660 MW机组四合一式空冷塔变工况运行的数值模拟

周二奇，陈 龙，侯艳峰

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071000）

660 MW机组四合一式空冷塔变工况运行的数值模拟

周二奇，陈 龙，侯艳峰

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071000）

四合一式空冷塔由脱硫塔、湿式除尘器、烟囱和原始空冷塔组合而成。以某2×660 MW间接空冷机组的四塔合一式空冷塔为模型，通过CFD模拟，在空冷塔变工况条件下，分析了环境温度、热负荷、自然风速、风向和百叶窗角度等因素对换热的影响。计算结果表明，调节迎风侧百叶窗的角度，可明显提高四塔合一式空冷塔的通风量。

间接空冷；空冷塔；模拟；温度；负荷；自然风；百叶窗；通风量

0 概 述

在我国严重缺水的西北地区，建有较多空冷机组。与湿冷机组相比，间接空冷机组具有显著的节水优势；与直接空冷机组相比，间接空冷具有低背压、抗大风能力强的优点。翟志强[1，2]等分析了横风对自然通风干式冷却塔的内外空气流场；赵振国[3]通过风洞试验研究了改善大风天气对混合式间接空冷机组空冷塔不利影响的方法；石磊[4，5]等研究分析了间接空冷塔的空气流场和散热器的传热性能；黄春花[6]等通过冷态试验和计算对间接空冷塔的热力性能进行了分析研究；杨立军[7]等对间接空冷系统空冷散热器的运行特性进行了数值模拟。

利用冷却塔的热空气能抬升脱硫后的烟气，烟塔合一在实际应用中体现出明显的优势[8-11]。将脱硫塔、湿式除尘器和烟囱布置在间接空冷机组的空冷塔内，构建四塔合一式冷却塔，能有效减少电厂占地面积，节省基建成本。

自然通风冷却塔的换热性能受到环境温度、机组负荷、百叶窗开度、自然风速和风向的影响，并受到散热器的迎面风速和空冷塔通风量的影响。采用FLUENT软件，通过数值模拟，在变工况条件下，分析了四塔合一式空冷塔的通风换热情况。

1 空冷塔模型

1.1 物理模型

以某2×660 MW超超临界间接空冷机组的四塔合一空冷塔为模型，脱硫吸收塔、烟囱和湿式除尘器布置在间冷塔的空地上。散热器在塔外垂直布置。空冷塔的结构参数，如表1所示。

表1 空冷塔基本参数

1.2 数值模型

空冷塔空气流场的换热方程，由连续性方程、动量方程、能量方程、k方程与ε方程等组成，方程的通用形式为：

式（1）中：ρ为密度；uj为xj方向的速度分量；φ为通用变量，可以表示u，v，ω，T等求解变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。

采用多孔介质代替散热器翅片管束。在多孔介质模型中，将流过模型时的流动阻力作为动量控制方程的源项，主要由黏性损失和惯性损失组成[12]。对于各项同性介质，动量方程的源项为：

式（2）中：Si为动量方程的源项；μ为动力黏度；ρ为流体密度；vj为j方向的速度；vmag为速度大小。α为渗透率；C2为惯性阻力系数。

根据空冷散热器的进出口压差与迎面风速u的经验公式[13]，结合实验数据，得到散热器压降与速度的关系式：

烟气的排放过程用离散相计算，考虑烟气扩散时与塔内空气的换热形式为混合换热。

计算自然风的风速，是用幂指数风速廓线计算公式编写的UDF函数，迎风面的风速分布为：式（4）中：u0为距地面10 m高度的风速，y为所求点的高度。

数值模型与物理模型体积比为1∶1，计算域为边长500 m的立方体。边界条件为：迎风面为速度入口，地面和塔筒为壁面，其他面为压力出口。利用GAMBIT软件生成网格，通过计算验证，网格数大于80万，对计算冷却塔通风量的影响小于0.5%，网格数大于140万，通风量的变化幅度变小，最终确定网格数为132万。建立的数值模型，如图1～图3所示。塔内各设备参数及外形尺寸，如表2所示。

图1是作为对比的原始模型，图2和图3为卧式模型和立式模型。原始模型是传统的自然通风冷却塔，卧式模型和立式模型为四塔合一式冷却塔。卧式模型是将烟囱、除尘器和脱硫塔放在塔内，分开布置；立式模型是将烟囱、除尘器和脱硫塔组合成一体后，在塔内放置。

