李 滿，徐士倩，李陸軍，趙順安

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013； 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

近年來隨著空冷技術(shù)的發(fā)展，我國山西、內(nèi)蒙及西北等富煤缺水地區(qū)建設(shè)了大量空冷電廠，而運(yùn)行費(fèi)較低的大型間接空冷塔被廣泛地應(yīng)用這些電廠主機(jī)系統(tǒng)中［1］。輔機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)在間接空冷系統(tǒng)的機(jī)組中作為一個(gè)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)存在，水耗和初始投資是輔機(jī)冷卻形式選擇的重要影響因素。如果主機(jī)采用間接空冷系統(tǒng)的工程，輔機(jī)冷卻水并入主機(jī)的間接空冷塔，即主機(jī)和輔機(jī)共用一個(gè)冷卻塔（簡(jiǎn)稱主輔共塔）的設(shè)計(jì)方案，將具有以下優(yōu)點(diǎn)：冷卻設(shè)備集中布置、減少占地面積、便于管理和檢修、節(jié)省輔機(jī)水量蒸發(fā)及其風(fēng)機(jī)功率、減少年運(yùn)行費(fèi)用等。

為同時(shí)滿足共塔方案中主機(jī)和輔機(jī)系統(tǒng)不同的冷卻要求，應(yīng)科學(xué)合理的分配其各自所需冷卻三角個(gè)數(shù)。對(duì)于常規(guī)的間接空冷塔，由于所有冷卻三角的進(jìn)水溫度、散熱器熱力阻力特性相同，在不考慮環(huán)境風(fēng)條件下空冷塔內(nèi)流場(chǎng)呈對(duì)稱分布；當(dāng)采用主輔共塔方案時(shí)，在夏季條件下由于主機(jī)和輔機(jī)各自的循環(huán)水進(jìn)水溫度存在較大差異，流場(chǎng)的對(duì)稱性被破壞，主機(jī)和輔機(jī)的冷卻性能均將受到影響。為了合理設(shè)計(jì)主輔共塔方案，應(yīng)充分了解在主輔機(jī)耦合影響下空冷塔的冷卻特性。

近年來國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)如中國水利水電科學(xué)研究院［2-3］、北京交通大學(xué)［4］及西北院、華北院等均對(duì)間接空冷塔開展了數(shù)值模擬研究，但主要基于研究主機(jī)間冷塔內(nèi)外的空氣動(dòng)力場(chǎng)、通風(fēng)量、換熱器的阻力與熱力特性以及自然風(fēng)對(duì)空冷塔性能的影響、間接空冷塔的布置等方面［5-12］。上述研究并未涉及主機(jī)、輔機(jī)相互作用時(shí)對(duì)流場(chǎng)的影響，以及不同氣象條件下主機(jī)、輔機(jī)冷卻性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，特別是自然風(fēng)對(duì)主輔機(jī)的影響等。

輔機(jī)冷卻水并入主機(jī)間冷塔的主輔共塔屬于組合式創(chuàng)新方案，針對(duì)該方案進(jìn)行的熱力性能研究目前尚屬空白。因此，開展相應(yīng)的主輔共塔方案條件下間接空冷塔流場(chǎng)三維數(shù)值模擬研究，對(duì)于完善主輔共塔方案具有十分重要的意義。

本文擬采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)1000 MW空冷機(jī)組的主輔機(jī)共塔設(shè)計(jì)方案，研究自然風(fēng)影響下間接空冷塔內(nèi)外流場(chǎng)，分析主輔機(jī)在不同氣象條件下的冷卻性能，優(yōu)化主輔共塔設(shè)計(jì)方案，掌握主輔機(jī)受自然風(fēng)及其他氣象條件影響規(guī)律，為主輔共塔方案的工程實(shí)施提供理論依據(jù)。

2 數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介

2.1 控制方程 間接空冷塔在熱負(fù)荷、氣象條件及循環(huán)水量穩(wěn)定時(shí)，塔內(nèi)外空氣流場(chǎng)按穩(wěn)態(tài)計(jì)算。控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，相關(guān)方程及參數(shù)設(shè)置詳見參考文獻(xiàn)［13］。模型中不考慮逆溫的影響。

