚無可靠的預(yù)測方法確定環(huán)境防護(hù)距離。目前多采用Austal2000模擬冷卻塔排煙問題，但該模型很難模擬出空腔區(qū)尺寸，也無法考慮酸性物質(zhì)沉降情況[2]。目前常用于此類數(shù)值模擬研究的模型包括CALPUFF、AERMOD、WRF3、MM5、大渦模擬方法等[3]。這些模式無法計算濕冷塔排煙問題，且無法準(zhǔn)確模擬近距離的湍流擴(kuò)散影響，而物理風(fēng)洞與數(shù)值風(fēng)洞可以解決以上問題。

物理風(fēng)洞，即物理風(fēng)洞實驗，指在風(fēng)洞中安置排煙冷卻塔和其他建筑模型，在滿足相似性準(zhǔn)則的前提下，模擬流場及污染物濃度場分布和變化的實驗方法。數(shù)值風(fēng)洞，即以計算流體力學(xué)、熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)[4]，選擇合適的物理模型，構(gòu)建包含大氣邊界層、構(gòu)建筑物、熱交換、污染物狀態(tài)的煙塔合一排煙預(yù)測模型，再結(jié)合相應(yīng)的數(shù)值算法，對研究區(qū)域內(nèi)的壓力場、流場及污染物濃度分布場進(jìn)行耦合求解的模型方法。數(shù)值風(fēng)洞除計算空腔區(qū)范圍外，還可以通過UDF編程，計算酸沉降產(chǎn)生范圍[5]。

本文嘗試采用數(shù)值風(fēng)洞、物理風(fēng)洞方法對某煙塔合一項目近距離大氣環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生的影響進(jìn)行預(yù)測，以確定煙塔合一類項目的大氣環(huán)境防護(hù)距離。

1 數(shù)值風(fēng)洞計算

由于煙塔合一的環(huán)境影響受到氣象、地形、排放方式的影響，加之確定和預(yù)測該技術(shù)對環(huán)境的影響涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)、環(huán)境科學(xué)、計算數(shù)學(xué)等多學(xué)科、多領(lǐng)域，加大了分析的難度。所以采用計算流體力學(xué)(CFD)為平臺，計算不同氣象條件和排煙方式下冷卻塔周邊的流場、壓力場和污染物濃度場。

1.1 評價及預(yù)測范圍

(1)評價范圍

水平方向評價范圍為污染源下風(fēng)向1 km范圍內(nèi)高于5 m的所有建筑物的最遠(yuǎn)距離。垂直方向評價范圍為地面至最高建筑物高度的距離。

(2)預(yù)測范圍

計算區(qū)域頂部高度沿評價范圍延伸平均高度的3倍距離，側(cè)面沿評價范圍延伸平均高度3倍距離，來流方向沿評價范圍延伸平均高度的5倍距離，尾流出流方向沿評價范圍延伸平均高度的10倍距離[6]。計算結(jié)果表明，預(yù)測范圍所設(shè)置的距離基本可以保證計算結(jié)果接近實際。

1.2 計算模型

(1)模型的建立及網(wǎng)格的劃分

利用三維建模軟件UG建立冷卻塔模型，通過布爾運算，得到冷卻塔排煙模型的計算域模型。利用網(wǎng)格劃分軟件ICEM對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對冷卻塔內(nèi)壁、外壁進(jìn)行網(wǎng)格加密。

(2)計算邊界條件的處理

基于FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，確定出合理的邊界條件是計算的關(guān)鍵。為了使模擬的情況接近現(xiàn)實，對項目所在地的氣象統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行分析，地面粗糙度等參數(shù)根據(jù)項目所在地2 km范圍內(nèi)的情況設(shè)置，來流梯度風(fēng)則根據(jù)風(fēng)廓線相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

