气侧均流装置对冷却三角单元流动传热特性影响的实验研究

2024-03-05郭滔于海洋冯海波袁汉川田兵杨玉杰赵元宾赵倩

发电技术 2024年1期

郭滔，于海洋，冯海波，袁汉川，田兵，杨玉杰，赵元宾，赵倩

（1.国能浙能宁东发电有限公司，宁夏回族自治区银川市 750408；2.国能沪电(上海)工程技术有限公司，上海市普陀区 200062；3.济南蓝辰能源技术有限公司，山东省济南市 250101；4.山东大学能源与动力工程学院，山东省济南市 250061）

0 引言

发改运行(2021)1519号文件《全国煤电机组改造升级实施方案》[1]强调进一步推进煤电机组节能降耗具有重要意义[2-4]。间接空冷机组以其节水优势广泛用于我国中西部缺水地区[5]，但受空冷塔、冷却三角单元、散热管束结构材质等限制[6]，间接空冷机组冷端存在本源性难题[7]，与湿冷机组冷端相比，空冷机组传热系数小、冷却效率低、发电煤耗高，且更易受环境自然风的不利影响[8]。

随着国内大量间接空冷机组的建设、投运，间接空冷系统传热强化[9]及系统提效研究越来越受到重视，主要措施有塔内外大尺度流场重构传热强化提效、进风口预冷提效以及针对冷却三角单元的传热强化提效等。在间接空冷塔外侧或内侧加装挡风墙，以降低环境自然风的不利影响，是一种典型的冷却塔类设备的传热强化提效措施。1998年，赵振国等[10]通过实验室实验验证了塔外挡风墙、塔内十字墙及背风侧聚风室对间接空冷塔冷效的改善。按照倾斜进风所引起冷却三角单元的进风偏离及塔外主流空气沿周向有无流动分离，Ma等[11]分别对塔外挡风墙的安装角度、安装方式及旋转角度[12]等进行了优化，以减小塔外挡风墙所诱导空气分流和旋涡对附近冷却三角单元产生的不利影响。Chen等[13]进一步验证了塔外挡风墙对间接空冷塔冷却性能的改善相对优于塔内挡风墙。Wang等[14]通过引入流动损失因子研究聚风室对各扇段流场的作用，并对聚风室进行了优化。

冷却三角单元流动传热特性直接影响其出水温度分布[15]。针对间接空冷传热强化提效的典型研究包括挡风[16]、导流[17-18]等塔内外流场优化措施，但多数针对整塔流场重构，而非冷却三角单元进行流场优化。但进风在冷却三角单元内两侧冷却柱散热管束中分配不均的现象普遍存在[19]，而流动不均又会对其整体性能产生不利影响[20]。研究气侧均流装置对冷却三角单元两侧管束流动传热的分布特征、机制等，可为多变运行条件、复杂建筑环境中间接空冷冷却三角单元尺度流场重构的进一步优化提供理论支撑。

作为间接空冷的核心传热单元，冷却三角单元及其两侧冷却柱的流动传热特性研究逐渐受到重视。Wang等[21]研究指出，冷却三角单元顶角的大小对其流动传热特性影响较大。以顶角为60°、边长为10 m的直接空冷冷凝三角单元为例，Kong等[22]数值研究表明，三角通道内增设整流装置对直接空冷系统冷效的作用微乎其微，而间接空冷塔冷却三角单元顶角一般为45°~46°，且其冷却柱边长仅为2.6 m左右。Ma等[23]数值研究表明，大的冷却三角单元顶角可减小其进风偏离，有助于增大间接空冷塔的进风量。这表明间接空冷冷却三角单元的进风偏离度及其空气流场与大顶角大空间的直接空冷冷凝三角存在一定区别，因此有必要针对性研究间接空冷冷却三角单元流道气侧均流的调控机制[24]。

针对冷却三角单元内进风偏离所引起两侧冷却柱间空气流量分配不均、三角通道横向旋涡附加流动阻力等问题，上述研究仅停留在间冷塔系统大尺度流场优化层次。本文针对间接空冷塔加装及相邻未加装气侧均流的冷却三角单元，实验分析加装气侧均流装置后，冷却三角单元两侧冷却柱沿散热管束横向迎风风速、风温、壁温偏差及两侧出水柱壁温偏差，揭示气侧均流装置对冷却三角单元两侧冷却柱沿散热管束横向迎风风速、风温、壁温调控特征及出水壁温分布机理，可有效推进冷却三角单元尺度及间冷系统的传热强化提效。