2.2 計(jì)算方法 采用商業(yè)計(jì)算流體軟件FLUENT對(duì)三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。冷卻塔動(dòng)量方程中，浮力是一項(xiàng)主要作用力，空氣流動(dòng)和傳熱耦合求解。離散方程的求解采用分離變量法，速度與壓力的解耦采用SIMPLEC算法。速度和溫度場(chǎng)的離散格式采用QUICK格式。

2.3 材料設(shè)置 模型中氣體的性質(zhì)為理想不可壓縮氣體，根據(jù)設(shè)計(jì)工況條件給出空氣密度以及對(duì)應(yīng)的分子量。在計(jì)算環(huán)境中設(shè)定環(huán)境壓強(qiáng)和環(huán)境溫度。氣體材料的比熱根據(jù)參考文獻(xiàn)給定值或者采用UDF寫成與溫度相關(guān)的多項(xiàng)式函數(shù)或分段函數(shù)。

2.4 網(wǎng)格劃分 采用GAMBIT網(wǎng)格劃分軟件，進(jìn)行三維模型的網(wǎng)格劃分，具體劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)性網(wǎng)格相結(jié)合的方式。整個(gè)區(qū)域可分為塔內(nèi)和塔外，塔外可分為周邊和塔頂部，計(jì)算域?yàn)?000 m×1000 m×1000 m，如圖1所示。

圖1 冷卻塔計(jì)算區(qū)域整體網(wǎng)格圖

2.5 散熱器模型 散熱器區(qū)域采用Fluent的RADIATOR模型，在模型中設(shè)定相應(yīng)的阻力計(jì)算多項(xiàng)式、散熱系數(shù)多項(xiàng)式和進(jìn)水溫度。本文中散熱器為六排管、雙流程，其熱力阻力特性：

式中：K為以散熱器迎風(fēng)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)，W/（m2×℃）；Vg為迎面風(fēng)速，m/s；ρ為進(jìn)口空氣密度，kg/m3；Vw為管內(nèi)流速，m/s。

六排管散熱器阻力性能：

式中：Δp為散熱器的風(fēng)阻，Pa；Vg為迎面風(fēng)速，m/s。

2.6 邊界設(shè)置 對(duì)于塔外區(qū)域的邊界，底部為絕熱邊界。在無風(fēng)條件下，其他面的邊界為壓力出口邊界；在有風(fēng)情況下，進(jìn)風(fēng)面的邊界為速度入口邊界，其他面仍為壓力出口邊界。冷卻塔殼體的外壁設(shè)置成絕熱邊界。

當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型時(shí)，設(shè)定k和ε的邊界，利用UDF模塊將其邊界設(shè)置為如下形式：

式中：κ為湍流動(dòng)能，m2/s2；ε為湍流動(dòng)能耗散率，m3/s2；n為邊界面的法向。塔內(nèi)區(qū)域，冷卻塔殼體的內(nèi)壁邊界條件為絕熱墻壁。進(jìn)風(fēng)口和塔的出口都設(shè)置成內(nèi)部邊界。

當(dāng)研究環(huán)境風(fēng)影響時(shí)，需采用UDF模塊進(jìn)行邊界設(shè)定。環(huán)境風(fēng)速度隨高度的變化呈指數(shù)關(guān)系，按照式（4）計(jì)算。為敘述方便，后文所指環(huán)境風(fēng)速是指10m高處的風(fēng)速。

式中：vw為10m高處環(huán)境風(fēng)速，m/s；y為高度，m；vw,y為y高度處的風(fēng)速，m/s。

為了進(jìn)一步分析環(huán)境風(fēng)向影響，假定了環(huán)境風(fēng)的角度如圖2所示。輔機(jī)占用一個(gè)扇區(qū)。輔機(jī)扇區(qū)布置在+x軸上，以x軸為上下對(duì)稱，其余為主機(jī)扇區(qū)。α表示環(huán)境風(fēng)的方向（定義為與+x軸的夾角）。