關(guān)于出口流體風(fēng)環(huán)境，流體在經(jīng)過冷卻塔之后，流體風(fēng)速和流動方向已經(jīng)發(fā)生改變，在出口邊界上還有空氣大氣壓存在，相對于整個區(qū)域內(nèi)，流體處在一種沒有氣壓的狀態(tài)，因此認(rèn)為出流為正常流動，流域的3個側(cè)面和上空面共4個面都設(shè)置為自由滑移表面。流體流動確定為無建筑物阻礙的正常流動，在出口相對壓力為零，計算時設(shè)置為Outflow，以自由出流為主。

(3)空腔區(qū)的模擬計算

進(jìn)流邊界取大氣邊界層風(fēng)速剖面速度為入口邊界條件，出口采用自然出流，建筑物邊界采用壁面無滑移邊界條件。根據(jù)邊界層參數(shù)試驗的結(jié)果進(jìn)行UDF編程，并嵌入FLUENT內(nèi)進(jìn)行大氣邊界條件溫度、風(fēng)速、濕度的設(shè)置。

1.3 計算結(jié)果

(1)空腔區(qū)計算結(jié)果

空腔區(qū)計算結(jié)果如圖1所示。根據(jù)本文計算的大氣防護(hù)距離結(jié)果，該冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)高220 m，其長度和寬度隨高度變化，冷卻塔地面空腔區(qū)長度為400 m左右。

圖1 湍流分布Fig.1 Turbulent distribution

(2)酸沉降范圍計算結(jié)果

2 物理風(fēng)洞計算

2.1 參數(shù)設(shè)置

坐標(biāo)系定義：X軸正方指向下風(fēng)向，Z軸垂直向上，Y軸垂直于風(fēng)向，與X、Z軸組成右手坐標(biāo)系。坐標(biāo)軸的原點根據(jù)模型位置的不同有不同的定義。

物理風(fēng)洞試驗中單次采樣時間為4 s，采樣頻率為1000 Hz。為消除時間尺度大于4 s的脈動對湍流測量數(shù)據(jù)的影響，在每一種工況條件下，對每一個采樣點重復(fù)采樣12次，取其統(tǒng)計平均值作為該點在該工況下的湍流強(qiáng)度代表值。實驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 實驗?zāi)Ｐ虵ig.2 The experimental model

2.2 實驗結(jié)果

考慮到氣流流過冷卻塔時會產(chǎn)生卡門渦街，而這些湍渦在向下游傳遞過程中會逐漸衰減，最后融入背景湍流中。冷卻塔的空腔區(qū)就是通過對一定時間內(nèi)卡門渦街的統(tǒng)計平均，由高于背景湍流強(qiáng)度一定程度的區(qū)域來定義。根據(jù)物理風(fēng)洞實驗結(jié)果，該冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)高208 m左右，其長度和寬度隨高度變化，冷卻塔地面空腔區(qū)長度達(dá)到的最大值為350 m左右。

3 設(shè)定環(huán)境防護(hù)距離

由于煙塔體積很大，阻擋了上風(fēng)氣流，在煙塔背風(fēng)側(cè)形成一定程度的負(fù)壓區(qū)，稱作空氣動力空腔區(qū)，有吸引排氣口高濃度煙氣的效應(yīng)?？涨粎^(qū)的最大水平尺度可以作為計算煙塔大氣環(huán)境防護(hù)距離的依據(jù)。由于空腔區(qū)內(nèi)煙塔排放的大氣污染物濃度可明顯超過空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此當(dāng)空腔區(qū)水平尺度超過廠界時，必須設(shè)置大氣環(huán)境防護(hù)距離。

根據(jù)數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞分析結(jié)果，數(shù)值風(fēng)洞計算得到的空腔區(qū)長度為400 m、高度為220 m，物理風(fēng)洞計算得到的空腔區(qū)長度為350 m、高度為208 m，空腔區(qū)范圍在下風(fēng)向400 m以內(nèi)；冷卻塔下風(fēng)向近距離存在酸沉降問題，主要影響范圍基本上集中于距離塔心100～300 m處，在空腔區(qū)范圍以內(nèi)。因此，按物理風(fēng)洞和數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果分析，可以將煙塔底座邊緣400 m范圍以內(nèi)的區(qū)域設(shè)置為環(huán)境防護(hù)距離。為了安全起見，可以根據(jù)實際情況適當(dāng)擴(kuò)大環(huán)境防護(hù)距離。