1 实验对象及测点布置

1.1 实验的空冷塔及冷却扇段概况

某电厂自然通风间接空冷系统塔高210 m，零米直径164 m，循环水量105 643 m3/h，总进风量为51 602 m3/s，总散热面积260万m2，共包含12个冷却扇段和196个冷却三角。自然通风间接空冷塔各冷却扇段相对位置如图1所示。

图1 间冷塔各冷却扇段相对位置Fig.1 Relative position of each cooling sectors for a dry cooling tower

本自然通风间接空冷系统中共计8个冷却扇段、128个冷却三角单元已加装气侧均流装置，本次实验以第3冷却扇段内第8和第9号相邻冷却三角单元、第11冷却扇段内第1和第2号相邻冷却三角单元为实验对象，监测其风速、风温、壁温等典型特征参数。第3冷却扇段第8号冷却三角单元、第11冷却扇段第2号冷却三角单元均已加装气侧均流装置。第3冷却扇段第8、9号冷却三角单元相对位置如图2所示，其中第9号冷却三角单元位于图示第8号冷却三角单元的上侧，加装气侧均流装置后的冷却三角单元的横截面结构如图3(a)所示。以第3冷却扇段第9号冷却三角单元、第11冷却扇段第1号冷却三角单元作为对比，则未加装气侧均流装置，其横截面结构如图3(b)所示。

图2 第3冷却扇段中第8和第9号冷却三角单元位置Fig.2 Position of 8 and 9 cooling delta units in the third cooling sector

图3 加装气侧均流装置和原结构冷却三角单元Fig.3 Air side equalizing device and the original structure cooling delta unit

1.2 实验方法及测点布置

1.2.1 实验方法

以第3冷却扇段加装气侧均流装置的第8号冷却三角单元和相邻未加装气侧均流装置的第9号冷却三角单元为实验对象，分别测量其两侧冷却柱沿散热管束横向典型高度的迎风面风速、迎风面风温和迎风面壁温。实验测点全部安装于冷却柱迎风面上，对于单根冷却柱而言，冷却柱迎风面是指外界空气流入散热器管束的垂直立面，散热管束横向即为迎风面上的水平方向。以第11冷却扇段加装气侧均流装置的2号冷却三角单元和相邻未加装气侧均流装置的1号冷却三角单元为实验对象，分别测量两侧出水柱壁温。

1.2.2 实验测点布置

基于加装及未加装气侧均流装置的第3冷却扇段8、9号冷却三角单元，为避免下密封板对冷却三角单元通道内空气流场的影响，在8、9号冷却三角单元下密封板上端5 m高度位置，沿单根冷却柱散热管束横向五等分点处，间隔布置2组风速风温测点(V1、V2)及3组壁温测点(T1、T2、T3)，同一组风速、风温测点安装于同一位置，测点布置方式及编号如图4所示，L、R分别代表左侧、右侧冷却柱，编号顺序由冷却三角外侧开始命名为1，向内逐渐递增。每组风速、风温、壁温测点各包括1个管道式风速仪、1个贴片式PT100铂电阻和1个探针式PT100铂电阻，其中PT100铂电阻需结合进水壁温进行调零和调幅，通过无线网方式实时上传迎风面风速、迎风面风温和迎风面壁温数据至上位机(间隔5 s)。

图4 8、9号冷却三角单元的测点安装位置Fig.4 Measurement point installation position of the 8 and 9 cooling delta unit

基于未加装气侧均流装置的11冷却扇段1、2号冷却三角单元，分别在距离1、2号冷却三角单元进风口50 m处安装风向、风速、温度传感器，实时测量及上传1、2号冷却三角单元的环境风向、风速及风温；分别在1、2号冷却三角单元两侧出水柱的镀锌钢管和膨胀节外侧各安装1个PT100铂电阻，共安装8个PT100铂电阻，实时测量及上传1、2号冷却三角单元的两侧出水柱壁温，图5为出水柱壁温测点安装位置示意图，测量参数及所用仪表信息见表1。