圖2 環(huán)境風(fēng)與冷卻塔扇區(qū)的角度關(guān)系

2.7 網(wǎng)格數(shù)量選擇 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。為了選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量，分別對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的模型進(jìn)行了研究，并對(duì)比冷卻塔的出水溫度。最終在出水溫度不發(fā)生明顯變化的前提下，綜合考慮計(jì)算效率，選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量。三維模型網(wǎng)格數(shù)量變化范圍從1.7×106～3.5×106。圖3給出了不同情況下的冷卻塔水溫降幅隨網(wǎng)格數(shù)量變化情況；根據(jù)圖3可知，網(wǎng)格數(shù)量大于2.2×106后，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)冷卻塔水溫降幅量影響小于0.02℃，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為2.6×106。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)冷卻塔出水溫度影響（設(shè)計(jì)工況，無輔機(jī)）

3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的可靠性，需要與相關(guān)試驗(yàn)對(duì)比。模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來自《間接空冷塔氣體流態(tài)物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告》［6］，其研究對(duì)象是某600 MW機(jī)組配套的間接冷卻塔，具體參數(shù)如下：冷卻塔的高167.5 m，進(jìn)風(fēng)口高度28.8 m，進(jìn)風(fēng)口處直徑121.0m，喉部高度129.5 m，冷卻塔出口直徑92.6 m；其散熱器外沿直徑144.9 m，冷卻三角176個(gè)，散熱器迎風(fēng)面積20 240 m2，散熱器高度25 m，冷卻三角夾角49.08°。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型間的比尺為1∶100，試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模型試驗(yàn)裝置圖

為了降低外界環(huán)境風(fēng)及物體對(duì)試驗(yàn)研究的影響，試驗(yàn)裝置周邊無墻體，且不封閉頂部，用兩個(gè)橫梁和四個(gè)支撐梁來固定風(fēng)機(jī)。模型塔出口處設(shè)置一個(gè)20 cm的直段，用來銜接模型塔的出口與擴(kuò)展段，然后由100 cm的擴(kuò)展段連接至風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)固定在橫梁支撐上。在風(fēng)機(jī)的抽力作用下，空氣通過散熱器進(jìn)入空冷塔內(nèi)，經(jīng)過塔筒由風(fēng)機(jī)出口流出。為了便于觀測(cè)，模型塔采用無色透明有機(jī)玻璃制作，塔體曲線根據(jù)某廠自然通風(fēng)冷卻塔塔體曲線按比例縮小。在塔體的直徑方向16個(gè)不同高度的塔壁上布置測(cè)孔，用來測(cè)量塔內(nèi)的氣流速度和壓力以及塔壁上的靜壓分布。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，用多孔板代替了冷卻三角，其阻力系數(shù)分別在模擬塔和模型塔中測(cè)試。

利用上述數(shù)值建模方法，建立與試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗤臄?shù)值分析模型，比較數(shù)值模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)果，如圖5所示，模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，從而驗(yàn)證模型的可靠性。

4 數(shù)值計(jì)算及分析

間接空冷塔主要尺寸參數(shù)見表1，散熱器外沿直徑比零米直徑大10 m。冷卻塔運(yùn)行工況主要參數(shù)見表2，包括設(shè)計(jì)工況和夏季工況。

表1 冷卻塔塔型參數(shù)

表2 運(yùn)行設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

4.1 流場(chǎng)特性分析 圖6給出了夏季工況無輔機(jī)時(shí)冷卻塔內(nèi)外流場(chǎng)分布。冷卻塔內(nèi)的空氣溫度較高，且分布均勻；冷空氣由散熱器進(jìn)入到冷卻塔后，靜壓最小，在浮力效應(yīng)作用下由冷卻塔出口流出，靜壓逐漸恢復(fù)到環(huán)境大氣壓；空氣流速在冷卻塔殼體上部分布均勻，在冷卻塔出口后在浮力作用下空氣流速增大。

