李金芳,韓高巖,謝娜,張曉晴,王智
(1.杭州意能電力技術(shù)有限公司,杭州 310012;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014;3.華北電力大學(xué)(保定)動(dòng)力工程系,河北 保定 071003)
三塔合一系統(tǒng)[1-2]是將脫硫塔、煙囪內(nèi)置于間接空冷塔[3-4]內(nèi),通過(guò)間接空冷塔內(nèi)的空氣稀釋并抬升煙氣[5-6]。三塔合一系統(tǒng)節(jié)省了煙囪的造價(jià),并且能提升煙氣的擴(kuò)散高度,具有很大的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。三塔合一系統(tǒng)通常采用濕法脫硫,經(jīng)過(guò)濕法脫硫后的煙氣溫度較低,需要借助間接空冷塔內(nèi)空氣的熱量提升擴(kuò)散高度,在無(wú)風(fēng)或者風(fēng)速較小的環(huán)境下,三塔合一系統(tǒng)可以將煙氣抬升至較高的高度,減少對(duì)周?chē)h(huán)境的污染[7]。但是由于三塔合一系統(tǒng)的抗風(fēng)能力弱,在環(huán)境風(fēng)增大時(shí),煙氣會(huì)向背風(fēng)側(cè)下洗,造成對(duì)塔壁和環(huán)境的污染。煙氣中含有SO2氣體,SO2受環(huán)境濕度的影響會(huì)對(duì)空冷塔造成不同程度的腐蝕[8-9],如混凝土剝落、鋼筋銹蝕等問(wèn)題,給空冷塔運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患,所以有必要研究三塔合一系統(tǒng)煙氣的擴(kuò)散規(guī)律。
浮杰[10]使用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件研究了三塔合一塔內(nèi)流場(chǎng)的特點(diǎn),結(jié)果表明:煙氣排放可以增大冷卻塔的抽力,冷卻塔高徑比越大,其排放效果越好。席新銘[11]對(duì)三塔合一進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得了不同風(fēng)溫、風(fēng)速以及煙囪高度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)間接空冷塔流動(dòng)和傳熱性能的影響規(guī)律。崔克強(qiáng)[12]等采用S/P 模式開(kāi)展了不同大氣穩(wěn)定度條件下、不同風(fēng)速時(shí)煙氣抬升對(duì)比的計(jì)算,并與煙囪排放煙氣進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明:在弱風(fēng)情況下,冷卻塔排煙高度遠(yuǎn)大于煙囪,但當(dāng)風(fēng)速大于4.5 m/s時(shí),煙囪排放煙氣高度高于冷卻塔排放煙氣抬升高度。王康慧[13]等采用不同方法計(jì)算了冷卻塔下風(fēng)向空腔區(qū)的范圍,并研究了空腔區(qū)對(duì)污染物落地濃度的影響,結(jié)果表明:污染物濃度在空腔區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)增大趨勢(shì),污染物在遠(yuǎn)離空腔區(qū)時(shí)大致穩(wěn)定或存在小幅波動(dòng)。蔣曉峰[14]等對(duì)污染物擴(kuò)散進(jìn)行了研究,并對(duì)冷卻塔進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。王夢(mèng)潔[15]研究了脫硫塔、煙囪在塔內(nèi)不同偏心距離對(duì)三塔合一系統(tǒng)熱力特性的影響,并且建立了數(shù)值模擬的迭代流程,分析了環(huán)境對(duì)機(jī)組背壓的影響,為發(fā)電廠實(shí)際運(yùn)行調(diào)節(jié)提供依據(jù)。焦慶雅[16]對(duì)三塔合一內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析,并使用擋風(fēng)板對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明:擋風(fēng)板在無(wú)風(fēng)或者低風(fēng)速時(shí)會(huì)使通風(fēng)量降低,大風(fēng)工況時(shí)則可以大大改善流場(chǎng)。