周围建筑物对660 MW SCAL型间冷塔传热性能的影响

2019-10-08李慧君杨长根

发电设备 2019年5期

李慧君，杨长根

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

间接空冷塔(简称间冷塔)作为火电厂一种冷端设备，在我国北方地区得到广泛应用，如阳城电厂二期工程2台600 MW机组表面凝汽式间接空冷系统[1]；然而北方地区常年多风，严重影响了间冷塔的传热性能，夏季尤为严重[2-3]。近年来越来越多学者对环境风下间冷塔的传热特性进行过深入研究。

黄春花等[4]利用风洞模型通过实验研究了环境侧风对空冷塔的影响机理；杨立军等[5]对空冷塔的结构参数进行优化分析；王蓝婧等[6]研究并指出考虑厂房影响后，空冷塔的通风质量流量和传热量基本不变，但沿周向分布的不均匀性增大；韦红旗等[7]对SCAL型间冷塔分扇区配水防风方案进行了研究；柴艳琴等[8]对SCAL型间冷塔内外流场进行了分析研究；赵元宾等[9-11]通过分析了单个冷却柱和环境风对间冷塔传热性能的不利影响并对塔外布置导流板进行了研究；YANG L J等[12]利用计算流体力学(CFD)软件研究了不同风速下间冷塔内外的流场分布；KONG Y Q等[13]研究了间冷塔散热器不同布置方案对其传热性能的影响。

由于目前多采用FlUENT软件中多孔介质模型对环境风下间冷塔传热性能及流场优化进行研究，而针对周围建筑物存在对间冷塔传热性能影响的研究却比较少。笔者以660 MW SCAL型间冷塔为研究对象，在夏季最不利的气象条件下，利用FlUENT软件传热器中简单效能模型来研究周围建筑物对间冷塔传热性能的影响。

1 数值模型

1.1 几何模型

该660 MW SCAL型间冷塔及其相应设备结构尺寸见表1。

表1 间冷塔及其相应设备结构尺寸

将散热器分为24个扇区(S1～S24)，其中S7、S18扇区分别由5个冷却三角组成，其他扇区均由6个冷却三角组成，散热器扇区分布见图1。间冷塔散热器局部见图2。为了使模拟结果尽量接近实际情况，选取的计算域为500 m×500 m×500 m(X×Y×Z)。间冷塔周围建筑物分布见图3(B1～B9均为建筑物)。

图1 散热器扇区分布示意图

图3 间冷塔周围建筑物分布示意图

1.2 网格划分及边界条件设置

为提高计算精度，散热器均采用结构化六面体网格，其余流体区域均采用高质量的混合网格。在环境风速为5.5 m/s且塔周围无建筑物时对网格进行无关性验证。取网格数为257万、335万和421万进行数值计算，间冷塔出口质量流量偏差小于2.6%，符合工程实际要求。最终确定塔周围有无建筑物时网格总数为374万和335万。边界条件设置：无风时塔四周设置为pressure-in，塔顶部设置为pressure-out；有风时迎风面设置为velocity-inlet，背风面设置为outflow。

该间接空冷机组大风期常常出现在夏季且风向沿X轴负向。间冷塔迎风面不同高度处风速u变化常采用幂指数函数，其表达式为：

(1)

式中：u10为塔进口高度10 m处风速(环境风速)，m/s；z为塔进口不同高度，m。

1.3 计算模型

利用简单效能模型来模拟空气与散热器中循环水的传热过程。在传热器模型中，传热器核心区域的流体沿着水流动方向被分割成许多微型macro。对于单个冷却柱，水的流动方向和微型macro分布见图4。

图4 水的流动方向和macro分布

单个macro的传热量qmacro是该macro所包含的单个网格单元传热量qcell计算得到的传热量总和，其计算式为：

qmacro=∑qcell

(2)

传热器区域总传热量qtotal为：

qtotal=∑qmacro

(3)

