改善间接空冷塔传热性能的方案与研究

黄　俊

0　概述

在我国“三北”地区，为了解决富煤缺水的矛盾，空冷发电机组得到了广泛应用［1］。然而，“三北”地区常年多风，影响了空冷塔的流动传热性能，夏季尤为严重［2-3］。有关研究表明，当环境风的风速为5～15 m/s时，对空冷塔性能的影响效果分别相当于环境温度升高2～14℃［4］。空冷塔流动传热性能的下降，将导致汽轮机背压升高，直接影响机组的安全经济性［5-6］。因此，采取相应的改善措施，削弱环境风对空冷塔流动传热性能的影响，对于提高空冷机组运行水平具有重要意义。

国内外诸多学者对空冷塔进行了广泛而深入研究，为间接空冷机组的发展奠定了很好的基础。在设计方面，Goodarzi、杨立军等［7-8］对空冷塔的结构参数进行了优化分析，以提高空冷塔的流动传热性能。Du Preez、张艾萍等［9-10］则提出了不同的挡风墙布置方案，以削弱环境风对空冷塔流动传热性能的影响。

现以某660 MW SCAL型间接空冷塔为研究对象，利用Fluent软件，模似了环境风条件下的空冷塔流场，探讨了外围挡风墙、翅墙、十字墙挡风墙的布置方案。根据模似计算结果，可优化挡风墙的布置，以削弱环境风对空冷塔流动传热性能的影响。

1　数值计算方法

利用Gambit软件，创建空冷塔的几何模型。建立的空冷塔模型，如图1所示。因散热器的结构较为复杂，将散热器简化为圆环柱体。散热器被划分为24个扇区，并从X正方向沿逆时针进行编号。对扇区划分网格，经网格无关性验证后，将网格数确定为310万。

图1　间接空冷塔的几何模型

采用Fluent软件中的多孔介质代替散热器，将流动阻力作为动量方程的源项，表达式为［5］:

式(1)中:Si为动量方程附加的源项;vi为i方向的速度;vmag为速度大小;μ为黏性系数;ρ为密度;1/α为黏性阻力系数;C2为惯性阻力系数。

根据实验数据，得到散热器流动阻力与迎面速度之间的关系式:

核查当地的气象资料后，拟定了风速变化曲线，如图2所示。由图2可知，该机组当地全年平均环境风的风速，约为5.5 m/s。夏季和冬季的风速较大。因此，以夏季TRL工况为机组运行状态，进口采用5.5 m/s的velocity－inlet边界条件，利用幂指数函数计算不同高度的风速，编写成UDF导入Fluent软件中。风速的计算公式为:

图2　厂区不同高度处的月平均风速

式(3)中:v0为距地面10 m高处的环境风风速。

2　计算结果及分析

当环境风为5.5 m/s时，空冷塔的流场分布，如图3所示。由图3可知，当环境风绕流空冷塔时，将在塔附近形成两股高速绕流。环境风流经进风口的迎风侧散热器后，仍有较大的风速，并在塔内继续向塔后流动，冲击背风侧区域内的进风。环境风在塔内的底部积聚，形成两股对称漩涡。因迎风侧的通风量大，背风侧的通风量小，将对塔内的上升气流产生影响，使气流中心向塔后侧偏移，并在塔的前侧区域形成漩涡，出现热风回流，加上环境风的吹压作用，在塔出口处，羽流区向塔后偏转，形成了“风帽”结构。

图3　5.5 m/s环境风风速下空冷塔流场

图4　空冷塔散热器通风量分布趋势

当环境风为5.5 m/s时，空冷塔通风量不再沿周向均匀分布，如图4所示。从图4可知，迎风侧的通风量大幅增加，而塔侧区域的通风量大幅减少，背风侧的通风量也小幅减少。由热平衡方式可知，空冷塔换热量具有相同的分布趋势。因此，背风侧和塔侧区域内的散热器冷却管束，将得不到及时冷却，极易发生管束的超温现象。

