主辅机共塔条件下间接空冷塔流场特性分析

2021-05-17徐士倩李陆军赵顺安

中国水利水电科学研究院学报 2021年2期

李满，徐士倩，李陆军，赵顺安

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

近年来随着空冷技术的发展，我国山西、内蒙及西北等富煤缺水地区建设了大量空冷电厂，而运行费较低的大型间接空冷塔被广泛地应用这些电厂主机系统中［1］。辅机循环水系统在间接空冷系统的机组中作为一个独立的冷却系统存在，水耗和初始投资是辅机冷却形式选择的重要影响因素。如果主机采用间接空冷系统的工程，辅机冷却水并入主机的间接空冷塔，即主机和辅机共用一个冷却塔（简称主辅共塔）的设计方案，将具有以下优点：冷却设备集中布置、减少占地面积、便于管理和检修、节省辅机水量蒸发及其风机功率、减少年运行费用等。

为同时满足共塔方案中主机和辅机系统不同的冷却要求，应科学合理的分配其各自所需冷却三角个数。对于常规的间接空冷塔，由于所有冷却三角的进水温度、散热器热力阻力特性相同，在不考虑环境风条件下空冷塔内流场呈对称分布；当采用主辅共塔方案时，在夏季条件下由于主机和辅机各自的循环水进水温度存在较大差异，流场的对称性被破坏，主机和辅机的冷却性能均将受到影响。为了合理设计主辅共塔方案，应充分了解在主辅机耦合影响下空冷塔的冷却特性。

近年来国内科研机构如中国水利水电科学研究院［2-3］、北京交通大学［4］及西北院、华北院等均对间接空冷塔开展了数值模拟研究，但主要基于研究主机间冷塔内外的空气动力场、通风量、换热器的阻力与热力特性以及自然风对空冷塔性能的影响、间接空冷塔的布置等方面［5-12］。上述研究并未涉及主机、辅机相互作用时对流场的影响，以及不同气象条件下主机、辅机冷却性能是否满足设计要求，特别是自然风对主辅机的影响等。

辅机冷却水并入主机间冷塔的主辅共塔属于组合式创新方案，针对该方案进行的热力性能研究目前尚属空白。因此，开展相应的主辅共塔方案条件下间接空冷塔流场三维数值模拟研究，对于完善主辅共塔方案具有十分重要的意义。

本文拟采用数值模拟方法，针对1000 MW空冷机组的主辅机共塔设计方案，研究自然风影响下间接空冷塔内外流场，分析主辅机在不同气象条件下的冷却性能，优化主辅共塔设计方案，掌握主辅机受自然风及其他气象条件影响规律，为主辅共塔方案的工程实施提供理论依据。

2 数值模拟方法简介

2.1 控制方程间接空冷塔在热负荷、气象条件及循环水量稳定时，塔内外空气流场按稳态计算。控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，湍流模型采用标准k-ε模型，相关方程及参数设置详见参考文献［13］。模型中不考虑逆温的影响。

2.2 计算方法采用商业计算流体软件FLUENT对三维数学模型进行求解。冷却塔动量方程中，浮力是一项主要作用力，空气流动和传热耦合求解。离散方程的求解采用分离变量法，速度与压力的解耦采用SIMPLEC算法。速度和温度场的离散格式采用QUICK格式。

2.3 材料设置模型中气体的性质为理想不可压缩气体，根据设计工况条件给出空气密度以及对应的分子量。在计算环境中设定环境压强和环境温度。气体材料的比热根据参考文献给定值或者采用UDF写成与温度相关的多项式函数或分段函数。

2.4 网格划分采用GAMBIT网格划分软件，进行三维模型的网格划分，具体划分采用结构化网格和自适应性网格相结合的方式。整个区域可分为塔内和塔外，塔外可分为周边和塔顶部，计算域为1000 m×1000 m×1000 m，如图1所示。

