基于风洞模拟试验的冷却塔内烟气膨胀系数测量

马进，田文鑫，姜益善，徐熠

（国电环境保护研究院，南京 210031）

基于风洞模拟试验的冷却塔内烟气膨胀系数测量

马进，田文鑫，姜益善，徐熠

（国电环境保护研究院，南京 210031）

利用环境风洞模拟冷却塔内烟气抬升，从而测量烟气膨胀系数。试验按照相似理论选取参数，模型和原型之间的烟气密度比、密度佛罗德数、试验风速比相等，由于塔内烟气升速比塔内空气升速大得多，如果气流升速不再随着塔内空气与烟气中心距离的增加而迅速减小，则认为测得烟气边缘，从速度分布可以得到烟气直径。试验结果发现：由于塔壁的作用，烟气膨胀系数β对环境风速不敏感，从烟道出口至塔顶处β平均值约为0.10，夹卷系数比膨胀系数小0.03左右。与水槽等试验结果相比，风洞试验模拟测出的膨胀系数比较接近准确值。

风洞；烟塔合一；膨胀系数；夹卷系数；湍流

0 引言

近年来，越来越多的电厂采用冷却塔排烟。冷却塔排烟现场测试［1］和模拟计算表明，电厂通过冷却塔排烟大多数情况下优于烟囱排放［2］，烟气抬升效果远比加装烟气换热器（GGH）好，在工程上也有节约土地、降低防腐要求等优势，具有节能减排的优良特性［3-5］。

冷却塔设计与塔内气体的膨胀系数密切相关，塔内气体和烟气膨胀主要由塔内湍流引起，准确测定塔内烟气膨胀系数可为工程设计人员和环境工程师提供设计依据。

1 风洞试验

现场照片（如图1所示）显示了塔内烟气夹卷塔内空气膨胀并抬升的过程，国电环境保护研究院环境风洞实验室模拟测量了塔内烟气膨胀系数。

图1 冷却塔内烟气排放

此次风洞模拟试验按照相似理论选取参数，除了边界层满足风廓线和湍流相似外，模型和原型之间的烟气密度比、密度佛罗德数、试验风速比相等。

由于烟气升速比塔内气体升速大许多，具有射流特性，试验测量气流上升速度时，如果气流升速不再随着与烟气中心距离的增加而迅速减小，则认为测得了烟气边缘。根据速度分布，可以确定不同高度处的烟气半径，从而计算烟气膨胀系数。

1.1 试验内容及参数

原型冷却塔高197.6m，塔口直径为79.3m，烟道高55.0 m，内径为8.6 m，模型几何相似比为1∶400。塔内气体速度测量采用IFA300热线风速计（美国TSI公司生产），采样时间为8 s，采样频率为1000Hz。图2为塔内空气不断卷入，烟气扩散示意图，图3为塔内速度采样现场照片。

图2 塔内烟气夹卷与扩散示意

1.2 夹卷速度

图3 塔内速度采样现场

式中：Rz为z方向不同高度处烟气半径，m为烟气平均升速，m／s；ρ为空气密度，由于此次试验烟气速度都较小（模型烟气升速小于1.0m／s），视为不变量，kg／m3；α定义为夹卷系数。

2 试验结果分析

2.1 膨胀系数β

静止空气中，烟气膨胀系数β由式（3）定义

式中：β为烟气的膨胀系数；R0为烟气初始半径，m；z0为z方向的烟气初始高度坐标，m。

2.2 烟气边缘判定方法

由于塔底和四周塔壁的边界作用，没有烟气时，冷却塔内空气的升速沿半径方向的分布特点是：从中心到塔壁可以分3圈，最大升速在第2圈而不在塔中心圈，靠近塔壁的区域升速最小，烟道布置在中心位置。

烟气升速比塔内空气升速大许多，试验发现，烟气基本落在中心圈，烟气和塔内空气分界点的特征是：随着塔内空气与烟气中心距离的增加，速度不再迅速减小，即速度梯度从较大的负值接近0。

2.3 试验测出的平均膨胀系数

图4为塔内测量布点，表1为10m高处不同环境风速μ10下测出的不同高度处的烟气直径、膨胀系数和湍流强度（表1中Ti为同高度x方向各个测量点湍流强度平均值）。图5为静风条件下，不同高度气流上升速度沿x方向的变化。图6为依据式（3）求出的不同风速下平均膨胀系数β（以下均为从烟道排口开始计算的平均值）随高度的变化趋势。

图4 塔内测量布点

图5 静风下，不同高度气流上升速度沿x方向的变化

图6 不同高度的平均膨胀系数β

表1 不同环境风速下，不同高度处烟气直径D、平均膨胀系数β和湍流强度Ti

当风速增至12m／s或16m／s时，180m处的平均膨胀系数β接近0.11，塔口处的膨胀系数约为0.10。由此可见，由于冷却塔侧壁的影响，环境风速对塔出口处膨胀系数影响较小。