当环境风的风速为5.5 m/s时，对空冷塔流动传热性能的影响，如表1所示。由表1可知，相比于无风状态，环境风为5.5 m/s时的空冷塔流动传热性能明显变差，通风量减少了27.93%，换热量减少了19.95%。此时的环境风，严重影响了间接空冷机组的运行。

表1　环境风对空冷塔流动传热性能的影响

因此，应设法削弱环境风对空冷塔的影响，并对空冷塔进行改造。增加空冷塔通风量和换热量，改善空冷塔通风沿周向分布的不均匀性，才能提高空冷塔的流动传热性能。

综上，模糊粒子滤波算法基本流程如图1 所示。首先对原始视频帧图像进行HSrg 转换，对HSrg 模式下的图形进行模糊处理，对每个通道模糊化后的图像中值滤波使被识别目标特征更为明显。随后，处理后的结果去模糊化处理，传递到粒子滤波器，实现对被追踪目标的识别。

3　挡风墙布置方案

空冷塔挡风墙的布置方案，是尽可能增加空冷塔的通风量和散热量。同时，提升通风量分布在周向上的均匀性。针对空冷塔的流场特点，分别研究了3种机理不同的布置方案，并对各方案参数进行了优化，以期得到较佳的布置方案。

3.1　外围挡风墙

为了降低进入空冷塔的环境风风速，均匀分布通风量，在迎风侧，布置了弧形外围挡风墙。外围挡风墙的布置方案，如图5所示。

图5　外围挡风墙的布置

在冷却塔前，布置了高度h为31.9 m(与进风口齐平)、弧度θ为120°、与散热器的距离d为30 m的外围挡风墙。空冷塔的流场分布，如图6所示。此时，由于挡风墙的存在，空冷塔的流场分布得到明显改善。迎风侧的环境风在进入散热器之前，受到外围挡风墙的阻碍，风速被降低，流入空冷塔后，对背风侧进风的冲击作用也被减弱，降低了塔内底部的漩涡强度，气流不会在塔内底部积聚，而是在浮升力的作用下，上升后流出空冷塔。因为减小了迎风侧和背风侧通风量的相差幅度，减缓了塔内上升气流向塔后侧偏移的趋势，所以，羽流区向塔后偏转的幅度也被减弱。

图6　布置外围挡风墙后空冷塔的流场分布

布置外围挡风墙后，空冷塔通风量和换热量沿周向分布的不均匀性得到明显改善，降低了散热器冷却管束发生超温现象的可能性。计算数据表明，布置外围挡风墙后，空冷塔通风量增加了3.81%，换热量增加了8.67%。布置外围挡风墙后，可提高空冷塔的流动传热性能。冷却塔布置外围挡风墙前后的传热性能曲线，如图7所示。

图7　布置外围挡风墙前后的空冷塔传热性能曲线

3.2　十字挡风墙

为削弱环境风在空冷塔迎风侧、塔侧、背风侧区域之间的相互影响，在塔内底部，布置了十字挡风墙。十字挡风墙的布置方案，如图8所示。

图8　十字挡风墙的布置

在塔内底部，布置高度h为31.9 m(与进风口齐平)、半径r为65.65 m(与进风口外部半径相同)、与风向夹角θ为0°的十字挡风墙，此时的空冷塔流场，如图9所示。环境风由迎风侧进入空冷塔后，受到十字挡风墙的阻碍，不影响背风侧、塔侧区域的进风，塔内底部的漩涡结构被破坏，气流上升后流出空冷塔。在塔内的中上部，由于迎风侧的气流流量仍大于背风侧，上升气流中心向塔后侧偏移的幅度并没有得到明显减小。

图9　布置十字挡风墙后空冷塔的流场分布

布置十字挡风墙前后空冷塔的通风量和换热量的周向分布趋势，如图10所示。

图10　布置十字挡风墙前后的空冷塔流动传热性能

由图10可知，布置十字挡风墙后，空冷塔通风量和换热量沿周向分布的不均匀性并没有得到明显降低。但计算数据显示，布置十字挡风墙后，空冷塔的通风量增加了3.94%，换热量增加了3.81%。因此，布置十字挡风墙，对于提高空冷塔的流动传热性能，具有一定的作用。

