塔拉，額爾敦畢力格，白 陽，樊洛岑，劉詩媛

(1. 內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2. 內(nèi)蒙古中實(shí)工程招標(biāo)咨詢有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引 言

火力發(fā)電廠汽輪機(jī)排汽的空氣冷卻設(shè)施分為直接空冷塔和間接空冷塔。直接空冷塔也叫空冷島；間接空冷塔又分為自然通風(fēng)間冷塔和機(jī)械通風(fēng)間冷塔，但大中型火力發(fā)電廠一般采用自然通風(fēng)間冷塔。本文中主要對空冷島和自然通風(fēng)間冷塔布置進(jìn)行分析研究。對于空冷島和自然通風(fēng)間冷塔布置來說，最受關(guān)注的分別為爐后來風(fēng)和塔群通道效應(yīng)問題。對于爐后來風(fēng)和塔群通道效應(yīng)問題，行業(yè)內(nèi)從各種角度上進(jìn)行過較深的研究，但從空氣流體力學(xué)原理上對其進(jìn)行分析的較少。爐后來風(fēng)和塔群通道效應(yīng)問題，本質(zhì)上是空氣氣流遇到障礙物產(chǎn)生的效果。

基于此，本文從解釋空氣氣流遇到障礙物產(chǎn)生的效應(yīng)入手，并利用其原理解析空冷塔布置典型問題，總結(jié)空冷塔布置原因?qū)е碌耐L(fēng)效率和氣流干擾注意事項(xiàng)。

1 障礙物對空氣氣流的影響

空氣氣流遇到障礙物后其方向、密度、速度發(fā)生變化，并在障礙物背風(fēng)面產(chǎn)生復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。如圖1、圖2 所示，當(dāng)大氣流過障礙物時(shí)，因受到阻礙，在障礙物迎風(fēng)面下部，風(fēng)速減弱并且有上升氣流(遇到直立的障礙物時(shí)，其迎風(fēng)面由于氣流的撞擊作用而使靜壓高于大氣壓，其風(fēng)向與來風(fēng)風(fēng)向相反，伴隨湍流渦動(dòng))；障礙物頂部，因?yàn)闅饬髁骶€加密而風(fēng)速加強(qiáng)；而在障礙物背風(fēng)面，因氣流流線輔散，風(fēng)速急劇減弱并且有下沉氣流，由于重力和慣性作用，背風(fēng)面氣流往往成波狀流動(dòng)，稱為尾流擾動(dòng)區(qū)[1]。尾流擾動(dòng)區(qū)風(fēng)速會降低，還會產(chǎn)生很強(qiáng)的湍流，且該區(qū)域空氣循環(huán)流動(dòng)與周圍大氣僅有少量交換。在孤立的障礙物兩側(cè)氣流，與頂部受到相同的影響，同樣風(fēng)速加強(qiáng)。

圖1 氣流越過山丘典型矢量圖

圖2 氣流越過直立障礙物典型矢量圖

空氣氣流遇到障礙物后發(fā)生的風(fēng)速變化可以利用風(fēng)功率公式解釋。風(fēng)功率等于面積、風(fēng)速的立方、空氣密度的乘積[1]，即

式中：W為風(fēng)功率，W；A為面積，m2；υ為風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3。

理想狀態(tài)下，對于一個(gè)地點(diǎn)來說，空氣密度為常數(shù)；同時(shí)一定寬度和高度范圍內(nèi)，障礙物前后風(fēng)功率相等。因此障礙物迎風(fēng)面方向和所處位置上的氣流通過面積和速度成反比。障礙物迎風(fēng)面方向上的氣流通過面積大于障礙物所處位置的氣流通過面積，因此障礙物頂部和兩側(cè)(孤立的障礙物)風(fēng)速高于其迎風(fēng)面。而障礙物背風(fēng)面，從障礙物頂部和兩側(cè)流過的外側(cè)氣流基本不受影響繼續(xù)往后流過，而內(nèi)側(cè)氣流受到障礙物背風(fēng)面空曠區(qū)影響：一方面，因背風(fēng)面空曠區(qū)影響，面積增大而速度下降；另一方面，由于重力和慣性作用，氣流波狀流動(dòng)，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的湍流。所謂湍流是指風(fēng)速、風(fēng)向及其垂直分量的迅速擾動(dòng)或不規(guī)律性。另外，受到外側(cè)氣流的保護(hù)，該區(qū)域空氣循環(huán)流動(dòng)而與周圍大氣僅有少量交換。

