改善间冷塔换热性能方案分析

杨照

摘要：环境风速变化使间冷塔内外空气流场发生改变，导致其换热性能发生变化，因此如何优化间冷塔内外空气流场具有重要意义。以某660MW机组SCAL型间冷塔为研究对象，建立了三维模型并利用CFD换热器中简单效能法结合多孔介质模型，在不同环境风速下，对间冷塔空气流场分布及换热性能进行了数值模拟。根据间冷塔流场分布提出了3种改善方案，并定义了反映改善程度的改善系数。结果表明：间冷塔内外同时布置挡风墙（D方案）对其换热性能改善最大，间冷塔内部布置挡风墙（C方案）对其换热性能改善最小;D、C两方案分别在18m/s和8m/s时对间冷塔换热性能改善最大，改善系数约为17.34%和4.29%;D方案和B方案相比C方案换热性能均有一定改善，在18m/s时均取得最大值，分别约为14.69%和15.39%。因此，对于风向较固定的地区，D方案可以有效改善间冷塔的换热性能。

关键词：环境风速;间冷塔;空气流场;换热性能;改善系数;挡风墙

1 前言

在我国西北干旱地区，随着小型火电机组逐渐被中大型火电机组取代，大型间接空冷系统则显得越来越重要。间接空冷塔（简称间冷塔）作为间接空冷系统中的重要部件，通过空气与循环冷却水换热后使其温度降低，达到循环利用的目的。SCAL型间冷塔由于具有节约厂用电、结构较简单等优点，近年来被广泛采用。由于环境风速变化使间冷塔内外空气流场发生改变，导致其换热性能发生变化，故许多学者对其展开了深入的研究。

以某660MW机组SCAL型间冷塔为研究对象，在夏天最不利的条件下，利用CFD换热器中简单效能法并结合多孔介质模型，对无挡风墙（A方案）进行数值模拟，根据流场分布提出3种改善方案，即塔外布置挡风墙（B方案）、塔内布置挡风墙（C方案）和塔内外同时布置挡风墙（D方案），并探讨了循环水平均出口水温变化，从而为挡风墙的布置方案提供一定的参考。

2 模型建立

2.1 几何模型、网格划分及边界条件设置

选取某660MW机组SCAL型间冷塔为研究对象，其相关尺寸如表1所示。散热器局部示意图如图1所示。为了便于统计和分析数据，将散热器分为24个扇区，其中7扇区和18扇区包括5个冷却三角，其它扇区包括6个冷却三角。迎风区为1到3和22到24扇区，侧风区为4到9和16到21扇区，背风区为10到15扇区。分别研究了3种不同挡风墙改善方案，其尺寸大小及位置如表1所示。B方案是在塔外侧风区的正中央垂直于风向布置两个挡风墙，C方案是在塔内沿圆周方向均匀布置10个挡风墙，D方案是B方案和C方案的组合。间冷塔挡风墙不同方案及散热器分区如图2所示。选取计算域为X×Y×Z（500m×500m×500m）。

图1散热器局部示意图

网格划分：采用Map和Cooper方式划分网格。当环境风速为5.5m/s时，对网格无关性进行验证。取网格数为448万、511万和598万进行数值计算，结果表明塔出口质量流量偏差约小于1.98%，故认为进行了网格无关性验证。最终确定网格总数为511万。边界条件设置：迎风面设置为velocity-inlet，背风面设置为outflow。间冷塔不同高度处环境风速采用幂指数函数变化，即：

式中：v10为10m高度处的风速大小，m/s;z为间冷塔进风口不同高度，m。该间空冷机组大风期出现在夏季，风向沿X负方向。

2.2 计算模型

为了更准确地模拟循环水和空气的换热过程，选取了CFD中换热器模型中简单效能法并结合多孔介质模型。单个macro的换热量是该macro所包含的所有网格单元计算得到的换热量总和，其计算式为：

换热器区域总的换热量为：

式中：qmacro为单个macro的换热量，W。

2.3 数值模型验证

间冷塔验证工况参数如表2所示。对其工况参数进行了模拟验证，其结果如表3所示。在误差允许的范围内，证明了该数值模型的正确性。

2.4 改善系数

定义I为不同改善方案下相比A方案的改善系数，即：相同条件下，不同改善方案下的换热量Q与A方案下的换热量Q0之比减去1后乘以100;定义M为不同改善方案相比最差改善方案的改善系数，即：相同条件下，不同改善方案的换热量Q与最差改善方案的换热量Qmin之比减去1后乘以100，即：

改善系数大小直观地反映了各改善方案改善程度的大小。

3 各方案对间冷塔换热性能的影响

当无环境风且无挡风墙时，在塔的吸力作用下，塔外空气通过散热器对流换热后均匀进入塔内。此时挡风墙不同布置方案对塔内外流场影响很小，故各扇区的通风量和换热量近似相等。由于不同改善方案通风量和换热量变化趋势在8m/s或12m/s发生转折，故以8m/s和12m/s为例，对间冷塔换热性能进行分析。

