热电厂排烟冷却塔塔型对烟气扩散影响研究

马 喆，李志强，张晓旭，张丽娜

(1.天津市环境保护科学研究院 天津300191；2.天津市大气污染防治重点实验室 天津300191)

0 引 言

“烟塔合一”技术是将锅炉产生的烟气通过自然通风冷却塔排放至大气的技术。其原理是将电站锅炉产生的烟气，通过管道进入冷却塔，在冷却塔淋水面上方排出，跟随冷却塔中的上升气流进入大气，并利用水蒸气在外环境释放的潜热进行抬升，从而实现烟气中污染物扩散的工程方式。2004年，天津东北郊热电厂选址受天津滨海国际机场净空限高的制约，成为我国第一个烟塔合一排烟方式设计的热电厂；2007年军粮城热电厂五期也由于机场限高的原因成为采用烟塔合一排烟方式的扩建电厂；2010年天津北塘热电厂和天津南疆热电厂受天津滨海新区景观要求的影响，也都采用了烟塔合一排放模式。然而，烟塔合一排烟方式并非是环保的电厂烟气排放方式，烟塔合一方式存在着烟气下洗、雾滴带泥、酸沉降等问题。尤其是冷却塔周边是否存在大气污染物超标，超标的范围有多大成为建设项目环境影响评价和周边居民重点关注的环境问题。

为了解复杂区域内流场特征，科研工作者从20世纪60年代就开始了探索研究，并开创了结构风工程学科。经过数十年的发展，其研究方法包括了理论分析、实地勘测、风洞实验以及数值模拟技术[1]。其中以计算流体动力学为核心的数值模拟技术在建筑、桥梁、汽车、航空航天及环保等领域均有着广泛的应用[2-4]，其理论也日趋成熟。尤其是将数值风洞模拟技术应用于复杂地形上的污染扩散及风结构模拟，许多学者已经从不同角度展开研究，并取得了丰硕的成果[5-9]。

与传统模型方法相比，数值风洞具有如下优点：①试验周期短，费用低。在计算机上可以方便地修改各种参数，研究不同方案下的试验模型结果，优化设计方案。②可以方便地利用实测数据，设置求解参数或边界条件。③不受风洞试验中的相似律等问题困扰，具有模拟真实和理想条件的能力，便于进行理论模型实验。④试验数据充足，图形可视。⑤模型不受测点数目及布置部位的限制，可以完整地获取风压分布图、流场流速分布图、流线图。

本研究针对近年来环保领域烟塔合一排放方式的排放特征，以国内现有典型12座热电厂排烟冷却塔为研究对象，采用数值风洞模型的方法，重点描述冷却塔下风向压力场、流场及湍流强度场的一般规律，并总结不同冷却塔塔型对排烟冷却塔下风向空腔区的影响规律。

1 材料与方法

1.1 研究对象

课题选取华电江陵发电厂、国电朝阳热电厂等12个电厂冷却塔作为数值风洞模型空腔区模拟研究对象。热电厂烟塔合一排放烟气的参数见表1。

表1 烟塔合一排放参数表Tab.1 Parameters of smoke tower

1.2 物理模型及计算方法

本研究以计算流体力学、热力学理论为基础，构建大气边界层、建构筑物、热交换、污染物状态数值风洞模型。

数值风洞是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称为CFD)技术与数据可视化技术、网络技术、数据库技术相结合的产物。前置几何处理及CFD求解器、CFD数据可视化、图形用户界面以及相关的网络通信和数据库是数值风洞软件系统的核心技术。数值风洞技术已经成为科学研究和工程实践中的一个不可或缺的工具，采用数值风洞技术可以在很大程度上避免理论和实验的困难与缺陷。数值风洞模拟包括数值计算方法、计算网格生成、湍流模型等内容。目前主要的数值模拟方法可分为：有限差分法、有限元法、有限体积法和涡方法。有限体积法物理意义明确，能够保证离散方程的守恒特性，同时继承了有限差分和有限体积法的优点，在数值风洞的商用软件中应用最为广泛。网格生成可采用结构网格和非结构网格，非结构网格具有构造方便、自适应能力强等特点，对计算域局部网格加密有较好的表现。

1.2.1 连续性方程

连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表述形式。它的前提是对流体采用连续介质模型，速度和密度都是空间坐标及时间的连续、可微函数。

