吳曉鵬,蔣友偉,李 進(jìn),郭佳偉

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司,湖北 武漢 430071;2.湖北能源集團(tuán)襄陽宜城發(fā)電有限公司,湖北 襄陽 441400)

0 引言

隨著火電機(jī)組容量不斷增大,對間接空冷系統(tǒng)的利用更加成熟,針對冷卻塔的新技術(shù)不斷改進(jìn)和完善[1],“煙塔合一”作為新技術(shù)越來越受到電廠和設(shè)計單位的青睞。這是由于“煙塔合一”可以使整個循環(huán)水溫度降低0.1℃,設(shè)立煙氣余熱回收器可增加年供熱收益,同時減少占地,降低投資[2]。

在“煙塔合一”建設(shè)方案中,脫硫裝置布置于冷卻塔內(nèi),1000 MW機(jī)組空冷塔底部直徑在150 m以上,塔高甚至大于200 m,空冷塔占地巨大[3],塔內(nèi)空間龐大。本文所提出“煙塔合一”方案,將脫硫裝置、濕式除塵器等體積龐大的設(shè)備同時布置于冷卻塔內(nèi),充分利用冷卻塔內(nèi)空間,減少電廠占地面積。通過分析這些設(shè)備在塔內(nèi)的布置方式及其對冷卻塔熱力性能的影響,以及將脫硫除塵等裝置布置在冷卻塔內(nèi)所造成的冷卻塔通風(fēng)量及散熱器換熱能力的影響,論證該“煙塔合一”方案的可行性。

1 機(jī)組概況

本文以某電廠2臺1000 MW超超臨界空冷燃煤發(fā)電機(jī)組為例,機(jī)組安裝有煙氣脫硫、脫硝設(shè)施。年平均氣溫9.6℃,相對濕度56%,平均風(fēng)速2.2 m/s,累年實測高度10 m處最大平均風(fēng)速為20.7 m/s。采用5℃加權(quán)平均法,典型年設(shè)計氣溫為12.5℃,夏季氣溫29.4℃。

采用表凝式間接空冷機(jī)組,冷卻三角采用垂直布置,小汽輪機(jī)排氣接入主機(jī)的間接空冷系統(tǒng)。汽輪機(jī)特性參數(shù)見表1。

表1 汽輪機(jī)特性參數(shù)

針對該電廠1000 MW機(jī)組一機(jī)一塔自然通風(fēng)間接空冷系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬和熱力計算。機(jī)組冷端主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 機(jī)組主要設(shè)計參數(shù)

2 “煙塔合一”方案建模分析

2.1 計算模型與網(wǎng)格劃分

針對機(jī)組情況,采用FL UENT數(shù)值模擬方法,建立與實際模型相統(tǒng)一的空冷塔和空冷散熱器的綜合物理數(shù)學(xué)模型,分別將除塵器等設(shè)備置于冷卻塔中心和靠近冷卻塔一側(cè),其布置方案如圖1所示。脫硫除塵裝置設(shè)備組合布置,呈近似圓柱狀,設(shè)備直徑約57.3 m,高53.5 m,為簡化計算,將脫硫除塵設(shè)備簡化成圓柱狀無內(nèi)熱源的實體。其中除塵器等設(shè)備布置于塔外為方案1,即煙塔獨(dú)立方案;布置于冷卻塔中心為方案2,即“煙塔合一”中心布置;靠近冷卻塔一側(cè)布置為方案3,即“煙塔合一”,偏心布置。

圖1 除塵器等設(shè)備布置方案

分別對以上3種方案基于無風(fēng)工況和有風(fēng)工況進(jìn)行建模。脫硫除塵裝置布置于塔內(nèi)物理模型的計算域如圖2所示。為了消除計算邊界非真實流動引起的空冷塔和散熱器的流動變形,計算域應(yīng)遠(yuǎn)大于空冷塔和空冷散熱器。地面為固體壁面絕熱邊界,空冷塔墻體設(shè)為流固耦合邊界條件。無環(huán)境風(fēng)條件,計算域下部四周設(shè)為壓力入口邊界條件,計算域上部設(shè)為壓力出口,環(huán)境溫度為12.51℃。