在障礙物背風(fēng)面對風(fēng)速影響的水平距離大致是與障礙物高度和障礙物平均坡度半角的余切的乘積成比例[1]，即

式中：L為障礙物背風(fēng)面對風(fēng)速影響的水平距離，m；h為障礙物高度，m；α為障礙物平均坡度角，(°)。

障礙物對空氣氣流的影響延續(xù)至山群時(shí)會發(fā)生峽谷效應(yīng)。比如兩座山體連線垂直于風(fēng)向時(shí)，即風(fēng)向與山谷走向一致時(shí)，山谷中的風(fēng)速得到很大的增強(qiáng)。原因是氣流受到單個(gè)山體阻礙后，山體兩側(cè)風(fēng)速加強(qiáng)，兩座山頭之間的山谷中兩側(cè)的速度本已加強(qiáng)的風(fēng)力繼續(xù)疊加在一塊，成為強(qiáng)度更大的風(fēng)力，形成峽谷效應(yīng)。

2 空冷島爐后來風(fēng)問題解析

空冷島布置中，與氣流相互作用關(guān)系中最受關(guān)注的問題為爐后來風(fēng)影響。DL/T 5032—2018《火力發(fā)電廠總圖運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.12-1中規(guī)定[2]：“宜平行布置在汽機(jī)房A 排外側(cè)，空冷凝氣器主進(jìn)風(fēng)側(cè)宜面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，并兼顧全年主導(dǎo)風(fēng)向，避免來自鍋爐后及側(cè)后的夏季較高風(fēng)頻和風(fēng)向；當(dāng)夏季主導(dǎo)風(fēng)向與次主導(dǎo)風(fēng)向形成180°左右對角的廠址，汽機(jī)房與空冷島宜平行主導(dǎo)風(fēng)向布置。”

鍋爐后及側(cè)后的夏季較高風(fēng)頻和風(fēng)向影響，可利用障礙物對空氣氣流的影響原理進(jìn)行解釋。可把鍋爐房和汽機(jī)房看作高大的、孤立的障礙物，爐后來風(fēng)被鍋爐房和汽機(jī)房阻礙，風(fēng)速減弱并且氣流上升；在鍋爐房和汽機(jī)房頂部及兩側(cè)風(fēng)速加強(qiáng)且同時(shí)受到鍋爐房熱量影響，溫度進(jìn)一步升高；在空冷島區(qū)域正好形成尾流擾動(dòng)區(qū)，導(dǎo)致熱風(fēng)集聚，并形成空氣循環(huán)流動(dòng)且與周圍大氣僅有少量交換的封閉區(qū)域，進(jìn)而影響直接空冷系統(tǒng)冷卻效率，而且其產(chǎn)生的湍流直接影響空冷島結(jié)構(gòu)及設(shè)備安全。

3 自然通風(fēng)間冷塔塔群通道效應(yīng)問題解析

自然通風(fēng)間冷塔布置中，與氣流相互作用關(guān)系中最受關(guān)注的問題為塔群通道效應(yīng)。DL/T 5032—2018《火力發(fā)電廠總圖運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.11-2 中規(guī)定：“多座自然通風(fēng)冷卻塔(本文中只針對自然通風(fēng)間冷塔)集中布置時(shí)，不宜采用梅花形、菱形、三角形布置形式?！盵2]并在5.2.11 條條文說明[2]：“當(dāng)多座自然通風(fēng)間冷塔集中群組布置采用梅花形、菱形、三角形布置形式時(shí)，容易產(chǎn)生通道效應(yīng)，即當(dāng)塔群受到較大的風(fēng)荷載作用時(shí)，后排塔的迎風(fēng)面產(chǎn)生較大的集中力，發(fā)生彈性破壞，而前排塔的背風(fēng)面會因較大的負(fù)壓產(chǎn)生彈性穩(wěn)定破壞。”

所謂的通道效應(yīng)，實(shí)際原理與大氣候動(dòng)力學(xué)中的峽谷效應(yīng)相同。在三角形布置的三座自然通風(fēng)間冷塔的任何兩個(gè)塔連線垂直于風(fēng)向時(shí)，氣流受到此兩座塔阻礙后，冷卻塔兩側(cè)風(fēng)速加強(qiáng)，兩座塔間區(qū)域中兩側(cè)的速度本已加強(qiáng)的風(fēng)力繼續(xù)疊加在一塊，成為強(qiáng)度更大的風(fēng)力，形成峽谷效應(yīng)，后面對角線上冷卻塔受到峽谷效應(yīng)會產(chǎn)生集中應(yīng)力，同時(shí)前排塔的背風(fēng)面產(chǎn)生復(fù)雜的湍流和負(fù)壓。梅花形、菱形布置為三角形布置的延伸，情況變得更加復(fù)雜，而且自然通風(fēng)間冷塔梅花形、菱形布置時(shí)基本上都受到任何風(fēng)向的峽谷效應(yīng)影響。