趙文升[17]等通過(guò)數(shù)值模擬研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)三塔合一系統(tǒng)熱力性能的影響,并以通風(fēng)量和冷卻水出口水溫為標(biāo)準(zhǔn)獲得了最優(yōu)參數(shù)??椎聺M(mǎn)[18]等基于CFD方法研究了三塔合一系統(tǒng)脫硫裝置對(duì)進(jìn)風(fēng)量的影響和不同風(fēng)速下的煙氣擴(kuò)散能力,結(jié)果表明:脫硫裝置對(duì)空冷塔的進(jìn)風(fēng)量和散熱量幾乎無(wú)影響,并且隨著風(fēng)速增大,煙氣擴(kuò)散高度呈現(xiàn)先降低后不變的趨勢(shì)。劉昆[19]分析對(duì)比了不同工況下煙氣流動(dòng)特性,并提出了采用加高煙囪和加裝風(fēng)機(jī)來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)調(diào)控的方案,結(jié)果表明:當(dāng)負(fù)荷降低時(shí),間接空冷塔的流動(dòng)換熱惡化,隨著風(fēng)速增大,換熱也會(huì)惡化,并且風(fēng)速過(guò)大時(shí)環(huán)境風(fēng)會(huì)穿透冷卻塔,不利于冷卻塔安全運(yùn)行;加裝風(fēng)機(jī)可以改善塔內(nèi)流動(dòng)換熱特性,并且在有環(huán)境風(fēng)的條件下風(fēng)機(jī)能很好地促進(jìn)煙氣流動(dòng);加高煙囪可以使煙氣偏折程度降低,并使氣流受橫風(fēng)的抑制降低。Yang Shuo[20]等使用數(shù)值模擬研究了三塔合一系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)隨喉部變化的規(guī)律,研究結(jié)果表明:喉部越短,煙氣和進(jìn)塔氣流混合越劇烈。Takenobu[21]等使用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)三塔合一進(jìn)行了研究,使用示蹤氣體記錄氣體的流動(dòng),最終得到了煙氣的擴(kuò)散區(qū)間。
環(huán)境風(fēng)速、溫度以及空冷塔的幾何參數(shù)均會(huì)對(duì)三塔合一系統(tǒng)的性能造成不同程度的影響[22-24],負(fù)荷變化也會(huì)影響三塔合一系統(tǒng)的性能。但是以往對(duì)于三塔合一系統(tǒng)的研究,缺少負(fù)荷變化對(duì)煙氣擴(kuò)散影響的研究,所以本文建立了三塔合一系統(tǒng)變負(fù)荷模型,計(jì)算并研究了不同負(fù)荷下煙氣的擴(kuò)散規(guī)律,并對(duì)冷卻塔在不同負(fù)荷下的冷卻效果進(jìn)行了分析。
使用Gambit 軟件建立三塔合一間接空冷塔的模型,并進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,采用流體計(jì)算軟件Fluent 2021 R1 進(jìn)行計(jì)算。三塔合一系統(tǒng)如圖1 所示,其參數(shù)如表1所示,扇區(qū)劃分如圖2所示,其中扇區(qū)1、2、11、12為迎風(fēng)扇區(qū),扇區(qū)3、4、9、10為側(cè)風(fēng)扇區(qū),扇區(qū)5、6、7、8為背風(fēng)扇區(qū)。
表1 三塔合一系統(tǒng)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the "three-in-one"towers system m
圖1 三塔合一系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the "three-in-one"tower system
圖2 扇區(qū)劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of sector division