圖2 計算域

對于有環(huán)境風(fēng)工況,計算域迎風(fēng)面設(shè)為速度入口,背風(fēng)面采用出流邊界條件,其他方向設(shè)為對稱面。速度入口采用冪指數(shù)風(fēng)速輪廓線計算公式。根據(jù)氣象部門相關(guān)資料,環(huán)境風(fēng)速隨高度的增加而增大,并呈現(xiàn)冪指數(shù)變化規(guī)律。冪指數(shù)函數(shù)公式如下

式中:u w為環(huán)境風(fēng)速;u10為高度10 m的風(fēng)速,本模型取值為4 m/s;冪指數(shù)e為地面粗糙度和氣溫層穩(wěn)定度的函數(shù),根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件和地面狀況,本模型取為0.2;z為海拔高度。

冷卻塔及脫硫除塵裝置的物理模型如圖3所示,上部為空冷塔,下部為空冷散熱器,塔內(nèi)部為脫硫除塵裝置。

圖3 冷卻塔模型

由于主要研究內(nèi)置脫硫裝置及濕式除塵器對冷卻塔熱力性能的影響,采用環(huán)形Radiator模型處理冷卻塔內(nèi)散熱器的對流換熱性能[4],將散熱器簡化成一個環(huán)形散熱面以降低模擬的難度,增加計算機(jī)處理能力;Radiator模型中的阻力損失和換熱能力分別采用壓降和換熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速變化的函數(shù)來描述[5]。空氣流經(jīng)翅片管束壓降的表達(dá)式如下

式中:ΔP為散熱器流動壓降;ρ為空氣密度;v為散熱器表面的法向速度;K L為無量綱壓力損失系數(shù)。通常K L用多項式表達(dá)為流速的函數(shù)

式中:N為多項式系數(shù),一般取值為3。

散熱器的換熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速變化的表達(dá)式如下

式中:h為對流換熱系數(shù);h n為多項式系數(shù)。

空冷散熱器采用Forge2型鋁管鋁翅片4排管。所對應(yīng)的阻力損失多項式系數(shù)為r1=36.983,r2=-10.416,r3=1.264;對流換熱多項式系數(shù)為h1=1563.528,h2=1532.598,h3=-93.425。將散熱器的流動換熱性能參數(shù)作為輸入條件導(dǎo)入該模型。

采用Ga mbit進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計算域部分采用multi-block hybrid網(wǎng)格,網(wǎng)格大小在10～20 m不等。中間區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理,由于換熱器為間接空冷系統(tǒng)核心元件,考慮其尺寸參數(shù)較小,網(wǎng)格大小為0.2 m,空冷塔則采用1 m大小的網(wǎng)格。為了控制網(wǎng)格數(shù)量,網(wǎng)格大小采用連續(xù)漸變法,離空冷塔越遠(yuǎn),網(wǎng)格尺寸越大。分別建立3201860,5505300和7258900網(wǎng)格,以進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,最終網(wǎng)格數(shù)為5505300。

2.2 模型建立與計算

為方便建模及計算,對模型做如下基本假設(shè):