图1 原始模型

图2 卧式模型

图3 立式模型

表2 塔内设备参数（m）

2 计算结果分析

2.1 负荷变化对空冷塔换热的影响

以夏季TRL工况为机组运行状态，环境温度为32℃，压力为85.9 kPa，相对湿度为0.55，无自然风，不考虑烟囱的排烟损失。

在定义额定工况下，空冷塔的热负荷为Q，散热器迎面风速随空冷塔热负荷增大的变化曲线，如图4所示。对于原始模型，热负荷从0.5Q到Q，散热器的迎面风速从1.76 m/s增大至2.23 m/s，增大27%，卧式模型和立式模型分别增大25%、26%。由图4可知，随热负荷增大，三种冷却塔模型的散热器迎面风速都呈线性增大。这是因为负荷增大，提高了散热器与周围空气的对流换热速度，使空气流动速度加快。

图4 散热器迎面风速随热负荷变化曲线

2.2 温度变化对空冷塔换热的影响分析

研究工况为机组在额定负荷下，不考虑烟囱的排烟损失，无自然风。

图5为散热器的迎面风速随温度升高的变化曲线。环境温度直接影响空冷塔散热器的迎面风速，从冬季平均温度零下6℃到额定温度15℃和TRL工况温度32℃，三种模型的散热器迎面风速随温度升高而下降的趋势和幅度基本相同。当环境温度从低温到高温，原始模型的迎面风速下降6.5%，卧式模型的迎面风速下降6.7%，立式模型的迎面风速下降6.4%。这是由于环境温度升高削弱了周围空气与散热器的对流传热，空气受到的热浮升力变小，从而使散热器迎面风速降低。

图5 散热器迎面风速随温度变化曲线

2.3 排烟对空冷塔换热的影响分析

研究工况为夏季TRL工况，环境温度为32℃，压力为859 hPa，相对湿度为0.55，无自然风。

图6为烟囱排烟时空冷塔内烟气和空气的运动迹线。空气进入冷却塔后，向上运动，未接触到塔内设备。在扩散效应下，烟气与周围的空气掺混后加速向上运动。

图6 塔内烟气和空气的运动迹线

表3为烟囱排烟和不排烟时空冷塔的通风换热情况。计算结果表明，当烟囱排烟时，卧式模型空冷塔通风量增大0.12%，立式模型空冷塔通风量增大0.3%。由此可知，由烟囱排烟引起冷却塔通风量和散热器迎面风速的变化非常小，可忽略不计。

表3 烟囱排烟时冷却塔通风换热量

2.4 自然风速对空冷塔换热的影响分析

研究工况为夏季TRL工况，环境温度为32℃，压力为85.9 kPa，相对湿度为0.55，不考虑烟囱排烟，有自然风。

在TRL工况下，当自然风风速为4 m/s、8 m/s时，三种空冷塔模型空气温度的分布情况，如图7、图8所示。有自然风时，空冷塔出口的空气流动迹线均发生偏转，且风速越大，偏转角度越大。当自然风速为8 m/s时，在原始模型和立式模型空冷塔中，可以明显地发现，有自然风穿透散热器的现象。随风速增大，塔内空气温度不再均匀分布，原始模型高温空气向背风面偏移，卧式模型和立式模型的部分高温空气由背风面转移到迎风面。

图7 风速4 m/s时Z=0截面温度云图/K

图8 风速8 m/s时Z=0截面温度云图/K

空冷塔通风量随风速变化的曲线，如图9所示。随风速增大，三种空冷塔模型通风量下降趋势相同。风速小于6 m/s时，塔内设备对空冷塔的通风量影响较小；风速大于6 m/s时，塔内设备使空冷塔通风量增大。当风速为8m/s时，相对于原始模型，卧式模型冷却塔通风量增大了4.7%；风速达到12 m/s后，相对于原始模型，卧式模型和立式模型冷却塔的通风量，分别增大了11.4%、9.5%。

图9 冷塔通风量随风速变化曲线

2.5 风向变化对空冷塔换热的影响分析

对于原始模型和立式模型，空冷塔为左右对称布置，现主要针对卧式模型进行分析。

在TRL工况下，当自然风速为4 m/s时，且为反向来风，卧式模型空冷塔散热器中间截面的速度分布对比，如图10所示。空气对塔筒绕流形成的高速气流区集中于塔的两侧，且高速气流的区域面积基本相同。左侧来风时，空冷塔的通风量为38 998 kg/s，右侧来风时，空冷塔的通风量为39 049 kg/s。风向改变后，进入塔内的空气很快受到塔内设备的阻挡和扰动，空气向上抬升和分流，塔内出现漩涡的面积减小，使空冷塔的通风量略微增加。