近年來(lái)中國(guó)多年平均風(fēng)速為2.14 m/s,三北地區(qū)年平均風(fēng)速最大,為3 m/s[25]。5 m/s 的風(fēng)速雖然在全國(guó)發(fā)生的概率在0.05 以下[26],但此風(fēng)速會(huì)發(fā)生腐蝕并且發(fā)生概率相對(duì)其他更大風(fēng)速要大。而三塔合一系統(tǒng)在無(wú)風(fēng)或風(fēng)速較小時(shí),其空氣對(duì)煙氣包裹性較好,并且在環(huán)境中抬升較高,不會(huì)對(duì)塔壁以及環(huán)境造成影響。因此,選擇距離地面10 m 處環(huán)境風(fēng)速為5 m/s 作為計(jì)算條件,該模型采用冪指數(shù)風(fēng)廓線來(lái)模擬環(huán)境風(fēng)速,風(fēng)速表示為:
式中:u10為高度10 m 處環(huán)境風(fēng)的風(fēng)速;y為相應(yīng)點(diǎn)的高度;u為對(duì)應(yīng)高度的風(fēng)速。
冪指數(shù)風(fēng)廓線隨高度的變化如圖3所示。
圖3 冪指數(shù)風(fēng)廓線隨高度變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of exponential wind profile changing with height
本算例參考2×1 000 MW 發(fā)電廠的模型,設(shè)置兩個(gè)間接空冷塔,其中一個(gè)為普通間冷塔,另一個(gè)間冷塔內(nèi)放置脫硫裝置和煙囪,煙囪排放兩個(gè)機(jī)組煙氣。選定20 ℃(春秋季節(jié))作為環(huán)境風(fēng)的溫度,環(huán)境出口設(shè)置為壓力出口,煙囪出口設(shè)置為速度入口,煙氣速度設(shè)置為28 m/s,煙氣溫度設(shè)置為47 ℃。采用Fluent 組分運(yùn)輸模型模擬煙氣的流動(dòng),煙氣組分如表2所示,重力加速度設(shè)置為9.8 m/s,湍流模型選擇Realizable 的κ-ε模型,對(duì)于能量方程的殘差設(shè)置為10-7,其他方程均設(shè)置為10-4,壓力離散格式選擇PRESTO!,其他選項(xiàng)設(shè)置為二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算。
表2 煙氣組分Table 2 Flue gas components
對(duì)模型做出以下假設(shè):氣體為理想不可壓縮氣體,換熱與流動(dòng)為定常條件,冷卻塔壁面、煙囪壁面、脫硫塔壁面以及地面均設(shè)置為絕熱條件,且為無(wú)滑移壁面,散熱器簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)。
散熱器尺寸為28 m×2.6 m×0.199 5 m,兩片散熱器形成一個(gè)冷卻三角,模型如圖4所示,其尺寸為28 m×2.815 m×2.772 m。
圖4 冷卻三角模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the cooling triangle model
對(duì)于簡(jiǎn)單均勻的多孔介質(zhì):
式中:Si為動(dòng)量方程源項(xiàng);ν為速度;α為滲透率;C2為慣性阻力系數(shù);μ為動(dòng)力粘度。
對(duì)散熱器進(jìn)行建模及數(shù)值模擬,使用最小二乘擬合法將模擬所得散熱器進(jìn)出口壓差Δp與迎面風(fēng)速的關(guān)系擬合成表達(dá)式:
由式(3)求得粘性阻力系數(shù)為2 564 782,慣性阻力系數(shù)為48.535 9,同時(shí)求得簡(jiǎn)化后散熱器的孔隙率為0.72。
假設(shè)多孔介質(zhì)為恒定溫度,其溫度值等于出口、入口水溫的算術(shù)平均值。假定每個(gè)扇區(qū)的冷卻三角具有相同的出口、入口水溫和循環(huán)水流量,同一負(fù)荷下冷卻塔的散熱量等于循環(huán)水在凝汽器的吸熱量,并且換熱是穩(wěn)定的,對(duì)于給定的負(fù)荷,先給定入口水溫的初值,通過(guò)熱平衡計(jì)算得到出口水溫,計(jì)算后更新入口水溫,最后獲得穩(wěn)定狀態(tài)下不同負(fù)荷的出口、入口水溫,其迭代過(guò)程如圖5所示。
圖5 迭代流程Fig.5 The iterative process
使用Gambit 軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。散熱器部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格最為密集;散熱器連接環(huán)境和塔內(nèi)的過(guò)渡區(qū)域采用三棱柱網(wǎng)格并使用比例函數(shù)逐漸擴(kuò)大尺寸,這樣既可以維持精度又可以減少網(wǎng)格數(shù)量;在塔內(nèi)和外部環(huán)境區(qū)域恢復(fù)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計(jì)算域網(wǎng)格如圖6所示。