图1 冷却塔计算区域整体网格图

2.5 散热器模型散热器区域采用Fluent的RADIATOR模型，在模型中设定相应的阻力计算多项式、散热系数多项式和进水温度。本文中散热器为六排管、双流程，其热力阻力特性：

式中：K为以散热器迎风面积为基准的传热系数，W/（m2×℃）；Vg为迎面风速，m/s；ρ为进口空气密度，kg/m3；Vw为管内流速，m/s。

六排管散热器阻力性能：

式中：Δp为散热器的风阻，Pa；Vg为迎面风速，m/s。

2.6 边界设置对于塔外区域的边界，底部为绝热边界。在无风条件下，其他面的边界为压力出口边界；在有风情况下，进风面的边界为速度入口边界，其他面仍为压力出口边界。冷却塔壳体的外壁设置成绝热边界。

当采用标准k-ε湍流模型时，设定k和ε的边界，利用UDF模块将其边界设置为如下形式：

式中：κ为湍流动能，m2/s2；ε为湍流动能耗散率，m3/s2；n为边界面的法向。塔内区域，冷却塔壳体的内壁边界条件为绝热墙壁。进风口和塔的出口都设置成内部边界。

当研究环境风影响时，需采用UDF模块进行边界设定。环境风速度随高度的变化呈指数关系，按照式（4）计算。为叙述方便，后文所指环境风速是指10m高处的风速。

式中：vw为10m高处环境风速，m/s；y为高度，m；vw,y为y高度处的风速，m/s。

为了进一步分析环境风向影响，假定了环境风的角度如图2所示。辅机占用一个扇区。辅机扇区布置在+x轴上，以x轴为上下对称，其余为主机扇区。α表示环境风的方向（定义为与+x轴的夹角）。

图2 环境风与冷却塔扇区的角度关系

2.7 网格数量选择网格数量对计算结果会产生影响。为了选择合适的网格数量，分别对不同网格数量的模型进行了研究，并对比冷却塔的出水温度。最终在出水温度不发生明显变化的前提下，综合考虑计算效率，选择合适的网格数量。三维模型网格数量变化范围从1.7×106～3.5×106。图3给出了不同情况下的冷却塔水温降幅随网格数量变化情况；根据图3可知，网格数量大于2.2×106后，网格数量对冷却塔水温降幅量影响小于0.02℃，最终选择网格数量为2.6×106。

图3 网格数量对冷却塔出水温度影响（设计工况，无辅机）

3 模型验证

为验证模型的可靠性，需要与相关试验对比。模型试验的数据来自《间接空冷塔气体流态物理模型试验研究报告》［6］，其研究对象是某600 MW机组配套的间接冷却塔，具体参数如下：冷却塔的高167.5 m，进风口高度28.8 m，进风口处直径121.0m，喉部高度129.5 m，冷却塔出口直径92.6 m；其散热器外沿直径144.9 m，冷却三角176个，散热器迎风面积20 240 m2，散热器高度25 m，冷却三角夹角49.08°。试验模型与原型间的比尺为1∶100，试验装置的整体结构如图4所示。

图4 模型试验装置图

为了降低外界环境风及物体对试验研究的影响，试验装置周边无墙体，且不封闭顶部，用两个横梁和四个支撑梁来固定风机。模型塔出口处设置一个20 cm的直段，用来衔接模型塔的出口与扩展段，然后由100 cm的扩展段连接至风机，风机固定在横梁支撑上。在风机的抽力作用下，空气通过散热器进入空冷塔内，经过塔筒由风机出口流出。为了便于观测，模型塔采用无色透明有机玻璃制作，塔体曲线根据某厂自然通风冷却塔塔体曲线按比例缩小。在塔体的直径方向16个不同高度的塔壁上布置测孔，用来测量塔内的气流速度和压力以及塔壁上的静压分布。试验模型中，用多孔板代替了冷却三角，其阻力系数分别在模拟塔和模型塔中测试。