4 結(jié)論

采用數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞結(jié)合的方法可以很好地對煙塔合一類項目排放污染物濃度、空腔區(qū)大小、濕度大小等參數(shù)進(jìn)行預(yù)測和實驗。對于本算例而言，數(shù)值風(fēng)洞計算空腔區(qū)長度為400 m、高度為220 m，物理風(fēng)洞計算空腔區(qū)長度為350 m、高度為208 m。

采用數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞計算出的煙塔空腔區(qū)范圍基本一致，數(shù)值風(fēng)洞計算出的空腔區(qū)范圍略大于物理風(fēng)洞試驗結(jié)果。數(shù)值風(fēng)洞除可以計算出煙塔下風(fēng)向空腔區(qū)范圍以外，還可以計算出煙塔下風(fēng)向濕沉降范圍?？偟膩碚f，兩種方法可以互相補(bǔ)充，作為制定煙塔合一類項目防護(hù)距離的依據(jù)。

[1] 張麗娜, 趙林, 陳璐, 等. 數(shù)值風(fēng)洞與物理風(fēng)洞對煙塔合一排煙的比較研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2013, 36(5): 141- 146.

[2] 莫華. 探討“煙塔合一”技術(shù)在環(huán)評中大氣環(huán)境的防護(hù)距離[J]. 環(huán)境保護(hù)科學(xué), 2010, 36(6): 39- 41.

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[4] 王占山, 潘麗波, 李云婷, 等. 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對區(qū)域酸沉降影響的數(shù)值模擬[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014, 34(9): 2420- 2429.

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[7] 張麗娜. 采用數(shù)值風(fēng)洞模型對熱電廠煙塔合一大氣污染擴(kuò)散的研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 2013, 35(4): 67- 74.

[8] 李志強(qiáng), 劉炳江, 周陽, 等. 利用fluent模型對煙塔合一大氣污染擴(kuò)散數(shù)值風(fēng)洞研究[C]//2011中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集(第二卷). 2011.

Buffer Zone of Natural Draft Cooling Towers(NDCT) with Flue Gas Injection by Numerical Wind Tunnel and Physical Wind Tunnel

ZHU Ming-yi1, ZHANG Xiao-xu2,3,4, LI Zhi-qiang2,3,4, WU Yue2,3,4, LIU Ling2,3,4, LI Yu-meng2,3,4

(1.Tianjin Environmental Engineering Evaluation Center, Tianjin 300191, China; 2.Tianjin Environmental Science Academy, Tianjin 300191, China; 3.Tianjin Key Laboratory for Air Pollution Control, Tianjin 300191, China; 4.Tianjin Huanke Zhanyun Technology Development Co., Ltd., Tianjin 300191, China)

Natural Draft Cooling Towers (NDCT) with flue gas injection has many unique advantages, but due to its complexity, it is difficult to identify its buffer zone. In this paper,the area of cavity near the cooling towers is studied by numerical wind tunnel and physical wind tunnel, and the area of acid deposition is predicted by the numerical wind tunnel as well. Results showed that the precipitation areas of two modes were almost the same, while the area of acid deposition was usually smaller than that of cavity. Therefore, the study concludes that it is necessary and feasible to predict the air cavity of cooling towers by both the two tunnels. The study can provide references for identifying the buffer zone of NDCT.

natural draft cooling towers with flue gas injection; numerical wind tunnel; physical wind tunnel; buffer zone

2016-12-12

天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院院長基金資助項目(YZJJ-2015-005)；天津市自然科學(xué)基金應(yīng)用基礎(chǔ)重點項目(13JCZDJC36100)；天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院院長基金資助項目(YZJJ-2015-001)

朱明奕(1982—)，男，工程師，碩士，主要從事火電、冶金、化工石化醫(yī)藥項目環(huán)境影響評價文件技術(shù)評估工作，E-mail：4465397@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.04.013

X823

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2095-6444(2017)04-0057-03