圖6 計(jì)算域整體網(wǎng)格示意圖Fig.6 Schematic diagram of the overall grid of the DCF
本模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為:無(wú)風(fēng)時(shí)散熱量為1 175.4 MW,環(huán)境溫度為31.5 ℃,入口水溫為63.92 ℃,出口水溫為51.1 ℃,循環(huán)水流量為78 966.4 m3/h,循環(huán)水在各扇區(qū)均勻分配。對(duì)網(wǎng)格數(shù)為3 815 268、5 020 968、6 031 549的模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,不同參數(shù)在不同網(wǎng)格下的變化率均小于0.5%,這表示本模型通過(guò)了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,并且計(jì)算所得數(shù)值與實(shí)際數(shù)值的誤差處于可接受范圍內(nèi)。最終選擇網(wǎng)格數(shù)為5 020 968的模型。
表3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Results of grid independence verification
對(duì)各負(fù)荷下不同扇區(qū)的出口、入口水溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì),因?yàn)?—6 扇區(qū)和7—12 扇區(qū)是對(duì)稱(chēng)的,所以?xún)H對(duì)1—6 扇區(qū)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。同時(shí),為了使各扇區(qū)溫降更直觀,將不同工況下各扇區(qū)的循環(huán)水溫降進(jìn)行了整理,結(jié)果如圖8所示。
圖7 各扇區(qū)出口、入口水溫Fig.7 Water temperatures at the entrances and exits of sectors
圖8 各扇區(qū)循環(huán)水出入口溫差Fig.8 Temperature differences between inlets and outlets of circulating water in sectors
如圖7所示,黑色折線為入口水溫,紅色折線為出口水溫。同一負(fù)荷下所有冷卻三角入口水溫假設(shè)為相同值,在負(fù)荷為50%~100%時(shí)的入口水溫分別為40.56 ℃、43.74 ℃、46.58 ℃、49.88 ℃、52.71 ℃、55.78 ℃。可以看出,隨著負(fù)荷升高,入口水溫不斷升高,入口水溫在100%負(fù)荷時(shí)最高,在負(fù)荷為50%時(shí)最低,相差15.22 ℃。出口水溫在每一個(gè)扇區(qū)均隨著負(fù)荷增大而增大,當(dāng)負(fù)荷不變時(shí),1—4 扇區(qū)出口水溫逐漸增大,在4 扇區(qū)達(dá)到最大值,說(shuō)明迎風(fēng)扇區(qū)在向側(cè)風(fēng)扇區(qū)過(guò)渡的過(guò)程中,扇區(qū)的換熱能力不斷衰減,并且4扇區(qū)換熱能力最差。同時(shí)由圖7 可以看出,5、6 扇區(qū)換熱效果優(yōu)于4扇區(qū),這是因?yàn)閭?cè)風(fēng)扇區(qū)受側(cè)風(fēng)和內(nèi)部渦流的影響較大,側(cè)風(fēng)扇區(qū)的空氣流動(dòng)受阻,最終導(dǎo)致?lián)Q熱惡化,背風(fēng)側(cè)的扇區(qū)受到側(cè)風(fēng)和渦流的影響較小,所以背風(fēng)扇區(qū)換熱量較側(cè)風(fēng)扇區(qū)增大,出口水溫更低。
