自然通风冷却塔变工况下防冻的数值优化设计

李永华，刘 娟

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

自然通风冷却塔变工况下防冻的数值优化设计

李永华，刘 娟

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

为了找到我国北方冬季冷却塔变工况运行时防止塔内结冰的最佳挡风板悬挂层数，论文建立了600 MW机组自然通风逆流湿式冷却塔的传热传质模型，利用FLUENT软件模拟并分析了在循环水量不同的工况下，未加装挡风板以及加装不同层数挡风板时塔内最低水滴温度的变化规律。结果表明：(1)随着挡风板层数的增加，塔内不同特征面上最低水滴温度均升高，填料层下平面空气温度梯度逐渐变小，降低了塔内结冰的可能性；(2)在环境温度为253.15 K，7 m/s的横向风速下，当循环水质量流量分别为9 011、11 830、13 863和17 329 kg/s时，防止塔内结冰的最佳挡风板层数分别为5层、3层、3层和1层，这不仅对火电机组的节能降耗具有一定的实际意义，也为挡风板的优化设计提供了理论依据。

冷却塔；数值模拟；热力特性；防结冰；挡风板

0 引 言

在电厂实际运行时，冷却塔的运行状况受环境条件、机组负荷以及循环冷却水量等因素的影响而长期处于变工况运行状态[10]，由于不能很好地根据工况的变化而及时调整挡风板的数量，常会过量悬挂挡风板，使得循环水温度高于经济温度，造成机组真空和机组经济性降低[4，9]。考虑到在影响冷却塔变工况特性的因素中，循环冷却水量对出塔水温的影响较为明显[10-11]，因此，文中主要研究当循环冷却水量不同时，填料层下面、进风口上沿面和基环面上的最低水滴温度的变化规律，进一步模拟加装不同层数挡风板后塔内空气温度场和最低水滴温度的变化规律，进而找到循环冷却水量不同时防止塔内结冰的最佳挡风板层数，这对火电机组节能降耗具有一定的实际意义。

1 数值模拟方法

自然通风逆流湿式冷却塔中水和空气的热交换方式是：流过水表面的冷空气与水直接接触，通过接触散热和蒸发散热，把水中的热量传给空气。冷却塔内循环冷却水在不同的区域流态也不相同，在喷淋区和雨区为液滴状，而在填料区多为液膜的形式。针对冷却塔内介质的流动特性，在喷淋区和雨区，采用离散相模型来模拟水滴和空气之间的相互作用[11-12]。填料区由于分布致密、水膜流动复杂，其对气水流场的影响被当做源项采用外接自定义函数求解[13]，选用标准k-ε湍流模型，在输运方程中考虑了浮力项，控制微分方程的离散化采用有限差分法中的控制容积法，控制方程的对流项采用二阶迎风离散格式，流场的计算采用典型的SIMPLE算法，Fluent求解器采用分离隐式。

1.1 连续相控制方程

在喷淋区和雨区，湿空气为连续相，湿空气的流动采用欧拉法求解，通用控制方程如下[14]：

(1)

式中：ρ为湿空气密度，kg/m3；μi为速度矢量，m/s；φ为通用变量，分别表示温度，K、湍流动能，m2/s2、湍流扩散率，m2/s3、水蒸气体积浓度，m3/m3以及x、y、z方向的速度分量，m/s；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义扩散源项。

1.2 离散相控制方程

由于伊朗中央银行目前被列入受制裁者名单，所有同伊央行进行商业往来的外国银行和金融机构，都存在遭受制裁甚至被列入受制裁者名单的风险。对被列入受制裁者名单的主体，可以通过网上向美国政府申诉，海外资产控制办公室每年在审查后会将上百个主体从名单中除去。因为美国政府认为，制裁的目的“不是为了惩罚，而是为了纠正不正当行为”[9]。

在喷淋区和雨区，采用拉格朗日法计算水滴的轨迹，并通过相间耦合计算水滴与空气之间的热质交换。水滴的温度变化关系式[15]如下：

mwcwΔTw=hAw(Tad-Tw)+hmAw(Cs-C)hfg

(2)

式中：Tad、Tw、Aw、mw分别为控制单元内气相干球温度，K、水滴温度，K、水滴表面积，m2和水滴流量，kg/s；cw为控制单元内水滴的平均比热容，J/(kg·K)；ΔTw为控制单元内水滴温度变化量，K；Cs为含1kg干空气的湿空气中水滴表面所含水蒸汽的质量；C为含1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量；hm为传质系数，kg/(m2·s)；h为传热系数，W/(m2·K)；hfg为淋水蒸发潜热，J/kg。