從峽谷效應(yīng)的原理分析，當(dāng)廠址所在地兩個(gè)對角方向均存在非常明顯的強(qiáng)風(fēng)，而其他方向風(fēng)頻風(fēng)能均非常弱時(shí)，自然通風(fēng)間冷塔可以嘗試三角形布置，不過其中兩座塔的連線需平行于最強(qiáng)對角方向風(fēng)力、垂直于最弱風(fēng)力風(fēng)向，如圖3 所示。圖中D為自然通風(fēng)間冷塔常規(guī)避開距離。

圖3 自然通風(fēng)間冷塔可采用三角形布置情形

另外，“多座自然通風(fēng)冷卻塔集中布置時(shí)，不宜采用梅花形、菱形、三角形布置形式”是個(gè)相對概念，其基于最佳布置方式和節(jié)省結(jié)構(gòu)投資理論。當(dāng)實(shí)際條件不可避免的話，通過冷卻塔的工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等方式能消除其布置形式帶來的不利影響時(shí)，也可以采用梅花形、菱形、三角形布置形式，但其結(jié)構(gòu)投資肯定會上升。

4 空冷塔與建(構(gòu))筑物方位和間距

確定空冷塔與建(構(gòu))筑物之間相對位置時(shí)，主要把通風(fēng)和氣流動(dòng)力干擾作為首要考慮因素。根據(jù)障礙物對空氣氣流的影響原理，廠區(qū)較高大建(構(gòu))筑物同樣會引起空冷島爐后來風(fēng)和自然通風(fēng)間冷塔群通道效應(yīng)問題。因此，需要利用空氣流體力學(xué)原理分析建(構(gòu))筑物與空冷塔之間的相互作用，合理確定空冷塔與建(構(gòu))筑物之間相對位置。確定其相對位置關(guān)系后采取合理的間距，降低氣流動(dòng)力干擾影響。國內(nèi)空冷塔與建(構(gòu))筑物的相互通風(fēng)干擾研究一般都基于濕式冷卻塔的研究成果，即

式中：Lmin為空冷塔與建(構(gòu))筑物之間最小避讓距離，m；H為空冷塔有效進(jìn)風(fēng)高度，m；h為建(構(gòu))筑物高度，m。

式(3)的原理如圖4 所示：首先把冷卻塔有效進(jìn)風(fēng)面看作為以冷卻塔進(jìn)風(fēng)高度H為半徑的扇形面。其次直立建(構(gòu))筑物坡度角可看作90°，那么根據(jù)式(2)，直立建(構(gòu))筑物影響氣流的尾流擾動(dòng)區(qū)水平距離等于建(構(gòu))筑物高度，即圖中45°三角區(qū)為建(構(gòu))筑物影響氣流的尾流擾動(dòng)區(qū)。那么以冷卻塔進(jìn)風(fēng)高度H為半徑的扇形面與建(構(gòu))筑物高度h為短邊的45°三角區(qū)面不交叉時(shí)，可以認(rèn)為間冷塔與建(構(gòu))筑物之間避免了基本的氣流影響。根據(jù)幾何原理，直立建(構(gòu))筑物影響氣流的尾流擾動(dòng)區(qū)水平距離等于其高度h；以冷卻塔進(jìn)風(fēng)高度H為半徑的扇形面與直立建(構(gòu))筑物影響氣流的尾流擾動(dòng)區(qū)的45°斜線的切線夾角為45°，而扇形面半徑延伸線連接至45°斜線與地面交叉點(diǎn)時(shí)正好形成22.5°夾角，tan22.5°=0.414 214。所以間冷塔與建(構(gòu))筑物之間最小避讓距離為Lmin=0.414 214H+h，簡化為Lmin=0.4H+h。通過上述分析，式(3)符合空氣流體力學(xué)原理。

圖4 直立建(構(gòu))筑物與空冷塔之間最小避讓距離

當(dāng)建(構(gòu))筑物為非直立的圓弧形狀時(shí)，式(3)中的h應(yīng)等于式(2)中的L，即

式中：Lmin為間冷塔與圓弧形建(構(gòu))筑物之間最小避讓距離，m；H為間冷塔有效進(jìn)風(fēng)高度，m；H為圓弧形建(構(gòu))筑物高度，m；α為圓弧形建(構(gòu))筑物間冷塔一側(cè)的平均坡度角值，(°)。

也可以利用圖5 所示幾何原理確定空冷塔與圓弧形建(構(gòu))筑物之間最小避讓距離。利用式(4)計(jì)算的結(jié)果與圖5 所示幾何原理得出得結(jié)果是相近的，工程上均可利用，這進(jìn)一步證明了利用空氣流體力學(xué)推導(dǎo)空冷塔布置原理的正確性。

