李永華，楊少波，李 廣，湯金明

（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）

0 引言

自然通風(fēng)冷卻塔作為火電廠冷卻系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，冬季常常會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，嚴(yán)重影響冷卻塔的安全運(yùn)行；另外，在防止冷卻塔結(jié)冰的同時(shí)，盡可能降低出塔水溫、降低凝汽器真空，來提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，因此，加裝一套進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置，可以實(shí)現(xiàn)防凍降溫一體化。以某600 MW 機(jī)組自然通風(fēng)冷卻塔為研究對(duì)象，分析采用進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置在不同環(huán)境溫度下的冷卻塔性能，為完善冷卻塔的設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值模擬

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的冷卻過程：循環(huán)水在填料層表面形成水膜，并沿著填料從上往下流動(dòng)，與空氣進(jìn)行換熱，循環(huán)水離開填料層后經(jīng)過雨區(qū)落到集水池中[5]。因此，循環(huán)水采用離散相模型，在填料區(qū)則通過用戶自定義函數(shù)來優(yōu)化換熱計(jì)算[6-8]。而空氣側(cè)的湍流模型采用穩(wěn)定性較好、具有相當(dāng)計(jì)算精度的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，并且添加浮力項(xiàng)的影響，壓力和速度的耦合方法選用SIMPLE 算法，對(duì)流項(xiàng)的插值方法則選用對(duì)流動(dòng)和四面體網(wǎng)格具有很好適應(yīng)性的二階迎風(fēng)差分格式[9]。

1.1 氣液耦合計(jì)算方法

循環(huán)水從噴水面射入，選用離散相模型進(jìn)行離散相與連續(xù)相之間的耦合計(jì)算，其中，空氣為連續(xù)相，采用歐拉法直接求解時(shí)均N-S 方程，水側(cè)為離散相，采用拉格朗日法求解運(yùn)動(dòng)方程。FLUENT 按照亞松弛格式交替求解控制方程，將水側(cè)控制體內(nèi)的質(zhì)量、動(dòng)量、能量的變化值以源項(xiàng)形式傳遞給空氣連續(xù)相控制方程，然后再計(jì)算連續(xù)相對(duì)離散相的影響[10-11]。

水側(cè)控制體內(nèi)的質(zhì)量變化方程為：

式中，Δmp為控制體內(nèi)離散相的質(zhì)量變化，kg；mp0為離散相初始質(zhì)量，kg；m.p0為離散相初始質(zhì)量流率，kg/s。水側(cè)控制體內(nèi)的動(dòng)量變化方程為：

水側(cè)控制體內(nèi)的熱量交換方程為：

式中，ΔTp為離散相溫度的變化值，K；hfg為汽化潛熱，kJ/kg；Tp為離開控制體時(shí)離散相具有的溫度，K；Tref為控制體內(nèi)連續(xù)相的溫度值，K為離散相平均質(zhì)量，kg。

1.2 填料層簡(jiǎn)化處理

為將填料區(qū)膜狀換熱等效成水側(cè)換熱，通過給水側(cè)添加體積力的方式來控制水側(cè)液體下落速度，保持水測(cè)進(jìn)出填料區(qū)時(shí)的下落速度不變，延長水與空氣的接觸換熱時(shí)間。同時(shí)，考慮到填料區(qū)結(jié)構(gòu)布置對(duì)空氣流動(dòng)的影響，用UDF 添加Y 方向（即豎直流動(dòng)方向）上的動(dòng)量源項(xiàng)，對(duì)于1 m 高的填料層，壓力損失系數(shù)可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中，mw為循環(huán)水質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；ma為進(jìn)入冷卻塔的空氣流率，kg/(m2·s)。

1.3 幾何模型及邊界條件

以某600 MW 機(jī)組的自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔為研究對(duì)象，塔體為雙曲線型結(jié)構(gòu)。冷卻塔高125 m，進(jìn)風(fēng)口高8 m，填料底標(biāo)高9.2 m，填料層厚度1 m，噴水系統(tǒng)標(biāo)高11.2 m，收水器底部標(biāo)高13 m，喉部標(biāo)高93.9 m，直徑52.20 m，基環(huán)面直徑106.42 m，進(jìn)風(fēng)口上沿直徑96.42 m。環(huán)境體為高500 m，圓面直徑500 m 的圓柱體結(jié)構(gòu)。環(huán)境進(jìn)口設(shè)為速度入口，環(huán)境出口為壓力出口，塔壁面、地面、擋板均設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，收水器上面、基環(huán)面的離散相邊界條件為逃逸。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 模型正確性檢驗(yàn)

為保證模型的準(zhǔn)確性，將冷卻塔不采用進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置時(shí)的模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的出塔水溫進(jìn)行比較（表1）?？梢钥闯?，兩種不同工況下，模擬計(jì)算得到的出塔水溫與實(shí)際出塔水溫分別相差0.28 K 和0.49 K，誤差較小，說明模型結(jié)構(gòu)及FLUENT 的模擬設(shè)置合理。

表1 正確性檢驗(yàn)