1.4 模型验证

夏季最不利工况下间冷塔设计参数见表2。利用该参数进行数值模拟计算得到通风质量流量和出口水温的相对误差分别为1.1%和-0.6%，在误差允许的范围内，则该计算结果满足了实际工程要求，验证了数值模型的准确性。

表2 间冷塔设计参数

2 风速及建筑物的影响

选取环境风速为0 m/s、5.5 m/s、8.0 m/s、12.0 m/s、15.0 m/s、18.0 m/s和20.0 m/s，并对不同风速下间冷塔的传热性能进行模拟计算。

2.1 塔周围无建筑物不同风速的影响

当环境风速为0 m/s时，在间冷塔的吸力作用下，塔外空气均匀通过散热器对流传热后进入塔内，此时温度升高、密度减小，空气在浮升力作用下上升，从而增大了空气进入塔内的驱动力，各扇区通风量和传热量近似相等。

当环境风速为5.5 m/s时，间冷塔z=7.5 m截面速度场和温度场分布见图5。

图5 环境风速为5.5 m/s，z=7.5 m截面速度场和温度场分布

由图5可得：环境风流过间冷塔时做“圆柱绕流”运动，并随环境风速的增加而加强，其结果造成了背风区和侧风区散热器外侧压力减小，使其通风量减小；环境风流过间冷塔侧风区散热器时，由于其切向速度大、压力低，故侧风区散热器内外压差减小，结果使得侧风区散热器通风量减小，传热性能变差；迎风区的进风与背风区的进风在塔底相遇后形成近似关于X轴对称的漩涡，进一步影响了背风区和侧风区的进风。故迎风区通风量最大、侧风区通风量最小，由于迎风区通风量大于背风区，塔内气流的中心偏向风向的下游。受塔外环境风的影响，塔出口形成“风阻”效应，使得塔内有效通流面积减小，当环境风速在一定范围内增大时，该“风阻”效应会逐渐加强，但此时由于风速过快对塔的吸力也相应加强，在两者共同作用下，使得塔出口流量发生相应的变化。

当环境风速为8.0 m/s时，其侧风区部分扇区出现穿堂风，使其通风量下降，传热量减小，传热性能变差。随着环境风速的进一步增加，当环境风速为12.0 m/s时，间冷塔内外速度场和温度场分布见图6。

图6 环境风速为12.0 m/s，z=7.5 m截面速度场和温度场分布

由图6可得：“圆柱绕流”运动进一步加强；塔内漩涡范围进一步加大且逐渐向风向的下游移动，造成背风区和侧风区进风阻力进一步加大；塔出口“风阻”效应也加强；形成穿堂风的扇区数量也增多，当穿堂风强度不大时，则使得相应散热器的传热性能恶化，当穿堂风强度大时，尽管其通过散热器前后温差小，单位质量流量的穿堂风传热量少，但穿堂风强度大，也会使得传热量增多。

不同环境风速下每个扇区通风质量流量变化见图7。

图7 不同风速下每个扇区通风质量流量变化

由图7可得：迎风区通风质量流量和传热量随环境风速的增大逐渐增加，故传热性能也随之有所改善；当环境风速不超过8.0 m/s时，背风区通风质量流量变化不大，当环境风速大于8.0 m/s时，背风区通风质量流量随着环境风速的增加逐渐减小；当风速为8.0 m/s时，侧风区(S7、S8、S17和S18扇区)出现穿堂风且强度不大，使得通风质量流量减小、传热量减小，传热性能恶化；当环境风速为12.0 m/s时，侧风区(S6、S7、S8、S9、S16、S17、S18和S19扇区)出现穿堂风且强度不等，使得S6、S9、S16和S19扇区通风质量流量减小、传热量减小，传热性能下降，S7、S8、S17和S18扇区由于穿堂风量略微增多，故使得传热性能也略微增强，且该环境风速下背风区也开始出现穿堂风；随着环境风速的进一步增加，穿堂风的范围和强度也逐渐加大，当环境风速为20.0 m/s时，背风区(S10、S11、S14和S15扇区)为穿堂风，使该扇区通风质量流量下降。