2.4 平均膨胀系数β的形态解释

烟气膨胀的本质是烟团运动过程中周围空气卷入导致烟团直径变大，严格来说，膨胀系数基于拉格朗日观点。而实验室测量几乎都是在固定点位测量，测量方法和结果都是欧拉法。如果没有湍流，在测试条件相同的稳恒流条件下，两种结果是一样的。

美国环境保护署（EPA）等机构测量出的烟气膨胀系数都是在均匀流场中测出的，而工业冷却塔内部受塔边界的限制，塔内空气不是均匀流场（特别是底部区域）。图7为高150m、底部直径约为100 m的冷却塔内流场，塔内流场的共同特点是：对底部区域，靠近塔中心附近速度较小，水平速度随高度增加而减小，上升速度随高度增加而增加；对非底部区域，随着高度的增加，水平速度减小，上升速度增加，整个水平截面的速度趋于均匀。

图7 塔内空气流场对比

由于底部区域存在较大水平速度及较强湍流，测出的膨胀系数比静止空气中的结果复杂。

测量过程中的流场并非稳态流，从烟道至塔顶测量出的各点速度是时间平均值，烟气成像示踪试验发现：受进风口的影响，底部区域湍流较大，烟团晃动角度明显大于顶部区域，故测出的底部平均膨胀系数较大。当环境风速增加时，底部烟团的湍流包括低频湍流引起的晃动更加明显，故底部烟团膨胀系数的真实值应该比测量计算值稍小；随着塔高的增加，塔口径收窄，烟气水平方向速度几乎消失，湍流减小（风速8m／s、180m高处，由于塔顶口环境风的影响湍流反而增加），烟气晃动大幅度减小，流动趋于稳态，按照定义，较高处的平均膨胀系数比较接近准确值。

2.5 膨胀系数β测试结果对比

表2列出了一些机构在测试条件接近的前提下测定的膨胀系数β［6-9］，由于塔内烟气具有射流特性，当烟气边缘速度接近塔内空气速度时，本文作者测定的冷却塔内烟气膨胀系数非常接近采用其他方法测量的膨胀系数。

表2 不同研究者测定或建议的膨胀系数β

2.6 夹卷系数α与膨胀系数β的关系

2.6.1 物理关系

周围空气的夹卷导致烟团膨胀，因此膨胀系数与夹卷系数紧密相关，在烟羽水平夹卷周围空气的情况下，两者相等。从现有的试验结果及资料看，竖直方向夹卷的膨胀系数与夹卷系数相差不大，他们的关系取决于具体物理过程。

从表2和图1可以看出：抬升过程中的烟气近似为锥形，膨胀系数β近乎为常量［10］，在此假定下，将式（2）、式（3）代入式（1）可得

式（4）的边界条件为

按照α与β的关系，式（4）的解可以分为3种情况。

2.6.2 测量精度比较

烟气膨胀系数测量对象是几何尺寸，定位精度可达0.15 cm，塔顶烟气直径为36～37m，对应原型测点网格间距为2m，初步估计，本次试验测定的烟气膨胀系数精度在10%以内。

3 结论

（1）风洞模拟测量，从烟道出口处开始到塔口处，烟气平均膨胀系数约为0.10。

（2）除了塔顶附近，塔内湍流强度随高度增加而减少，平均膨胀系数β随高度的增加也减少。

（3）由于塔体的保护作用，平均夹卷系数对环境风速不敏感，在塔口附近几乎不随环境风速变化。

［1］赵丹，陈义珍，柴发合，等.烟塔合一排放的SF6示踪扩散试验［J］.环境科学研究，2010，23（5）：549-553.

［2］曾德勇.应用S／P模式评估自然通风冷却塔排放脱硫后烟气对大气环境的影响［J］.中国电力，2006，39（2）：81-84.

［3］马晓珑，吴寿贵，周刚.600MW燃煤发电机组采用“三塔合一”的技术研究［J］.华电技术，2014，36（7）：47-48.

［4］李祥苓.脱硫、脱硝、除尘及烟塔合一一体化技术初探［J］.华电技术，2010，32（4）：70-73.

［5］荆永昌，袁波，陈荣轩.300MW烟塔合一机组取消烟气旁路湿法脱硫系统的运行［J］.中国电力，2009，42（11）：57-60.

［6］DAVISL R，SHIRAZIM A，SLEGEL D L.Experimental simulation of single and multiple cell cooling tower plums［R］. Washington：United States Environmental Protection Agency， 1977.

［7］MOORE F K.Aerodynamic design problems of dry cooling systems［R］.San Francisco：980 IAHRCooling TowerWorkshop，1980.

［8］张丽娟，赵顺安.喷溅装置水力特性试验报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2006.

［9］United States Department of Energy.Atmospheric science and power production［M］.Washington：Technical Information Center Office of Scientific and Technical Information United States Department of Energy，1984.

［10］赵顺安.海水冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

（本文责编：刘芳）

TU 317+.1；TU 271.1

A

1674-1951（2015）08-0030-03

马进（1966—），男，江苏扬州人，高级工程师，工学硕士，信息产业部登记高级程序员（终身），从事工业空气动力学、风洞实验及软硬件开发工作（E-mail：neprieia.majin＠163.com）。

2015-03-30；

2015-07-16