由圖8可以看到各扇區(qū)的溫降情況,循環(huán)水溫降隨著負(fù)荷的增大而增大,這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度一定的情況下,高負(fù)荷的循環(huán)水溫度更高,空氣與散熱器內(nèi)循環(huán)水的溫差更大,循環(huán)水和空氣的熱流增大最終使冷卻水出入口的差值增大。在負(fù)荷為100%時(shí),1 扇區(qū)循環(huán)水溫降最多,為14.89 ℃,扇區(qū)4溫降最少,為11.72 ℃;在負(fù)荷為50%時(shí),相同扇區(qū)的循環(huán)水溫降最少,其中1扇區(qū)溫降為7.95 ℃,4扇區(qū)溫降為4.84 ℃,達(dá)到所有計(jì)算負(fù)荷的最低點(diǎn)。從圖8 中還可以看出,1—4 扇區(qū)溫降逐漸變小,5、6 扇區(qū)溫降增加,說(shuō)明1 扇區(qū)水溫最低,換熱最好,4 扇區(qū)水溫最高,換熱最差。
為了體現(xiàn)煙氣和熱空氣的換熱過(guò)程,選擇100%負(fù)荷時(shí)冷卻塔的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析,圖9—13是空冷塔不同位置處截面的溫度云圖。由圖9—13可以看出,煙氣出口處溫度最高,隨著高度的升高,煙氣逐漸和熱空氣混合,煙氣溫度逐漸降低。在冷卻塔出口處,冷卻塔內(nèi)的熱空氣、煙氣、環(huán)境空氣開(kāi)始混合,并向背風(fēng)側(cè)偏移。在高度10 m處,由于環(huán)境空氣受到散熱器加熱影響,冷卻塔內(nèi)部溫度明顯高于冷卻塔外,并且側(cè)風(fēng)區(qū)域溫度要高于迎風(fēng)區(qū)域,這是因?yàn)橛L(fēng)區(qū)域通風(fēng)量較大,側(cè)風(fēng)區(qū)域受到渦流和側(cè)風(fēng)的影響,通風(fēng)量相對(duì)較小導(dǎo)致?lián)Q熱惡化,所以溫度更高。在高度60 m 即煙囪的出口處,煙氣剛剛排放尚未與空氣混合,同時(shí)塔內(nèi)邊緣區(qū)域溫度較高,中心區(qū)域除煙氣外溫度較低。在高度100 m 處,煙氣已經(jīng)開(kāi)始和熱空氣混合,此時(shí)煙氣受到塔內(nèi)氣流影響向背風(fēng)側(cè)偏移,此時(shí)煙氣和空氣仍存在較大溫差。在高度204 m即冷卻塔出口處,煙氣和熱空氣混合相對(duì)充分,煙氣和熱空氣的溫差減少,同時(shí)冷卻塔出口處兩側(cè)熱空氣與環(huán)境空氣混合,使出口下風(fēng)向的空氣溫度升高。
圖9 空冷塔中心垂直平面溫度云圖Fig.9 Cloud map of vertical plane temperature in the center of air-cooling tower
圖14 和圖15 分別為50%負(fù)荷和100%負(fù)荷時(shí)高度10 m處水平面的速度矢量圖。從圖14、圖15可以看出,氣流通過(guò)換熱器進(jìn)入冷卻塔后向背風(fēng)側(cè)流動(dòng),與其他區(qū)域的氣流以及脫硫塔撞擊形成一對(duì)大的渦流,氣流進(jìn)入后受到渦流阻礙,存在一個(gè)低速的區(qū)域;塔內(nèi)背風(fēng)區(qū)域進(jìn)入的氣流受到迎風(fēng)側(cè)氣流的阻力,存在一個(gè)較小的低速區(qū),并且隨著負(fù)荷增大在背風(fēng)側(cè)形成一對(duì)小渦流。所以,塔內(nèi)的渦流是通風(fēng)量減少的主要原因之一,同時(shí)脫硫塔也會(huì)在一定程度上阻礙各區(qū)域的進(jìn)風(fēng)。
圖10 空冷塔水平高度10 m平面的溫度云圖Fig.10 Temperature cloud map of the air-cooling tower at a horizontal height of 10 m
圖11 空冷塔水平高度60 m平面的溫度云圖Fig.11 Temperature cloud map of the air-cooling tower at a horizontal height of 60 m
圖12 空冷塔水平高度100 m平面的溫度云圖Fig.12 Temperature cloud map of the air-cooling tower at a horizontal height of 100 m
圖14 負(fù)荷為50%時(shí)的速度矢量圖Fig.14 Velocity vector diagram at 50% load
圖15 負(fù)荷為100%時(shí)的速度矢量圖Fig.15 Velocity vector diagram at 100% load