2.2 冬季防凍效果分析

將擋風(fēng)裝置分為四層，擋板頂部距冷卻塔進(jìn)風(fēng)口2.2 m，一、二層擋風(fēng)板傾斜45°角縱向間隔布置，高度分別為2.12 m、2.88 m，三、四層豎直無間隙布置，高度分別為1.7 m、1.3 m，如圖1 所示。

圖1 擋板模型

環(huán)境溫度分別取270.15 K、260.15 K、255.15 K、250.15 K，相對(duì)濕度26%，循環(huán)水入塔水溫290.57 K，循環(huán)水量11 346.2 kg/s，橫向風(fēng)速為1.87 m/s，模擬關(guān)注3 個(gè)特征平面，即基環(huán)面、進(jìn)風(fēng)口上沿面、填料下面的結(jié)冰情況，模擬結(jié)果如表2 所示。

表2 不同擋板層數(shù)的最低水溫變化

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)環(huán)境溫度為255.15 K 時(shí)，基環(huán)面最低水溫將低于273.15 K，即出現(xiàn)結(jié)冰，安裝兩層擋風(fēng)板后，基環(huán)面最低水溫升高至275.51 K，可以認(rèn)為冷卻塔不出現(xiàn)結(jié)冰，當(dāng)環(huán)境溫度為250.15 K 時(shí)，在安裝四層擋風(fēng)板后，可以保證進(jìn)風(fēng)口上沿面和填料下面不出現(xiàn)結(jié)冰，但基環(huán)面最低水溫仍然低于273.15 K，因此，應(yīng)進(jìn)一步減少進(jìn)風(fēng)量，此時(shí)，從結(jié)構(gòu)頂部進(jìn)風(fēng)量占總進(jìn)風(fēng)量的70%，當(dāng)把該結(jié)構(gòu)頂層關(guān)閉時(shí)，可以使基環(huán)面最低水溫達(dá)到280.12 K，能有效防止結(jié)冰。

2.3 春季降溫效果分析

為實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)降低出塔水溫的目的，需要將冬季搭建的一、二層擋風(fēng)面積調(diào)節(jié)向塔內(nèi)方向再傾斜40°，形成兩層導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，同時(shí)將底部三、四層擋風(fēng)面積調(diào)整為零，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)流板模型

環(huán)境溫度分別取275.15 K、285.15 K、295.15 K、300.15 K，相對(duì)濕度20%，循環(huán)水入塔水溫306.75 K，循環(huán)水量10 679 kg/s，橫向風(fēng)速為6.5 m/s，模擬進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置布置前后的冷卻塔出塔水溫，模擬結(jié)果如表3 所示，出塔水溫隨環(huán)境溫度的變化曲線如圖3所示。

表3 傾斜導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果

圖3 出塔水溫隨環(huán)境溫度變化曲線

通過進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置的導(dǎo)流效果，使進(jìn)入冷卻塔的自然風(fēng)具有一個(gè)斜向上的速度，減小迎風(fēng)側(cè)漩渦的影響，增加進(jìn)風(fēng)量，可以不同程度的降低出塔水溫。結(jié)合圖3 和表3 數(shù)據(jù)可以看出，出塔水溫與環(huán)境溫度存在正相關(guān)關(guān)系，在其他條件相同，環(huán)境溫度變化不大時(shí)，可近似為線性相關(guān)。同時(shí)，在所給的環(huán)境溫度參數(shù)下，當(dāng)環(huán)境溫度低于295.15 K 時(shí)，該進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置帶來的降溫效果較好，這是由于入塔水溫與外界環(huán)境溫度之間的溫差較大，通過進(jìn)風(fēng)量的改變可以實(shí)現(xiàn)更好的降溫效果，但當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到300.15 K 時(shí)，盡管進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置可以使進(jìn)入冷卻塔的風(fēng)量增加，但由于環(huán)境溫度較高，入塔水溫與環(huán)境溫度相差不大，即換熱溫差太小，同時(shí)塔內(nèi)外空氣密度差減小，冷卻塔引力作用減弱，導(dǎo)致空氣對(duì)流作用降低，最終帶來的降溫效果與低環(huán)境溫度相比有所減弱。

3 結(jié)論

對(duì)某電廠600 MW 機(jī)組的自然通風(fēng)濕式冷卻塔加裝一種進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置，建立冬季和春季三維模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，主要結(jié)論如下：

（1）在冬季典型工況，環(huán)境溫度為255.15 K 時(shí)，調(diào)節(jié)封閉兩層擋風(fēng)面積可以不結(jié)冰；環(huán)境溫度為250.15 K 時(shí)，調(diào)節(jié)封閉頂層和四層擋風(fēng)面積可以不結(jié)冰。

（2）在春季典型工況，通過將擋風(fēng)裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)流裝置可降低出塔水溫，本次模擬方案可以使出塔水溫最高降低0.8 ℃。

（3）對(duì)冬春季典型工況的模擬結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置如果調(diào)節(jié)合適，可以達(dá)到冷卻塔冬季不結(jié)冰、春季降低出水溫度的效果。