垂直布置间接空冷塔防大风研究

陈云，王利民

(1.上海电气电站工程公司，上海 201199；2.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710100)

0 引言

我国水资源分布不均，在北方地区，水资源显得弥足珍贵，节约水资源被社会普遍关注。因此，有较大节水优势的空冷系统在北方地区得到了迅速的应用。然而，空冷系统对环境风速变化的反应极其敏感，尤其在风速超过4.0 m/s时。当风速增大的时候，虽然迎着与背着来风方向的扇段进风量变大，但是由于侧向扇段的进风条件恶化，空冷系统的散热能力反而降低，导致背压升高，严重时甚至威胁整个机组的安全运行。

空冷塔周边布置着众多建筑物，对空冷塔的流动传热有影响，有学者对高大建筑物附近流场情况进行了研究。黄滢[1]先采用常见缺陷枚举方法研究流场与模型内建筑物的相互影响，得到风荷载值，然后利用主流模拟软件模拟了结构复杂建筑物周边流场分布。梁向丽[2]采用数值模拟手段，获得高层建筑物的流场分布，在此基础上研究了高层建筑物流场阴影区、非阴影区与风速的联系，以及建筑物外风压的分布与风速的联系，从而提出了建筑物几何尺寸与阴影区最大高度的数学关系式等成果。

关于外界风速、温度的变化对间接空冷塔流动传热性能的影响，南非学者A.F.duPreez和D.G.Kriiger[3-4]通过研究显示，侧向风的进风量、风速、空冷塔外形尺寸、高径比等对空冷塔的流动性能均有一定程度的影响。

最常用三种类型空冷塔散热器，其换热及阻力性能各异。孟令国等[5]通过对散热器翅片、管束及空冷塔不同参数组合下的散热器流动传热规律进行研究。赵弦等[6]通过某依托工程，对空冷散热器所采用的单层、双层六排管、双层四排管三种常用的铝管铝翅片空冷散热器进行分析比较，得出结论:双层六排管换热效果最佳，且矮胖型空冷塔经济性更好。席新铭等[7]通过数值模拟的手段获得了四排管传热与阻力的无量纲关系式，以及在三塔合一时揭示了风速、温度、烟囱高度、扰流板层数及间距等因素对间接空冷塔及散热器的流动和传热规律。赵兴楼等[8]对凝汽器扁平管两种翅片形式进行了研究，其中直翅片管各项性能参数优于蛇形管，对工程实际具有一定参考意义。郑冠军等[9]通过数值模拟研究了环境风对大型间冷塔的影响:风速较小时，间冷塔换热性能较好；大风时，散热性能迅速恶化。

在冬季低温或是大风情况下，一种有效的措施是增设百叶窗，通过控制扇段进风量，从而在冬季能将出塔水温控制在极限水温之上，有效防止空冷散热器冻裂。在大风情况下，调整百叶窗开度控制进风量进而防止穿堂风对空冷塔散热性能的不利影响。韩中合等[10]通过Fluent数值模拟手段研究了某200 MW间接空冷塔侧向风对间接空冷塔流动传热的影响，控制百叶窗在背风侧和迎风侧的开度，得出一系列出塔水温数据，从而归纳出机组安全、稳定运行的最经济的百叶窗开度调节方案。顾红芳等[11]通过有限元数值模拟的手段研究了不同百叶窗开度下冷却塔出水水温变化，主要从各个扇段进风量与换热量的关系角度进行理论分析及模拟结果分析，提出了空冷机组在低温环境下防止冻害的百叶窗调节方案。王晗昀[12]基于百叶窗这一有效的防冻手段，采用数值模拟结合BP神经网络建模手段计算出冻结发生位置，并给出防冻策略及优化措施。张利等[13]通过增加冷却水流量、调节百叶窗开度、对易冻的迎风和背风扇段覆盖保温帘及增加挡风墙等措施来研究间接空冷塔在冬季防冻的效果，并得到了在使用各种措施时，为达到最佳防冻效果需采取的对应方案。李军等[14]结合电厂出现的情况，通过计算流体力学手段对空冷系统在冬季低温散热器出现冻坏情况时进行不同角度模拟分析，改变空冷塔布置间距，调整各个扇段进风量，在一定程度上能改善冬季低温不利影响。刘晓波等[15]结合换流站内冷却塔关于热风回流、冬季防冻等不利影响因素提出了一系列解决措施。段刚和冯海明等[16-17]研究了空冷机组冬季防冻的措施，如在一定负荷下运行、增加电伴热、合理调节风机运行数量等，在实际运行中取得了一定效果。