对于三维不定常流，用 x、y、z表示空间直角坐标，用 u、v、w 作为质点的速度 U 的分量，ρ是流体的密度，则具体数学表达式如下：

1.2.2 三维N-S方程

三维 N-S方程实质上是微分形式的动量方程，见式(2)～(4)。对任一流动系统而言均遵循动量定理，即微元系统内流体的动量随时间的变化率等于作用在该微元系统上所有外力之和。该定律实际上是牛顿第二定律。

式中：fx、fy、fz分别为质量力的分量，N/m2；p 为大气压力，Pa。

1.2.3 湍流方程

在实际工程湍流计算中 k-ε二方程模型应用最广，本次研究以 k-ε二方程模型为主。k-ε二方程模型中的k指单位质量流量的湍流脉动动能，ε指脉动动能的耗散率。在引入一些假设后，由N-S方程推得的k-ε方程如下：

式中：k为湍流动能；i为自由指标；μ为动力粘性系数；ε为湍流中单位质量流体脉动动能的耗散率；σk为湍动能的湍流普朗特数，取1.0；C1ε、C2ε、C3ε均为模型常量；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；Gb为由于浮力影响而引起的湍流动能；YM为在可压缩湍流中脉动膨胀对总耗散的影响；μt为湍流粘性系数(流体力学的公式中一般变量均为无量纲，下同)。

k-ε流动方程的湍流普朗特数表示在气体里动量的分子扩散系数与热量的分子扩散系数的比值。

1.2.4 热传质方程

热传质是由于温度差所引起的能量传递过程，以及因物质组分浓度差异而伴随发生的物质迁移现象。热传质是以导热、对流传热和辐射传热为传递过程的基本形式及建立经典理论框架的基本内涵，加上基本形式的耦合及其与各种基本原理和应用深层交叉融和衍生的传递现象。

能量方程的形式为：

式中：E为单位质量流体的存储能；P为静压；T为温度；hj为组分j所占的比例；uj为速度；(τij)eff为有效的切应力张量；uj(τij)eff为耗散功；keff为有效热传导系数；Jj为组分j的扩散流量；Sh为化学反应热以及其他定义的体积热源项。该方程右边前3项分别描述了热传导、组分扩散和黏性耗散带来的能量运输。

1.3 数值风洞模型的建立

利用 Fluent前置软件 Gambit建立三维预测模型，划分网格并设置基本边界条件，建立电厂排烟冷却塔三维数值风洞模型，网格划分以5,m为步长。

1.4 计算情景方案

为研究不同塔型对冷却塔下风向空腔区范围的影响，各空腔区模拟模型选取相同的气象参数，风速取20,m/s，风廓线指数取0.15。环境温度设置为25,℃，温度层结按每升高1,000,m温度下降6,℃计，环境相对湿度为80%,。

2 计算结果的分析

2.1 电厂排烟冷却塔周边流场模拟

为研究电厂排烟冷却塔下风向流场分布规律，以安庆电厂冷却塔作为冷却塔下风向流场分析研究对象。将冷却塔划分为迎风面、侧面和背风面 3部分。由数值风洞对冷却塔表面压力场模拟可以看出：在冷却塔迎风面上呈正压分布，冷却塔侧面呈负压分布，冷却塔背风面喉部以下呈正压分布，但冷却塔口附近出现左右不对称的两个负压区域，见图1。

图1 压力场分布结果(风速10,m/s)单位(Pa)Fig.1 Distribution of pressure field(wind velocity：10,m/s)Unit：Pa

结合大气流场分析可以发现，冷却塔口处两个负压区域中流场为旋流场，左侧旋流逆时针旋转，右侧旋流顺时针旋转。因此当烟气从冷却塔口排放后，位于冷却塔中心区域的烟气向上运动，冷却塔口两侧边缘的烟气在流场带动下向下运动，从而引起烟气下洗。负压旋流场随着距离的增加而逐渐减弱，至冷却塔下风向300,m左右区域逐渐消失，见图2。

图2 速度矢量流场分布(风速10,m/s)Fig.2 Distribution of velocity vector field(wind velocity：10,m/s)