3.3　翅墙

为削弱散热器周围环境风的绕流强度，提高环境风进入散热器之前沿周向分布的均匀性，在散热器的外围，布置了若干片翅墙，翅墙的布置方案，如图11所示。

图11　翅墙安装示意图

在塔内底部，布置高度h为31.9 m(与进风口齐平)、宽度d为30 m的翅墙，共20片。此时，空冷塔的流场分布，如图12所示。从图12可知，空冷塔的流场分布状态得到明显改善。绕流的环境风经过每片翅墙时，都会在翅墙的导流作用下，分流出一部分气流，流入空冷塔。这样，沿着环境风流动方向，绕流的风量在逐渐减少，气流速度也在降低。由于绕流的作用，在空冷塔背风侧形成的漩涡强度，在明显减弱，所占面积也在减少。

图12　布置翅墙后空冷塔的流场分布

布置翅墙后，明显改善了空冷塔通风量沿周向的分布状态，增加了背风侧和塔侧区域的通风量，迎风侧通风量有一定幅度的减小。根据热平衡可知，空冷塔换热量具有相同的分布趋势。迎风侧通风量的减少，是因为增加了背风侧和塔侧区域通风量，导致塔内底部的漩涡向迎风侧移动，增加了迎风侧的进风阻力。布置翅墙前后空冷塔的流动传热性能，如图13所示。

图13　布置翅墙前后空冷塔的流动传热性能

计算数据表明，与原始流场相比，布置翅墙后，空冷塔通风量增加了 12.43%，换热量增加了16.57%，空冷塔的流动传热性能得到显著提高。

4　结语

以某660 MW SCAL型间接空冷塔为研究对象，采用数值模拟的方法，分别探讨了外围挡风墙、翅墙、十字墙3种挡风墙的布置方案。增加挡风墙后，可改善空冷塔的流动传热性能。

(1)受环境风的影响，空冷塔通风量和换热量被大幅减少，并且不再沿周向均匀分布，其流动传热性能明显变差。

(2)对于外围挡风墙、十字挡风墙、翅墙3种布置方案，因为挡风的机理不同，所以，改善空冷塔流动传热性能的效果各有差异。当环境风风速为5.5 m/s时，翅墙的改善效果最好，为16.57%，外围挡风墙次之，为8.67%，十字挡风墙的改善效果较弱，仅为 3.81%。

参考文献:

［1］王卫良，倪维斗，王哲.间接空冷塔受侧风影响研究综述［J］.中国电机工程学报，2015，35(4):882-890.

［2］Lu Y，Guan Z，Gurgenci H，Zou Z，et al.Windbreak walls reverse the negative effect of crosswind in short natural draft dry cooling towers into a performance enhancement［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2013(63):162-170.

［3］马欢，司风琪，李岚.间接空冷塔部分冷却扇段关闭热力特性的数值研究［J］.中国电机工程学报，2015，(35)18:4682-4689.

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［5］李岚，马欢，司风琪.SCAL型间接空冷塔动态特性研究［J］.动力工程学报，2015，35(2):153-159.

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［7］Goodarzi M.A proposed stack configuration for dry cooling tower to improve cooling efficiency under crosswind［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2010，98(12):858-863.

［8］杨立军，张凯峰，杜小泽.空冷凝汽器椭圆翅片椭圆管束外空气的流动与传热特性［J］.动力工程，2008，28(6):911-914.

［9］Du Preez A F，Kroger D G.Effect of wind performance on a dry cooling tower［J］.Heat Recovery System CHP，1993，13(2):139-146.

［10］张艾萍，卢贺，毕帅.挡风墙对小型间接空冷塔性能影响的数值模拟［J］.热力发电，2015，44(3):104-108.