目前市场上出现了钢结构的空冷塔，对比传统的混凝土结构空冷塔在诸多方面具有明显优势，有学者对钢结构空冷塔也进行了一定研究。段常智等[18]通过建筑信息模型技术研究钢结构间接空冷塔，在施工进度、抗震性能、节能环保、经济性以及现场环境等方面有积极效果。丁大益等[19]通过ANSYS工具分析了单层、双层网壳等结构形式，以及对钢结构间接空冷塔进行风洞及数值模拟分析，确定风荷载取值，为国内对设计高大钢结构空冷塔奠定了一定的理论基础。

综上可以看出，有学者从建构物附近流场规律、外界环境变化对空冷塔的影响、不同类型空冷散热器的换热性能及阻力差异、空冷塔冬季防冻、大风对空冷塔的影响及钢结构空冷塔等角度进行了相关研究。垂直布置间接空冷塔是电厂空冷系统的一种较为常见的布置方式，在风速较大的情况下，空冷塔散热器的散热能力降低明显。本文从防大风角度对间接空冷塔进行了研究，模拟了四种情况下大风对间接空冷塔换热能力的影响，从而获得机组在大风环境下能安全、稳定运行的解决方案。

本文以某2×100 MW垂直布置间接空冷塔为基础，建立垂直布置间接空冷塔、塔外加设挡风墙、调节百叶窗和塔内加设十字墙四种不同的数值计算模型。通过比较四种不同模型下的数值模拟结果，获得一种效果好、操作运行方便的防大风措施。

1 空冷系统模型构建

1.1 计算模型及结构处理

本文模拟的2×100 MW一机一塔垂直布置间接空冷塔，如图1所示。塔外设置挡风墙和塔内设置十字墙，如图2所示。模型主要包括间接空冷塔、空冷散热器、厂房建筑物和大空间区域。模型在大风速下计算时，为了风场达到稳定，本次模拟采用1 000 m×1 000 m×500 m的足够大区域。为了计算的方便，对整个模型进行合理简化。由于空冷散热器的结构及传热过程较复杂，模拟中忽略了空冷单元的复杂结构，因为本文所研究的角度与空冷散热器的选型无关，所以暂不讨论，只选择其中一种进行模拟研究。此外，模型区域中的厂房建筑物只对流场产生影响，不考虑其发热或吸热。

图1 2×100 MW垂直布置间接空冷系统计算 模型

图2 塔外挡风墙及塔内十字墙示意图

1.2 边界条件及数学模型

空冷塔周围一定范围内的风场可以简化为不可压缩流体，因此模拟该流场应满足如下控制方程。

1)连续性方程:

2)动量守恒方程:

3)能量守恒方程:

式(1)—(3)中，ρ为气密度；u为流动速度；p为气体压力；μ为空气动力粘性系数，i=1，2，3。

另外，上述所建立的模型空间一般情况下处于湍流状态。进行模拟时，软件中湍流模型选择RNGk-ε模型，该湍流模型采用重整化群理论获得。RNGk-ε模型模拟分离流与实际比较贴合，而空冷塔周围流场存在着大量分离区，因此选用此模型较合理[20-21]。

间接空冷塔内散热器在模型里采用简单板式换热器来处理，散热器的阻力、换热系数通过多项式系数给定。采用大气层边界函数表示沿间接空冷塔高度上平均风速的变化。大气边界函数如下:

式中，Zi、Z∞为任意高度和气流稳定时的高度，m；Ui、U∞为Zi处的大气平均流速和Z∞处的平均流速，m/s；α为地面粗糙度。

本文模拟中的Z∞取10 m，α取0.142 0，根据某工程业主提供的气象资料整理得到。此数据通过自定义函数(UDF)加载后参与模拟。出口边界采用压力出口边界条件。模型中空冷塔周围建筑物、地面等外表面边界采用壁面边界条件，为了简化模拟，不考虑传热，仅考虑对模型内流场影响。

1.3 网格划分

与大空间区域相比，间接空冷塔及建筑物区域相对很小，因此网格生成采用分区域生成。通过关注重要性角度对整个模型区域采用有差别的网格类型及间距。图3是用于计算的网格图，总的网格采用非结构化网格。调节百叶窗的间接空冷塔与不加措施的间接空冷塔网格图一样。

图3 三种不同模型的网格分布图

1.4 间接空冷系统区域划分及命名

塔外侧空冷散热器共设置196个散热单元。且为了得到较精确的计算结果，把一周平均分为10个扇段，即每36°设一个扇段。如图4所示，以0°开始逆时针取名为扇段1、2、3、……、10。