圖5 圓弧形建(構(gòu))筑物與間冷塔最小避讓距離

5 廠址周圍地貌和廠區(qū)豎向設(shè)計(jì)對空冷塔的布置影響

廠址周圍地貌對空冷塔的布置影響同樣需要重視，避免受到高大地物的尾流擾動(dòng)影響。如山區(qū)電廠中空冷塔不宜布置在山頭背風(fēng)面，特別是山頭位于主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)側(cè)時(shí)嚴(yán)禁背風(fēng)面布置空冷塔[4]?？偲矫娌贾貌豢杀苊鈺r(shí)，可根據(jù)式(2)～(4)合理避讓距離。

廠區(qū)豎向設(shè)計(jì)中一般對場地采取一定坡度，從而導(dǎo)致廠區(qū)各建(構(gòu))筑物室外設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高存在差異，特別是階梯式豎向布置的場地中此差異更為明顯。場地對間冷塔造成擋風(fēng)影響主要存在于階梯式豎向布置的場地。在階梯式豎向布置的場地中，為降低地基處理工程量，一般情況下間冷塔等大型建(構(gòu))筑物宜布置在低臺階挖方區(qū)，輔助、附屬生產(chǎn)區(qū)布置在高臺階填方區(qū)。這種布置將可能導(dǎo)致高臺階上布置的輔助、附屬設(shè)施與高臺階本身高度疊加，對間冷塔進(jìn)風(fēng)造成影響。特別是夏季主導(dǎo)風(fēng)向上風(fēng)側(cè)上的高臺階上布置較高大的輔助、附屬建(構(gòu))筑物時(shí)會加劇對間冷塔的擋風(fēng)和動(dòng)力干擾影響。因此，在總平面布置時(shí)，不僅要在平面上保證間冷塔布置的合理性，而且要保證豎向布置的合理性。

冷卻塔與直立建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高值不同時(shí)，式(3)應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：Lmin為空冷塔與建(構(gòu))筑物之間最小避讓距離，m；H為空冷塔有效進(jìn)風(fēng)高度，m；h為建(構(gòu))筑物高度，m；△h為建(構(gòu))筑物和空冷塔地坪高差值(建(構(gòu))筑物地坪高于空冷塔時(shí)取正直，反側(cè)取負(fù)值)，m。

式(5)的原理如圖6 所示。

圖6 直立建(構(gòu))筑物與空冷塔不同設(shè)計(jì)地坪時(shí)的最小避讓距離

冷卻塔與圓弧形建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高值不同時(shí)，式(4)應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：Lmin為間冷塔與圓弧形建(構(gòu))筑物之間最小避讓距離，m；H為間冷塔有效進(jìn)風(fēng)高度，m；H為圓弧形建(構(gòu))筑物高度，m；α為圓弧形建(構(gòu))筑物間冷塔一側(cè)的平均坡度角值，(°)；△h為建(構(gòu))筑物和空冷塔地坪高差值[建(構(gòu))筑物地坪高于空冷塔時(shí)取正直，反側(cè)取負(fù)值]，m。

也可以利用圖7 所示幾何原理，確定設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高值不同時(shí)的空冷塔與圓弧形建(構(gòu))筑物之間最小避讓距離。

圖7 圓弧形建(構(gòu))筑物與空冷塔不同設(shè)計(jì)地坪時(shí)的最小避讓距離

需要注意的是，不管是建(構(gòu))筑物和空冷塔設(shè)計(jì)地坪是否存在高差，其避讓距離僅為總圖專業(yè)進(jìn)行廠區(qū)總平面規(guī)劃布置時(shí)的最佳距離。因每個(gè)電廠所處的氣象環(huán)境和電廠本身總平面格局均不同，最終避讓距離均應(yīng)通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步論證。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步調(diào)整其間距，達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)最合理的結(jié)局。

6 結(jié)語

火力發(fā)電廠中空冷塔為廠區(qū)重要的設(shè)備及建(構(gòu))筑物之一，空冷塔合理的布置直接影響著電廠的效率，對節(jié)能降耗起到關(guān)鍵作用。本文中對氣流遇到障礙物后的效應(yīng)進(jìn)行論述，利用風(fēng)功率公式對其效應(yīng)進(jìn)行論證，進(jìn)而利用空氣流體學(xué)原理對空冷島爐后來風(fēng)問題、自然通風(fēng)間冷塔群效應(yīng)問題、空冷塔與建(構(gòu))筑物避讓距離公式進(jìn)行解析，為空冷塔布置提供理論依據(jù)和總結(jié)其關(guān)鍵注意事項(xiàng)，供業(yè)內(nèi)相關(guān)參考借鑒。