隨著負(fù)荷增加,大渦流變小,這是因?yàn)殡S著負(fù)荷增大,側(cè)風(fēng)扇區(qū)通風(fēng)量增大,對(duì)渦流產(chǎn)生了抑制;小渦流隨著負(fù)荷增大向背風(fēng)側(cè)偏移,并且在負(fù)荷為100%時(shí)分裂成兩對(duì)對(duì)稱(chēng)的小渦流,這是因?yàn)橛L(fēng)扇區(qū)的氣流速度增加對(duì)渦流產(chǎn)生了抑制作用,推動(dòng)小渦流向后偏移,并且小渦流最終被迎風(fēng)扇區(qū)的氣流分割成兩個(gè)更小的渦流??傮w來(lái)說(shuō),高負(fù)荷運(yùn)行更有利于減小塔內(nèi)渦流帶來(lái)的抑制作用。
圖16 和圖17 分別是50%負(fù)荷和100%負(fù)荷時(shí)高度10 m 處的速度云圖。由圖16、圖17 可以看出,在50%負(fù)荷時(shí),迎風(fēng)區(qū)域的氣流速度最大,側(cè)風(fēng)區(qū)域完全處于低速區(qū)中,入口氣流速度最低,背風(fēng)區(qū)域速度處于迎風(fēng)區(qū)域和側(cè)風(fēng)區(qū)域之間;相對(duì)于50%負(fù)荷時(shí),100%負(fù)荷時(shí)塔內(nèi)藍(lán)色區(qū)域面積減小,側(cè)風(fēng)區(qū)域減少得較為明顯,說(shuō)明隨著負(fù)荷增大,塔內(nèi)氣流速度增大,并且對(duì)渦流產(chǎn)生了抑制作用。
圖16 50%負(fù)荷時(shí)高度10 m處的速度云圖Fig.16 Velocity cloud map at a height of 10 m at 50% load
圖17 100%負(fù)荷時(shí)高度10 m處的速度云圖Fig.17 Velocity cloud map at a height of 10 m at 100% load
不同負(fù)荷的三塔合一系統(tǒng)具有不同的抽力,抽力越大則通風(fēng)量和冷卻性能越好,機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性就會(huì)越高。對(duì)各負(fù)荷下的總通風(fēng)量和平均抽力(塔底進(jìn)風(fēng)口處的抽力)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到平均抽力及總通風(fēng)量隨負(fù)荷的變化如圖18 所示,不同區(qū)域的通風(fēng)量如圖19所示。
由圖18 可以看出,隨著負(fù)荷的增大,平均抽力增大,總通風(fēng)量增大,總通風(fēng)量在50%負(fù)荷時(shí)為48 938.27 kg/s,在100%負(fù)荷時(shí)為63 699.46 kg/s,增加了14 761.19 kg/s,是50%負(fù)荷時(shí)的1.3倍,因此,隨著負(fù)荷的增大,通風(fēng)量增加比較明顯,近似呈線性增加。平均抽力隨著負(fù)荷增大而增大,在50%負(fù)荷時(shí)抽力為82.4 Pa,在100%負(fù)荷時(shí)為121 Pa,增大了38.6 Pa,為50%負(fù)荷時(shí)的1.47 倍。通風(fēng)量和抽力隨著負(fù)荷增大而增大是因?yàn)檠h(huán)水溫會(huì)隨著負(fù)荷增大而增大,使散熱器對(duì)空氣加熱程度提高,散熱器兩側(cè)空氣密度差增大,從而增大了抽力和通風(fēng)量。
圖18 平均抽力和總通風(fēng)量隨負(fù)荷的變化Fig.18 Load-varied changes of average extraction force and total ventilation capacity
圖19 所示為空冷塔不同區(qū)域通風(fēng)量隨著負(fù)荷變化的規(guī)律。迎風(fēng)區(qū)域在50%負(fù)荷時(shí)的通風(fēng)量為20 812 kg/s,為迎風(fēng)區(qū)域各負(fù)荷下通風(fēng)量的最小值,100%負(fù)荷時(shí)的通風(fēng)量為25 242.69 kg/s,為最大值,相差4 430.69 kg/s;背風(fēng)區(qū)域通風(fēng)量最大值為20 745.49 kg/s,最小值為16 442.71 kg/s,相差4 302.78 kg/s;側(cè)風(fēng)區(qū)域最大值為17 711.28 kg/s,最小值11 683.57 kg/s,相差6 027.71 kg/s??