1.3 边界条件

以北方某电厂600MW机组的自然通风逆流湿式冷却塔为例，其几何边界条件如下：塔高125m，基环外侧直径106.42m，塔盆直径96.42m，塔出口直径57.01m，喉部直径52.2m，填料厚度1m，进风口高度8m，计算区域为高度为500m、直径为500m的圆柱体。

使用Gambit软件生成冷却塔的几何模型以及计算网格，由于不同区域的网格精度要求不同，塔内传热传质区域和进风口区域网格划分得较密集，塔筒区域和塔外环境区域网格则相对稀疏。经过网格无关性验证后，确定网格总数约为96万个。

当有环境侧风时，进口为速度边界条件，出口为压力边界条件，地面、塔壳壁面和挡风板为无滑移壁面边界条件。计算中考虑重力和浮力的影响，离散相边界条件在基环面、收水器、计算区域进出口等边界均为逃逸，在冷却塔壳壁面为反射。计算边界示意图如图1所示。

图1 计算边界示意图

2 计算结果分析

对进塔水温为300.07K，空气干球温度为253.15K，横向风速为7m/s的工况进行模拟，模拟计算的结果如下：

2.1 未加装挡风板时仅循环水量变化对塔内最低水滴温度的影响

参考北方某电厂600MW机组的自然通风逆流湿式冷却塔冬季实际运行时的循环冷却水量，选取循环冷却水质量流量分别为9 011、11 830、13 863和17 329kg/s的四个工况点进行模拟计算，得到循环冷却水质量流量与填料下面、进风口上沿面和基环面三个特征面上最低水滴温度的关系见表1和如图2所示。

表1 循环水量不同时三个特征面上的最低水滴温度

图2 循环水质量流量与特征面上最低水滴温度的关系

由表1和图2可知，随着循环冷却水质量流量的增加，填料下面、进风口上沿面和基环面上的最低水滴温度均升高。原因是当循环水质量流量增加时，单位体积控制体内水滴数量增加导致气水比降低，与单位表面积水滴接触的冷空气量减少，传热传质减弱，特征面上的最低水滴温度升高。

2.2 加装不同层数挡风板对塔内空气温度场的影响规律

在进风口处加装挡风板，可以减少进塔的空气量以及循环水和空气之间的换热量，从而提高塔内温度，防止结冰。加装挡风板后进风口的布置如下：每层挡风板高1.33m，将进风口平均分为6层，从上到下按层数依次加装挡风板，将第6层留作进风，不悬挂挡风板。

以循环水质量流量为11 830kg/s工况为例,未加装挡风板和加装不同层数挡风板后填料下面空气温度场如图3所示。

从图3可以看出，未加装挡风板时填料层下平面空气温度梯度很大，温度分布不均导致循环水和空气之间换热不均，从而导致塔内最低水滴温度偏低。加装挡风板以后，随着挡风板层数的增加，填料层下平面空气温度梯度逐渐变小，空气温度分布均匀性得到改善，降低了塔内结冰的可能性。

2.3 循环水量和挡风板层数对塔内最低水滴温度的影响规律

为了防止冷却塔结冰而悬挂过多层数的挡风板会导致出塔水温升高，降低机组的热经济性。为了找到循环水量不同时加装挡风板的最佳层数，选取循环水质量流量分别为9 011、11 830、13 863和17 329kg/s的工况进行模拟计算，得到挡风板层数和填料下面、进风口上沿面和基环面三个特征面上最低水滴温度的关系见表2。