图4 间接空冷系统区域划分

2 结果及分析

在四种模型的基础上，采用环境温度14℃，风向为正面来风(0°方向)，模拟12 m/s和20 m/s风速下的流场分布及散热。由于塔1、塔2位置相对来风方向对称，而且建筑物对塔的影响不是很大，因此塔1、塔2的模拟结果基本相近。为了方便起见，下文中仅对塔1进行详细分析，依此可以得到塔2的相关规律。根据来风方向，迎风扇段为1、10，背风扇段为6、7，其余为侧向扇段。

2.1 风速12 m/s下的计算结果

风速12 m/s时，四种不同措施下的出水温度及机组背压见表1。

表1 风速12 m/s时，各种措施下间接空冷塔性能比较

从表1可以看出，对比不加任何措施的间接空冷塔，加措施后间接空冷塔的出口水温和机组背压有不同程度的降低，挡风墙效果最明显，降幅分别为1.4℃和0.79 kPa。图5为四种措施下各扇段的出水温度。图6为距离地面9 m高处横截面速度矢量图。

图5 各扇段出水温度比较

图6 距离地面9 m高处横截面速度矢量图

12 m/s风速下，没有采取措施的间接空冷塔的换热能力很差。从不加措施的速度矢量图可以看出，环境风流过间接空冷塔时，导致后部绕流脱体，从而强化了背风扇段的散热，因此背风扇段出口温度较低。另外，侧向扇段由于进风条件恶化，其出水温度相较其他扇段的出水温度高。

间接空冷塔塔外加设挡风墙后，由于挡风墙的作用，虽然迎风扇段1、10进风量减少，出水温度较高，但其余扇段进风条件得到改善，进风量比不加措施时有所提高。

间接空冷塔塔内加设十字墙，对比不加措施的间接空冷塔，迎风扇段的散热能力没有明显变化。由于十字墙的作用，6、7扇段进风量增多，出水温度有所降低。而3、4扇段由于受塔2的影响，并没有出现与6、7扇段相同的效果。

而百叶窗调节方面，根据矢量图和表1可以看出，对降低出口水温有一定的效果。

总之，加措施后的间接空冷塔散热能力得到改善。但是只有在主导风向明确且常年不变的情况下，挡风墙和十字墙才会起到作用，一旦主导风向改变，塔的抗大风能力就会大大削弱，而百叶窗则不受这些限制，运行时调节方便，且对抗大风有很好的效果。

2.2 风速20 m/s下的计算结果

风速20 m/s时，四种不同措施下的出水温度及机组背压见表2。

表2 风速20 m/s时，各种措施下间接空冷塔性能比较

从表2可以看出，加措施后间接空冷塔的出口水温和机组背压有不同程度的降低。图7为四种措施下各扇段的出水温度。图8为距离地面9 m高处横截面速度矢量图。

图7 各扇段出水温度比较

图8 距离地面9 m高处横截面速度矢量图

20 m/s风速下不加措施的间接空冷塔的换热能力比12 m/s时更差。从其速度矢量图上可以看出，由于风速过高，塔内温度较高的风经扇段排出塔外，即穿堂风，这样背风扇段6散热能力大大降低。另外，侧向扇段3、8由于进风条件恶化，其出水温度比其他扇段的出水温度高。

由于挡风墙的作用，没有穿堂风的出现，背风扇段大大改善，进风量增加，4、5、6、7扇段出水温度降幅9.59℃。另外，由于挡风墙的阻挡，迎风扇段1、10的进风量减少，出水温度升高。

间接空冷塔塔内加设十字墙后，总出水温度有所下降。加设十字墙改善了扇段6、7、8的进风条件，进风量增加，其出水温度有一定的降幅。4、5扇段受塔2的影响，出水温度比不加措施时反而有所升高。

间接空冷塔外设置百叶窗后，运行时可以随着气象条件变化而随时调节，比其他防大风措施方便灵活，可以看出，对降低出口水温也有一定的效果。

总之，在20 m/s风速下，加措施后的间接空冷塔散热能力大大增强。然而，挡风墙和十字墙的设置位置与主导风方向密切相关，只有主导风方向明确且常年不变时，挡风墙和十字墙的设置才有意义。

3 结论

本文通过建立2×100 MW一机一塔垂直布置间接空冷塔模型，模拟了12 m/s和20 m/s风速下四种不同措施的空冷塔的流场分布及换热能力。通过分析可知，在大风条件下，塔外加设挡风墙、塔内加设十字墙以及调节百叶窗后塔的换热能力有所提高。加设措施后，能消除穿堂风现象，从而改善背风扇段的换热性能。无论是塔外加设挡风墙还是塔内加设十字墙的间接空冷塔，都需考虑主导风方向，一旦主导风向改变，塔的抗大风能力就会大大削弱，而百叶窗不受这些限制，调节方便，对抗大风有很好的效果。综合考虑可知，百叶窗调节最方便，不受环境风向的限制，在主导风向不明确时建议采用。