梢钥吹?,迎風(fēng)區(qū)域在任何負(fù)荷下的通風(fēng)量都是最大值,側(cè)風(fēng)區(qū)域通風(fēng)量最小,背風(fēng)區(qū)域通風(fēng)量介于迎風(fēng)區(qū)域和側(cè)風(fēng)區(qū)域之間。這是因?yàn)樵趥?cè)風(fēng)區(qū)域雖然塔外側(cè)空氣繞流速度較快,但是會(huì)在冷卻三角內(nèi)形成渦流,阻礙進(jìn)風(fēng),同時(shí)塔內(nèi)的渦流也會(huì)對(duì)進(jìn)風(fēng)產(chǎn)生阻礙效果,而迎風(fēng)區(qū)域和背風(fēng)區(qū)域不存在這種影響,所以側(cè)風(fēng)區(qū)域進(jìn)風(fēng)量相對(duì)于其他區(qū)域減少很多。
圖19 不同區(qū)域通風(fēng)量隨負(fù)荷的變化Fig.19 Load-varied changes of ventilation capacity in different areas
負(fù)荷減小時(shí),各區(qū)域通風(fēng)量均隨之減小。迎風(fēng)區(qū)域和背風(fēng)區(qū)域的通風(fēng)量隨負(fù)荷變化相對(duì)較小,而側(cè)風(fēng)區(qū)域的通風(fēng)量隨負(fù)荷變化較大,負(fù)荷為50%時(shí)與100%時(shí)相差6 027.71 kg/s,相對(duì)于其他兩個(gè)區(qū)域的變化量多出約三分之一,說(shuō)明相對(duì)于其他扇區(qū),側(cè)風(fēng)扇區(qū)在低負(fù)荷時(shí)流動(dòng)換熱更容易惡化,這是由側(cè)風(fēng)和渦流造成的。所以,當(dāng)機(jī)組處于低負(fù)荷時(shí)應(yīng)對(duì)側(cè)風(fēng)扇區(qū)采取一定措施,增大其通風(fēng)量,以最大限度地提升換熱效率。
距離冷卻塔不同位置的垂直于風(fēng)速方向平面上SO2的分布如圖20 所示。定義最高擴(kuò)散高度為此平面SO2質(zhì)量濃度等于0.5 mg/m3時(shí)的最高點(diǎn)距離地面的高度,擴(kuò)散距離為該平面距離塔中心點(diǎn)的水平長(zhǎng)度。當(dāng)SO2濃度達(dá)到0.5 mg/m3時(shí)認(rèn)為煙氣擴(kuò)散到塔壁上,取此時(shí)的最低點(diǎn)為煙氣在塔壁上擴(kuò)散的最低點(diǎn),該位置如圖21 所示。負(fù)荷的不同會(huì)影響空冷塔的通風(fēng)量和空氣的溫升,從而對(duì)煙氣的抬升產(chǎn)生影響。對(duì)不同負(fù)荷下煙氣在環(huán)境中和塔壁上的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),煙氣在內(nèi)壁的擴(kuò)散規(guī)律如圖22 所示,在環(huán)境中的最大高度隨距離的變化如圖23所示。
圖20 最大擴(kuò)散高度和擴(kuò)散距離示意圖Fig.20 Schematic diagram of maximum diffusion height and diffusion distance
圖21 煙氣擴(kuò)散最低點(diǎn)示意圖Fig.21 Schematic diagram of the lowest point of flue gas diffusion
在有環(huán)境風(fēng)的情況下,空冷塔出口處的混合氣流會(huì)受到環(huán)境風(fēng)的阻礙而偏向背風(fēng)側(cè),使煙氣流出受阻。環(huán)境風(fēng)還會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)產(chǎn)生渦流,空冷塔內(nèi)的SO2受到塔內(nèi)渦流的影響會(huì)被卷吸,所以塔壁容易接觸到煙氣,當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí),煙氣就會(huì)擴(kuò)散到塔壁上,塔壁上SO2的濃度會(huì)隨著風(fēng)速增大而增大。從圖22 可以看到SO2在內(nèi)壁上隨著負(fù)荷變化的規(guī)律,在50%~100%負(fù)荷時(shí)SO2最大濃度分別為4.55 mg/m3、3.25 mg/m3、2.46 mg/m3、2.03 mg/m3、0.66 mg/m3、0 mg/m3,負(fù)荷為50%負(fù)荷時(shí)SO2最大濃度是計(jì)算工況的最大值,100%負(fù)荷時(shí)SO2的最大濃度為0 mg/m3,這時(shí)沒(méi)有SO2擴(kuò)散到內(nèi)壁上,說(shuō)明熱空氣對(duì)煙氣包裹性較好。