表2 循环水质量流量不同时挡风板层数与特征面最低水滴温度的关系

从表2可以看出：(1)当循环水质量流量为9 011kg/s未加装挡风板时，填料下面、进风口上沿面和基环面处最低水滴温度均小于273.15K，说明此时三个特征平面上水滴均已产生结冰现象，在进风口处悬挂4层挡风板后，基环面处最低水滴温度为271.35K，仍然无法防止基环面处水滴结冰，在进风口处悬挂5层挡风板后，三个特征平面上最低水滴温度均升高到273.15K以上，说明当循环水质量流量为9 011kg/s时，在进风口处悬挂5层挡风板刚好可以防止塔内结冰。(2)当循环水质量流量为11 830kg/s未加装挡风板时，填料下面、进风口上沿面和基环面处均已产生结冰现象，在进风口处悬挂2层挡风板后，基环面处最低水滴温度为270.69K，仍然无法防止基环面处水滴结冰，在进风口处悬挂3层挡风板后，三个特征平面上最低水滴温度均升高到273.15K以上，说明当循环水质量流量为11 830kg/s时，在进风口处悬挂3层挡风板刚好可以防止塔内结冰。(3)当循环水质量流量为13 863kg/s未加装挡风板时，填料下面、进风口上沿面和基环面处均已产生结冰现象，在进风口处悬挂2层挡风板后，基环面处最低水滴温度为272.63K，仍然无法防止基环面处水滴结冰，在进风口处悬挂3层挡风板后，三个特征平面上最低水滴温度均大于273.15K，说明当循环水质量流量为13 863kg/s时，在进风口处悬挂3层挡风板刚好可以防止塔内结冰。(3)当循环水质量流量为17 329kg/s未加装挡风板时，进风口上沿面和基环面处产生结冰现象，在进风口处悬挂1层挡风板后，三个特征平面上最低水滴温度均大于273.15K，说明当循环水质量流量为17 329kg/s时，在进风口处悬挂1层挡风板刚好可以防止塔内结冰。

由此可见，填料下面、进风口上沿面和基环面三个特征平面上最低水滴温度随挡风板层数的增加而升高。在环境温度为253.15K，7m/s的横向风速下，当循环冷却水质量流量分别为9 011、11 830、13 863和17 329kg/s时，防止冷却塔内结冰的最佳挡风板层数分别为5层、3层、3层和1层。防止塔内出现结冰现象的最佳挡风板悬挂层数随循环冷却水质量流量的增加而减少。

3 结束语

文中对600MW自然通风逆流湿式冷却塔未加装挡风板和加装挡风板后的热力过程进行了数值模拟，计算了不同循环水质量流量对应的防止塔内结冰的最佳挡风板悬挂层数，得到以下结论：

(1)未加装挡风板时，当环境温度为253.15K，横向风速为7m/s，循环水质量流量分别为9 011、11 830、13 863和17 329kg/s时，塔内产生结冰现象。随着循环水质量流量的增加，三个特征面上最低水滴温度均升高。

(2)在进风口处加装挡风板后，随着挡风板层数的增加，三个特征平面上最低水滴温度均升高，填料下面空气温度分布逐渐趋于均匀，降低了塔内结冰的可能性。

(3) 在环境温度为253.15K，7m/s的横向风速下，当循环水质量流量分别为9 011、11 830、13 863和17 329kg/s时，防止冷却塔内结冰的最佳挡风板层数分别为5层、3层、3层和1层。找到冷却塔变工况下加装挡风板的最佳层数有利于火电机组的节能降耗，为挡风板的优化设计提供了理论依据。

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Numerical Optimization Design on Natural Draft Cooling Tower Anti-icing at Off-design Operating Conditions

LI Yong-hua, LIU Juan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Heibei Province, China)

In order to find the optimal layers of windshield boards at off-design operating conditions of cooling tower in winter in the north of China. A heat and mass transfer model of a natural draft counter-flow wet cooling tower for a 600 MW thermal power unit is established. By using the FLUENT software, the changing regularity of the minimum water droplets temperatures in the cooling tower with no windshield boards installed and with different layers of windshield boards installed under different circulating water mass flow rate conditions is simulated. The results indicate that: (1) with the increasing layer of windshield boards, the lowest water droplets temperatures at different characteristic planes will all increase and the air temperature gradient at the bottom surface of fill zone becomes little, thus reducing the icing probability. (2) when the circulating water mass flow rates are 9 011 kg/s, 11 830 kg/s, 13 863 kg/s and 17 329 kg/s respectively at the ambient temperature of 253.15 K and the crosswind velocity of 7 m/s, the optimal layers of windshield boards to avoid water freezing in the tower are 5 layers, 3 layers, 3 layers and 1 layer, which has some practical significance to the energy saving of thermal power units and provides theoretical evidence for optimum design of windshield boards.

Cooling tower; Numerical simulation; Thermodynamic properties; Anti-icing; Windshield board

2015-06-10

2015-07-10

李永华(1961-)，女，教授，主要从事火电机组节能理论及节能技术研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.007

TK264

A

1009-3230(2015)08-0024-06