3.1 A方案对间冷塔换热性能的影响

当环境风速为8m/s和12m/s时，间冷塔内外流场分布如图3、圖4所示。结果表明：迎风区换热最好，背风区其次，侧风区最差;当环境风速为8m/s时，侧风区出现穿堂风。原因如下：环境风流过间冷塔散热器外侧时做“圆柱绕流”运动，且随着环境风速的增加而增强，结果使得侧风区和背风区的通风量减小;环境风流过间冷塔侧风区散热器外侧时，由于切向速度大，使间冷塔吸力减小，使得侧风区通风量减小;进入迎风区和背风区的气流在塔内相遇后形成近似关于X轴对称的涡流，从而增大了背风区空气进入塔内的阻力;随着环境风速的增加，迎风区气流对侧风区和背风区的冲击就越大;迎风区通风量随着环境风速的增加而增加，背风区和侧风区随着环境风速的增加而减小，当环境风速增加到某一值时出现穿堂风。故迎风区换热性能最好，侧风区换热性能最差。

3.2 B方案对间冷塔换热性能的影响分析

当环境风速从8m/s增加到12m/s时，1到6扇区和19到24扇区通风量增加，7到18扇区通风量减小。由于通风量增加幅度略大于其下降幅度，故塔的通风量略增加，但侧风区和背风区换热性能下降幅度大于迎风区换热性能增加幅度，故塔的换热性能下降。当环境风速为8m/s时，与A方案相比：1到9扇区和16到24扇区通风量均不同程度的增加，10扇区到15扇区通风量减小，侧风区无穿堂风存在。由于通风量增加幅度大于其下降幅度，故使得塔通风量增加，换热性能有所提高。当环境风速为12m/s时，与A方案相比：1到7扇区和18到24扇区通风量增加，侧风区（8、9、16和17扇区）和背区13扇区出现穿堂风，其余扇区通风量减小。由于通风量增加幅度大于其下降幅度，故使得塔通风量增加，换热性能有所提高。相同条件下受外侧挡风墙的影响：环境风流经挡风墙时，切向速度突然减小为0，径向速度增大，使得一部分环境风改变方向后进入侧风区散热器内，从而增大了挡风墙上游临近扇区的通风量;由于“圆柱绕流”运动减弱也使得该挡风墙下游临近扇区的通风量增加;当环境风速为12m/s时，侧风区开始出现穿堂风，通风量开始下降;受挡风墙影响背风区外侧形成涡流且随着风速的增加其范围越来越大，使得压力降低，通风量下降。

3.3 C方案对间冷塔换热性能的影响

当环境风速为8m/s和12m/s时，其单位扇区通风量。由于通风量增加的幅度小于其下降的幅度，故塔的通风量下降，换热性能也下降。当环境风速为8m/s时，与A方案相比：迎风区和背风区通风量变化不大，侧风区通风量增加，故塔的通风量增加，换热性能略提高。当环境风速为12m/s时，与A方案相比：迎风区通风量变化不大，侧风区通风量增加，背风区通风量略减小。由于通风量增加的幅度略大于其下降的幅度，故塔的通风量略增加，换热性能也略提高。相同条件下受内侧挡风墙的影响：塔内一定范围内形成孤立的区域，从而在一定程度上减弱了迎风区气流对背风区气流的冲击作用，使得穿堂风量减小，同时容积流量减小使得压力升高，故涡流数量随着环境风速的增加而增多，使得背风区通风量减小;“圆柱绕流”作用减弱，使得侧风区通风量增加。

3.4 D方案对间冷塔换热性能的影响

由于通风量增加幅度略大于其下降幅度，故塔的通风量略增加，但侧风区和背风区换热性能下降幅度大于迎风区换热性能上升幅度，故塔的换热性能下降。当环境风速为8m/s时，与A方案相比：迎风区通风量变化较小，侧风区通风量增加，背风区通风量减小。由于通风量增加幅度大于其下降幅度，故塔的通风量增加，换热性能提高。当环境风速为12m/s时，与A方案相比：迎风区和侧风区的通风量都增加，背风区通风量下降，且形成穿堂风的扇区数量减小。由于通风量增加幅度大于其下降幅度，故塔的通风量增加，换热性能提高。相同条件下受内外挡风墙的影响：迎风区通风量随着环境风速增加其增幅变大;侧风区由于“

圆柱绕流”运动减弱，使得通风量增加;背风区由于塔内和塔外涡流影响，其风量下降且下降幅度略变缓。

4 结语

（1）建立了间冷塔三维数值模型，利用CFD换热器中简单效能法结合多孔介质模型;对不同环境风速下间冷塔换热性能进行了模拟研究;根据其流场分布提出了B方案、C方案和D方案来改善间冷塔换热性能，并定义了改善系数。

（2）B、C和D方案相比A方案换热性能均有改善;C方案当环境风速为8m/s时I取得最大值，约为4.29%;B和D方案当环境风速为18m/s时I均取得最大值，分别约为16.63%和17.34%。

（3）B方案和D方案相比C方案换热性能也得到改善，均在18m/s时M达到最大，分别约为14.69%和15.39%。

（4）D方案为最优方案，C方案为最差方案。因此对于风向较固定的地区，D方案可以有效改善间冷塔的换热性能。

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