圖6 無輔機(jī)條件下間冷塔內(nèi)外流場(chǎng)分布特性（vw=0m/s，夏季工況）

圖7和圖8分別給出了環(huán)境風(fēng)為0 m/s、夏季工況、輔機(jī)占1個(gè)扇區(qū)后對(duì)溫度和速度分布的影響。因?yàn)檩o機(jī)進(jìn)水溫度低于主機(jī)（輔機(jī)進(jìn)水溫度為43.0℃，主機(jī)進(jìn)水溫度為63.2℃），所以由輔機(jī)扇區(qū)進(jìn)入的冷卻塔的空氣溫度較低，由主機(jī)扇區(qū)進(jìn)入冷卻塔的空氣較高。低溫空氣密度較大，上升動(dòng)力較小，流動(dòng)方向偏水平方向；高溫空氣密度較小，上升動(dòng)力較大，流動(dòng)方向偏豎直方向；冷、熱兩股氣流在塔內(nèi)摻混，導(dǎo)致塔內(nèi)空氣流動(dòng)混亂；且由于空氣上升速度分布不均勻，導(dǎo)致出口局部區(qū)域出現(xiàn)輕微的冷空氣倒吸現(xiàn)象。

圖7 輔機(jī)占1個(gè)扇區(qū)對(duì)1000MW機(jī)組冷卻塔（12個(gè)扇區(qū)）溫度場(chǎng)影響（vw=0m/s）

圖8 輔機(jī)占1個(gè)扇區(qū)對(duì)1000MW機(jī)組冷卻塔（12個(gè)扇區(qū)）速度矢量分布影響（vw=0m/s）

設(shè)計(jì)工況中，輔機(jī)進(jìn)水溫度43.0℃，主機(jī)進(jìn)水溫度42.3℃，此時(shí)由于二者差異非常小，所以輔機(jī)占用1個(gè)扇區(qū)后，對(duì)流場(chǎng)分布影響可忽略，如圖9。

圖9 設(shè)計(jì)工況、輔機(jī)占用1個(gè)扇區(qū)，1000MW機(jī)組冷卻塔z=0m剖面流場(chǎng)分布（風(fēng)速0m/s）

4.2 環(huán)境風(fēng)的方向影響 圖10給出了夏季工況、輔機(jī)占1個(gè)扇區(qū)時(shí)1000 MW機(jī)組冷卻塔（12個(gè)扇區(qū)）出水溫度與環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向關(guān)系。根據(jù)圖10可知，環(huán)境風(fēng)方向?qū)χ鳈C(jī)冷卻塔出水溫度影響較小（小于1.0℃），對(duì)輔機(jī)出水溫度影響較大（約為3.5℃）。當(dāng)來風(fēng)正對(duì)輔機(jī)扇區(qū)，輔機(jī)出水溫度最低（37.2℃），滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)來風(fēng)背對(duì)輔機(jī)扇區(qū)，輔機(jī)出水溫度最高（41.0℃），不符合設(shè)計(jì)要求。將14個(gè)環(huán)境風(fēng)向條件下的出水溫度進(jìn)行平均，主機(jī)出水溫度平均值為53.8℃，輔機(jī)出水溫度平均值為40.0℃，皆不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 輔機(jī)占1個(gè)扇區(qū)時(shí)1000MW機(jī)組冷卻塔（12個(gè)扇區(qū)）出水溫度與環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向關(guān)系（夏季工況、vw=6m/s）

4.3 環(huán)境氣溫影響 圖11給出了環(huán)境空氣溫度（干球溫度）對(duì)冷卻塔的水溫降幅的影響，圖11中Δtw表示14個(gè)環(huán)境風(fēng)向條件下的平均水溫降幅。當(dāng)環(huán)境空氣溫度不高于26℃時(shí)，輔機(jī)水溫降幅的平均值滿足設(shè)計(jì)要求，但主機(jī)不滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)環(huán)境空氣溫度不高于28℃時(shí)，主輔機(jī)冷卻單元出水溫度均不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 環(huán)境氣溫tg對(duì)1000MW機(jī)組間冷塔主輔機(jī)水溫降幅Δtw的影響（夏季工況，風(fēng)速6m/s）

圖12給出了設(shè)計(jì)工況條件下，環(huán)境氣溫tg對(duì)間冷塔主輔機(jī)水溫降幅Δtw的影響，圖中Δtw表示14個(gè)環(huán)境風(fēng)方向條件下的平均水溫降幅。根據(jù)圖12可知，環(huán)境氣溫不高于22℃時(shí)輔機(jī)出水溫度滿足設(shè)計(jì)要求，環(huán)境氣溫不高于12℃時(shí)主機(jī)出水溫度滿足設(shè)計(jì)要求。上述研究表明，針對(duì)設(shè)計(jì)工況，增加輔機(jī)冷卻單元對(duì)間冷塔內(nèi)外的流場(chǎng)分布影響較小，但輔機(jī)占用一個(gè)扇區(qū)后，主機(jī)冷卻單元出水溫度高于設(shè)計(jì)溫度。