2.2 塔周围有建筑物不同风速的影响

当环境风速为5.5 m/s和12.0 m/s且塔周围有建筑物时，间冷塔内外速度场和温度场分布见图8和图9。

图8 环境风速为5.5 m/s，z=7.5 m截面速度场和温度场分布

图9 环境风速为12.0 m/s，z=7.5 m截面速度场和温度场分布

不同环境风速下风流过建筑物时，会在建筑物的背面形成漩涡；受塔周围建筑物的影响，“圆柱绕流”形成的涡流不再关于X轴对称；间冷塔内外速度场和温度场分布也不再对称。

塔周围有建筑物时不同环境风速下每个扇区通风质量流量变化见图10。

当环境风速为5.5 m/s、8.0 m/s和12.0 m/s时，塔周围有无建筑物时各区通风质量流量变化见表3。

图10 不同风速下每个扇区通风质量流量变化

表3 有无建筑物间冷塔各区通风量 kg/s

相同环境风速下，塔周围有建筑物相比无建筑物，其通风质量流量沿周向分布不均匀性进一步加大；迎风区通风质量流量随着环境风速增大且增加幅度逐渐变大，传热性能也随之变好；当环境风速为5.5 m/s时，背风区通风质量流量变化较小、传热性能基本不变，侧风区通风质量流量增加、传热性能变好；当环境风速为8.0 m/s时，背风区通风质量流量下降、传热性能变差，而侧风区通风质量流量增加，传热性能变好，此时侧风区(S17和S18扇区)无穿堂风存在；当环境风速为12.0 m/s时，侧风区通风质量流量增加的幅度降低，而背风区通风质量流量减少、传热性能下降，此时背风区(S11和S12扇区)开始出现穿堂风，侧风区(S16和S17扇区)无穿堂风；随着环境风速的进一步增加，当环境风速为18.0 m/s和20.0 m/s时，背风区(S13扇区)和侧风区(S17扇区)均有穿堂风存在，使其相应扇区传热性能下降。

2.3 通风质量流量和传热量变化

不同环境风速下通风质量流量和传热量变化见图11和12。

图11 通风质量流量随环境风速变化

图12 传热量随环境风速变化

随着环境风速的增加，通风质量流量和传热量均先减小后增加。通风质量流量和传热量最小值均出现在12.0 m/s。当环境风速不超过12.0 m/s时，随着环境风速的增加，迎风区通风质量流量增加幅度小于背风区和侧风区通风质量流量减小幅度，故塔通风质量流量减小，传热量也随之减小。当环境风速大于12.0 m/s时，迎风区通风质量流量增加幅度大于背风区和侧风区通风质量流量减小幅度，故塔通风质量流量上升，传热量也增加。

环境风经过塔外建筑物时，由于通流面积减小使得风速大小和方向会发生变化。为了更加直观地说明由于建筑物的存在对塔通风量和传热量的影响，定义通风质量流量改变度M和传热量改变度Q。M为塔周围有建筑物时，不同环境风速下塔的通风质量流量与塔周围无建筑物时塔的通风质量流量之差与塔周围无建筑物时塔的通风质量流量之比；Q为塔周围有建筑物时，不同环境风速下塔的传热量与塔周围无建筑物时塔的传热量之差与塔周围无建筑物时塔的传热量之比。M和Q随环境风速变化见图13。

图13 M和Q随环境风速变化

M的最大值和最小值分别在环境风速为20.0 m/s和0 m/s取得，Q的最大值和最小值分别在环境风速为5.5 m/s和0 m/s取得。环境风速为5.5 m/s时，M和Q分别约为5.60%和5.92%；环境风速为12.0 m/s时，M和Q分别约为3.62%和2.32%；环境风速大于15.0 m/s时，在一定范围内随着风速的增加，M和Q均增加。