在50%負(fù)荷時(shí)內(nèi)壁上SO2最低擴(kuò)散到172.24 m,在100%負(fù)荷時(shí)SO2未擴(kuò)散到塔壁上,記最低點(diǎn)在204 m,即塔的出口處,比50%負(fù)荷時(shí)高出31.76 m,可以看到,隨著負(fù)荷的增加,煙氣在塔壁上的最低點(diǎn)持續(xù)升高、最大濃度降低,說(shuō)明隨著負(fù)荷增大,煙氣對(duì)內(nèi)壁的污染減少。這是因?yàn)殡S著負(fù)荷增大,各扇區(qū)通風(fēng)量增加,空氣對(duì)煙氣的包裹能力增加,所以?xún)?nèi)壁上SO2污染程度變小。
圖22 煙氣在空冷塔內(nèi)壁的擴(kuò)散規(guī)律Fig.22 Diffusion law of flue gas on the inner wall of aircooling tower
在環(huán)境風(fēng)的作用下,空冷塔出口處存在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的渦流,卷吸流出塔外的煙氣和熱空氣,同時(shí)環(huán)境風(fēng)的對(duì)流沖擊也會(huì)影響煙氣的抬升,在兩種因素的綜合作用下造成煙氣流出空冷塔后下洗,從而導(dǎo)致煙氣在不同位置處的抬升高度受到限制。從圖23 可以看到不同負(fù)荷下煙氣各位置達(dá)到的最高點(diǎn),各負(fù)荷均在0~100 m 處抬升較快,之后隨著距離增加煙氣高度緩慢上升,在距離空冷塔600 m 處煙氣擴(kuò)散最高點(diǎn)在負(fù)荷為50%~100%時(shí)分別達(dá)到490.62 m、500.23 m、501.36 m、503.92 m、505.74 m、507.34 m。在100~600 m內(nèi)的不同距離處,100%負(fù)荷時(shí)的最高點(diǎn)相對(duì)于50%負(fù)荷時(shí)分別增高了12.39 m、12.91 m、14.33 m、16.12 m、16.03 m、16.72 m。結(jié)合圖表和數(shù)據(jù)可以看出,煙氣最高點(diǎn)在任何距離處均隨著負(fù)荷增加而增加,所以增加負(fù)荷有利于增加煙氣的抬升高度。這是因?yàn)樨?fù)荷增大提升了冷卻塔的抽力,進(jìn)而提升了空氣的流量,速度更快的混合氣流抵抗阻力的能力更大,而煙氣下洗的重要原因之一就是橫向風(fēng)的阻力,所以高負(fù)荷運(yùn)行下空冷塔出口處的混合氣流可以抬升到更高位置。同時(shí),高負(fù)荷下空氣吸收的熱量更多,這樣煙氣和空氣的密度差增大,相對(duì)于低負(fù)荷時(shí)的煙氣具有更大的浮升力,這時(shí)煙氣逐漸被稀釋?zhuān)c熱空氣混合逐漸充分,熱空氣的熱量利用更加充分,使煙氣總體抬升效果增大,有利于環(huán)境保護(hù)。
圖23 煙氣在環(huán)境中最高點(diǎn)隨距離的變化Fig.23 Changes of flue gas heights in the environment with distance
1)隨著負(fù)荷增大,循環(huán)水溫、通風(fēng)量、抽力等均逐漸增大,在100%負(fù)荷時(shí)分別是50%負(fù)荷時(shí)的1.38、1.3、1.47 倍,同時(shí)負(fù)荷的增大會(huì)對(duì)渦流造成一定的抑制,所以高負(fù)荷運(yùn)行可以增大通風(fēng)量。高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)循環(huán)水溫降增多,說(shuō)明高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的冷卻能力更好。
2)負(fù)荷的增大有利于減少內(nèi)壁上SO2的濃度。SO2在內(nèi)壁上的濃度隨著負(fù)荷增大而減小,在100%負(fù)荷時(shí),內(nèi)壁沒(méi)有SO2的擴(kuò)散。隨著負(fù)荷增大,煙氣的擴(kuò)散高度也會(huì)隨之增大,在100%負(fù)荷時(shí)煙氣擴(kuò)散高度最高,相對(duì)于50%負(fù)荷最多提升了16.72 m。