(1)忽略空冷散熱空間分布差異,將散熱器作為一個整體進(jìn)行建模。

(2)管內(nèi)水流動為穩(wěn)定流,管壁設(shè)為定壁溫。

(3)簡化脫硫裝置及濕式除塵器物理模型,采用圓柱形模型進(jìn)行替代,忽略其輻射換熱。

(4)計算域內(nèi)空氣的流動換熱為穩(wěn)態(tài),且流體在固體壁面無滑移。

(5)不考慮空氣密度變化對流動換熱的影響,翅片的導(dǎo)熱系數(shù)為常量,即不考慮物性參數(shù)對流動換熱的影響。

空氣穩(wěn)態(tài)對流換熱過程的控制方程可表示為

式中:ρ為密度;μj為x j方向的速度分量;k為湍動能;ε為湍動能耗散率;φ、Γφ、Sφ分別為控制變量、擴(kuò)散系數(shù)及源項。

采用可實現(xiàn)(realizable)k-ε湍流模型,描述空氣經(jīng)過翅片通道的流動。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比,可實現(xiàn)k-ε湍流模型引入了新的湍流黏度表達(dá)式,且湍流耗散率由渦脈動量均方根真實輸運(yùn)方程導(dǎo)出,因而更適用于存在邊界層分離和流體回流的湍流流動問題。

利用基于有限容積法的商用軟件Fl uent,對式(5)及邊界條件進(jìn)行求解。動量方程、能量方程、湍動能方程和湍動能耗散率方程的離散均采用二階迎風(fēng)差分格式,壓力和速度的耦合采用SI MPLE算法。計算過程中,能量離散方程殘差控制在10-6以下,其他方程殘差控制在10-4以下。

3 方案對比分析

冷卻塔的熱力性能指標(biāo)為空氣流量和熱負(fù)荷。在相同的塔型下,冷卻塔的空氣流量越大,熱負(fù)荷越高,表明冷卻塔的熱力性能越好[6],相應(yīng)的在相同的循環(huán)水量下,其出塔水溫越低。通過數(shù)值模擬研究煙塔獨(dú)立方案和“煙塔合一”方案冷卻塔內(nèi)的流動情況,獲得不同工況下冷卻塔的空氣流量和熱負(fù)荷,從而分析脫硫除塵等裝置布置在冷卻塔內(nèi)對冷卻塔熱力性能的影響。

空冷塔內(nèi)置脫硫除塵設(shè)備不同布置方案下的冷卻塔空氣流量和熱負(fù)荷對比結(jié)果見表3。

表3 不同布置方案下的冷卻塔空氣流量和熱負(fù)荷

從表3的數(shù)據(jù)中可以看出,不論是無風(fēng)工況還是有風(fēng)工況,相較于煙塔獨(dú)立方案,將脫硫除塵等設(shè)備布置于冷卻塔內(nèi)部時,其流動換熱性能均有所減弱,表現(xiàn)為冷卻塔的空氣流量和散熱器的熱負(fù)荷降低,但是其變化幅度較小。比較表3的變化率數(shù)據(jù),在無風(fēng)工況下,中心布置方案的空氣流量和熱負(fù)荷分別減少1.48%和1.70%;在有風(fēng)工況下中心布置方案的空氣流量和熱負(fù)荷減少0.87%和0.62%。在無風(fēng)工況下,偏心布置的空氣流量和熱負(fù)荷減少2.16%和2.68%;在有風(fēng)工況下,偏心布置的空氣流量和熱負(fù)荷減少3.45%和2.06%。表明對于有風(fēng)工況,脫硫除塵裝置布置在塔中心對于削弱環(huán)境風(fēng)對冷卻塔性能的影響有積極的意義,而當(dāng)設(shè)備布置不當(dāng),即偏心布置時,會加劇環(huán)境風(fēng)對冷卻塔性能的惡化作用。

4 結(jié)論

采用CFD方法,對間接空冷塔內(nèi)置脫硫除塵裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對脫硫除塵裝置不同布置方式對冷卻塔性能的影響進(jìn)行了研究。

數(shù)模和分析計算表明,“煙塔合一”方案將脫硫除塵等設(shè)備布置于冷卻塔內(nèi),對間接空冷系統(tǒng)的流動換熱性能影響很小,該布置方案是可行的。同時“煙塔合一”中心布置方案要優(yōu)于“煙塔合一”偏心布置;而在有風(fēng)工況下“煙塔合一”中心布置方案能夠削弱環(huán)境風(fēng)對冷卻塔性能的影響;故建議將脫硫除塵等設(shè)備布置于冷卻塔中心。