圖12 環(huán)境氣溫tg對(duì)1000MW機(jī)組間冷塔主輔機(jī)水溫降幅Δtw的影響（設(shè)計(jì)工況，風(fēng)速6m/s）

綜合上述分析可知，對(duì)于12個(gè)扇區(qū)的1000 MW機(jī)組冷卻塔，當(dāng)輔機(jī)占用1個(gè)扇區(qū)、自然風(fēng)速為6 m/s時(shí)，設(shè)計(jì)工況條件下主機(jī)出水溫度不滿足設(shè)計(jì)要求；夏季工況條件下主輔機(jī)出水溫度都不滿足設(shè)計(jì)要求。此外，主、輔機(jī)出水水溫降幅都隨環(huán)境氣溫升高而減小，二者呈線性關(guān)系。

對(duì)于不滿足設(shè)計(jì)條件的情況，此時(shí)仍采用主輔共塔方案，可通過增大散熱器的散熱面積，來提高整體的散熱能力，以滿足設(shè)計(jì)要求，但可能存在經(jīng)濟(jì)性不佳的問題。

5 結(jié)論

針對(duì)1000 MW機(jī)組主輔共塔的設(shè)計(jì)方案，建立了主輔共塔間接空冷塔的三維數(shù)值模型，研究了環(huán)境氣溫、環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境風(fēng)向?qū)鋮s塔內(nèi)外流場(chǎng)的影響，分析了空氣溫度對(duì)循環(huán)水溫降幅的影響規(guī)律等，主要結(jié)論如下：

（1）在夏季工況條件下，輔機(jī)占用1個(gè)扇區(qū)后間冷塔內(nèi)流場(chǎng)的對(duì)稱性被破壞，主機(jī)冷卻單元的冷卻性能受到負(fù)面影響，間冷塔出口出現(xiàn)輕微的倒吸現(xiàn)象。

（2）在設(shè)計(jì)工況條件下，輔機(jī)占用1個(gè)扇區(qū)后對(duì)間冷塔內(nèi)流場(chǎng)影響較小，可忽略。

（3）對(duì)于12個(gè)扇區(qū)的1000 MW機(jī)組冷卻塔，當(dāng)輔機(jī)占用1個(gè)扇區(qū)、自然風(fēng)速為6 m/s時(shí)，設(shè)計(jì)工況條件下主機(jī)冷卻單元出水溫度不滿足要求；夏季工況條件下主、輔機(jī)冷卻單元出水溫度均不滿足要求。

（4）當(dāng)輔機(jī)占用1個(gè)扇區(qū)時(shí)，環(huán)境風(fēng)向?qū)o機(jī)出水溫度影響較大（3℃～5℃），對(duì)主機(jī)出水溫度影響減?。?℃～2℃）。當(dāng)環(huán)境風(fēng)的方向正對(duì)輔機(jī)扇區(qū)，輔機(jī)水溫降幅最大；反之，當(dāng)環(huán)境風(fēng)的方向背對(duì)輔機(jī)扇區(qū)，輔機(jī)水溫降幅最小。

（5）基于上述研究結(jié)果，在自然風(fēng)速較高的地區(qū)，工程中不推薦采用主輔共塔方案。如若采用，較常規(guī)間冷機(jī)組，應(yīng)適當(dāng)增大間冷塔規(guī)?；蛟黾由崞髅娣e，以滿足出水溫度的要求；而對(duì)于受場(chǎng)地影響，冷卻規(guī)模受限的項(xiàng)目，采用主輔共塔方案時(shí)應(yīng)在塔內(nèi)設(shè)計(jì)噴水或噴霧系統(tǒng)，以便高溫時(shí)段對(duì)主輔單元翅片或進(jìn)風(fēng)進(jìn)行噴水降溫。