图10 风速4 m/s时散热器中间截面速度分布

2.6 百叶窗角度对空冷塔换热的影响分析

进行数值模拟时，通过控制多孔介质孔隙率表示百叶窗的开度变化。为准确反映各区域百叶窗的开度，将空冷塔散热器区域分为四个扇区，分别调节各区的通风量。空冷塔散热器分为前后左右四个扇区，如图11所示。

图11 空冷塔散热器扇区俯视图

计算方案和结果，如表4所示。在TRL工况下，当自然风速为8 m/s时，对于卧式模型，调节百叶窗开度使空冷塔通风量较调节前提高10.7%。对于立式模型，调节百叶窗开度使空冷塔通风量较调节前提高13.5%。通过分析可知，在大风天气，通过调节百叶窗开度，可显著提高空冷塔的通风量。

表4 百叶窗角度调节方案

3 结 语

以660 MW机组四合一间接空冷塔为例，在变工况条件下，分析了热负荷、环境温度、烟囱排烟、自然风速风向及百叶窗开度对四塔合一式空冷塔换热性能的影响。

（1）对于四塔合一式冷却塔，当负荷增大，散热器迎面风速提高；随着环境温度升高，散热器的迎面风速降低。四塔合一式空冷塔与传统自然通风冷却塔换热性能的变化情况基本相同。因烟囱排烟，引起四塔合一式空冷塔通风量的变化不超过0.3%，对空冷塔换热性能的影响可以忽略不计。

（2）当自然风速大于8 m/s，四塔合一式空冷塔通风量明显大于原始空冷塔。塔内设备起到了挡风墙的作用，对于卧式模型而言，这种现象更为明显，可使空冷塔的通风量至少增大4.7%。

（3）随着风向的改变，空气进入空冷塔后受阻挡的程度不同，使空冷塔的通风量有微小变化。在大风天气，通过调节百叶窗的开度，可以显著提高四塔合一式空冷塔的通风量。

[1]翟志强，朱克勤，符松.横向风对自然通风干式冷却塔空气流场影响的模型实验研究[J].实验力学，1997，12（2）：306-311.

[2]唐革风，苏铭德，符松.横向风影响下空冷塔内外流场的数值研究[J].空气动力学学报，1997（3）：328-336.

[3]赵振国，石金玲，魏庆鼎.自然风对空冷塔的不利影响及其改善措施[J].应用科学学报，1998，16（1）：112-120.

[4]石磊，石诚，汤东升.间接空冷散热器及空冷钢塔流动和传热数值研究[J].华东电力，2014，40（4）：663-666.

[5]刘志云，王栋，林宗虎.侧向风对自然通风直接空冷塔性能影响的数值分析[J].动力工程，2008，28（6）：915-919.

[6]黄春花，赵顺安.间接空冷阻力特性试验研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2011，9（3）：195-199.

[7]杨立军，贾思宁，卜永东.电站间冷系统空冷散热器翅片管束流动传热性能的数值研究[J].中国电机工程学报，2012，32（32）：50-56.

[8]郭华涛，程兴奇.利用冷却塔排放烟气的研究与探讨.环境工程2003（12）：36-38.

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[11]王佩璋.烟塔合一技术在间接空冷发电机组中的应用[J].发电设备，2008，22（5）：424-426.

[12]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

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Numerical Research on Changing Operation of 660MW unit of Four in One Type Indirect Air Cooled Tower

ZHOU Er-qi，CHEN Long，HOU Yan-feng
（School of Energy and Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，Hebei，China）

The four in one type air cooling tower is composed of desulfurization tower，wet precipitator，chimney and original tower.Use a four in one typeindirect air cooled tower of a 2×660 MW unit as research model，the influences of temperature，thermal load，natural wind speed，wind direction，angle of louvers upon the heat transfer of the tower were investigated under the condition of variable working condition through CFD simulation.The results show that adjusting the angle of louvers on the wind side can obviously increase the ventilation of the four in one type air cooling tower.

indirect air cooling；cooling tower；simulation；temperature；load；natural wind；louver；ventilation

TK264 61+1

A

1672-0210（2016）02-0004-05

2015-11-30

2015-12-23

周二奇（1988-），男，研究生，从事间接空冷机组节能技术方面的研究工作。