2.2 冷却塔下风向空腔区模拟结果

所谓“空腔区”是指当流体流过钝头物体(非流线体)时，在物体的下游边界处会发生流动分离现象，背风侧的分离区中会出现低压区。由于冷却塔的形状不同，空腔区的大小也不尽相同，基本特征为冷却塔的高度决定空腔区的高度，冷却塔的宽度决定空腔区的宽度，空腔区的长度则由冷却塔的高度和内径的比例决定，因此冷却塔的外形曲线对空腔区的范围影响也较大。

通过计算冷却塔下风向一定范围内的湍流强度分布，以湍流强度分布结果确定冷却塔下风向空腔区的范围。以安庆电厂冷却塔下风向湍流强度场分布结果为例，进行说明，见图3。安庆电厂下风向空腔区高 240,m，其长度和宽度随高度变化，冷却塔上部区域(180,m 高)空腔区长度达到最大值为 460,m，宽度为 140,m；随后空腔区长度随高度降低而变短，在冷却塔中部区域(110,m 高)达到最小值为 320,m，宽度为 140,m；冷却塔下部区域(50,m 高度)空腔区长度为 500,m，宽度为 240,m；近地面区域(10,m 高度)空腔区长度为600,m，宽度为280,m。

图3 空腔区分布图(风速10,m/s)Fig.3 Distribution of cavity(wind velocity：10,m/s)

2.3 不同冷却塔型排烟冷却塔下风向空腔区分布结果分析

如表2所示，选取华电江陵发电厂、国电朝阳热电厂等12个电厂冷却塔作为数值风洞模型空腔区模拟研究对象，对不同类型冷却塔空腔区进行模拟。模拟结果显示，冷却塔下风向空腔区高度为1.22～1.46,H(H 为冷却塔高度)，上部空腔区宽度为 0.83～1.45,d(d为冷却塔出口直径)，下部空腔区宽度为 2.59～4.40,D(D为冷却塔底部直径)。

表2 空腔区分布结果Tab.2 Distribution of cavity

本次研究中华电江陵发电厂、国电朝阳热电厂等12个电厂冷却塔塔高和出口直径之比分布在 1.71～2.98之间，按塔高和出口直径之比可大致分为细长型冷却塔和粗短型冷却塔。

其中塔高和出口直径之比＞2.0的冷却塔为细长型冷却塔，其代表为国电朝阳热电厂冷却塔、大唐沈东电厂冷却塔、三河电厂冷却塔等；塔高和出口直径之比＜2.0的冷却塔为粗短型冷却塔，其代表为正宁电厂冷却塔、京能盛乐电厂冷却塔、华能西宁热电冷却塔等。

粗短型冷却塔上部空腔区最大长度为 590～1,000,m，约 3.60～5.23,H(H 为塔高)，在冷却塔中部空腔区长度有所减小，中部空腔区长度为 400～670,m，约 2.25～3.81,H；细长型冷却塔上部和中部空腔区长度范围为 280～450,m，上部空腔区长度约为1.92～2.77,H，中部空腔区约为 1.69～3.69,H，明显小于粗短型冷却塔。

3 结论与展望

①根据模拟结果冷却塔口下风向附近出现左右不对称的 2个负压区域，结合大气流场分析可以发现，冷却塔口处两个负压区域中流场为旋流场，左侧旋流逆时针旋转，右侧旋流顺时针旋转。因此当烟气从冷却塔口排放后，位于冷却塔中心区域的烟气向上运动，冷却塔口两侧边缘的烟气在流场带动下向下运动，从而引起烟气下洗。

②冷却塔下风向空腔区范围与冷却塔塔型密切相关，以华电江陵发电厂、国电朝阳热电厂等 12 个电厂冷却塔作为数值风洞模型空腔区模拟研究对象，模拟结果显示，冷却塔下风向空腔区高度为 1.22～1.46,H(H为冷却塔高度)，上部空腔区宽度为 0.83～1.45,d(d为冷却塔出口直径)，下部空腔区宽度为2.59～4.40,D(D 为冷却塔底部直径)。细长型冷却塔空腔区长度比例范围明显小于粗短型冷却塔。

③研究结果与应用实践证明，数值风洞模型的预测结果可以准确地描述冷却塔下风向压力场、流速场和湍流强度场分布场情形，并可以直观、形象地对排烟冷却塔下风向空腔区范围进行表现，为建立大气污染预测的新模式提供了新的思路。