利用上述数值建模方法，建立与试验模型相同的数值分析模型，比较数值模型和试验模型的结果，如图5所示，模型试验结果和数值模拟结果吻合良好，从而验证模型的可靠性。

4 数值计算及分析

间接空冷塔主要尺寸参数见表1，散热器外沿直径比零米直径大10 m。冷却塔运行工况主要参数见表2，包括设计工况和夏季工况。

表1 冷却塔塔型参数

表2 运行设计相关参数

4.1 流场特性分析图6给出了夏季工况无辅机时冷却塔内外流场分布。冷却塔内的空气温度较高，且分布均匀；冷空气由散热器进入到冷却塔后，静压最小，在浮力效应作用下由冷却塔出口流出，静压逐渐恢复到环境大气压；空气流速在冷却塔壳体上部分布均匀，在冷却塔出口后在浮力作用下空气流速增大。

图6 无辅机条件下间冷塔内外流场分布特性（vw=0m/s，夏季工况）

图7和图8分别给出了环境风为0 m/s、夏季工况、辅机占1个扇区后对温度和速度分布的影响。因为辅机进水温度低于主机（辅机进水温度为43.0℃，主机进水温度为63.2℃），所以由辅机扇区进入的冷却塔的空气温度较低，由主机扇区进入冷却塔的空气较高。低温空气密度较大，上升动力较小，流动方向偏水平方向；高温空气密度较小，上升动力较大，流动方向偏竖直方向；冷、热两股气流在塔内掺混，导致塔内空气流动混乱；且由于空气上升速度分布不均匀，导致出口局部区域出现轻微的冷空气倒吸现象。

图7 辅机占1个扇区对1000MW机组冷却塔（12个扇区）温度场影响（vw=0m/s）

图8 辅机占1个扇区对1000MW机组冷却塔（12个扇区）速度矢量分布影响（vw=0m/s）

设计工况中，辅机进水温度43.0℃，主机进水温度42.3℃，此时由于二者差异非常小，所以辅机占用1个扇区后，对流场分布影响可忽略，如图9。

图9 设计工况、辅机占用1个扇区，1000MW机组冷却塔z=0m剖面流场分布（风速0m/s）

4.2 环境风的方向影响图10给出了夏季工况、辅机占1个扇区时1000 MW机组冷却塔（12个扇区）出水温度与环境风速风向关系。根据图10可知，环境风方向对主机冷却塔出水温度影响较小（小于1.0℃），对辅机出水温度影响较大（约为3.5℃）。当来风正对辅机扇区，辅机出水温度最低（37.2℃），满足设计要求；当来风背对辅机扇区，辅机出水温度最高（41.0℃），不符合设计要求。将14个环境风向条件下的出水温度进行平均，主机出水温度平均值为53.8℃，辅机出水温度平均值为40.0℃，皆不满足设计要求。

图10 辅机占1个扇区时1000MW机组冷却塔（12个扇区）出水温度与环境风速风向关系（夏季工况、vw=6m/s）

4.3 环境气温影响图11给出了环境空气温度（干球温度）对冷却塔的水温降幅的影响，图11中Δtw表示14个环境风向条件下的平均水温降幅。当环境空气温度不高于26℃时，辅机水温降幅的平均值满足设计要求，但主机不满足设计要求；当环境空气温度不高于28℃时，主辅机冷却单元出水温度均不满足设计要求。

图11 环境气温tg对1000MW机组间冷塔主辅机水温降幅Δtw的影响（夏季工况，风速6m/s）

图12给出了设计工况条件下，环境气温tg对间冷塔主辅机水温降幅Δtw的影响，图中Δtw表示14个环境风方向条件下的平均水温降幅。根据图12可知，环境气温不高于22℃时辅机出水温度满足设计要求，环境气温不高于12℃时主机出水温度满足设计要求。上述研究表明，针对设计工况，增加辅机冷却单元对间冷塔内外的流场分布影响较小，但辅机占用一个扇区后，主机冷却单元出水温度高于设计温度。