表1 实验测量参数及仪表Tab.1 Experimental measurement parameters and instruments

图5 出水柱壁温测点安装位置Fig.5 Installation location of the wall water column temperature measurement point

1.2.3 实验方案

在测试时间段每间隔8 s记录一次风速、风温、壁温，研究第3、第11冷却扇段对应冷却三角单元中气侧均流装置对各冷却三角单元各冷却柱迎风侧风速、风温、壁温的影响规律，由此分析研究气侧均流装置对冷却三角单元空间冷却柱尺度气侧流动传热特性的影响机制，并揭示气侧均流装置对冷却三角单元出水壁温的调控作用。

2 试验结果及分析

2.1 8、9冷却三角单元迎风风速、风温、壁温分布研究

2.1.1 两侧冷却柱沿散热管束横向迎风风速

基于已加装气侧均流装置的第3冷却扇段8号冷却三角单元和未加装气侧均流装置的9号冷却三角单元，以某一时间段(2022年3月5日14:00—16:13)实测参数分析第3冷却扇段8、9号冷却三角单元两侧冷却柱沿散热管束横向迎风风速的变化规律。图6、7分别为为8号、9号冷却三角单元左侧、右侧冷却柱迎风风速分布，其中横坐标的数据个数为随时间增加的测点数据数量。

图6 8号冷却三角单元冷却柱迎风风速分布Fig.6 Windward wind velocity distribution of the 8 cooling delta unit cooling column

图7 9号冷却三角单元冷却柱迎风风速分布Fig.7 Windward wind velocity distribution of the 9 cooling delta unit cooling column

结合表2所示散热器管束迎风风速横向分布数据可以看出：8、9号冷却三角单元左侧冷却柱沿散热管束横向迎风外侧风速都大于迎风内侧风速，因为环境风向偏向右侧冷却柱，偏离左侧冷却柱；右侧冷却柱迎风外侧风速普遍大于迎风内侧风速，但对于部分时间点，迎风内侧风速大于迎风外侧风速，因为部分时间点环境风速增大，进风风向偏向迎风内侧测点，环境进风在外侧风向测点处形成横向涡流。

表2 3扇段散热器管束横向迎风风速变化Tab.2 Range of wind velocity in sector 3 m/s

2.1.2 两侧冷却柱沿散热管束横向迎风风温

基于已加装气侧均流装置的第3冷却扇段8号冷却三角单元和未加装气侧均流装置的9号冷却三角单元，以 2022年3月5日14:00—16:13 时间段获取的数据分析8、9号冷却三角单元两侧冷却柱沿散热管束横向迎风风温的变化规律。图8为8号冷却三角单元左侧、右侧冷却柱迎风风温分布图，图9为9号冷却三角单元左侧、右侧冷却柱迎风风温分布图。结合表3散热管束横向迎风风温数据可得：整体上看，同一冷却三角单元内两侧冷却柱沿散热管束横向迎风内外侧风温变化趋势相同，迎风外侧风温低于迎风内侧风温，越接近冷却三角单元两侧冷却柱交接处，迎风风温越高。对比来看，加装气侧均流装置的8号冷却三角单元左右两侧冷却柱横向迎风内侧风温的差值(即LV1与R-V1之差)仅为0.24~0.31 ℃，而未加气侧均流装置的9号冷却三角单元左右两侧冷却柱横向迎风内侧风温的差值达到了1.71~1.77 ℃；对比V2测点处8、9号冷却三角单元左右冷却柱迎风风温，8号冷却三角为0.54~0.91 ℃，9号冷却三角为0.91~1.04 ℃。因此可以得出结论，气侧均流装置可显著平衡同一冷却三角单元左右冷却柱沿散热管束横向迎风风温分布。

表3 3扇段散热器管束横向迎风风温变化范围Tab.3 The range of wind temperature in sector 3 ℃

图8 8号冷却三角单元冷却柱迎风风温分布Fig.8 Windward wind temperature distribution of the 8 cooling delta unit cooling column

图9 9号冷却三角单元冷却柱迎风风温分布Fig.9 TWindward wind temperature distribution of the 9 cooling delta unit cooling column

2.1.3 两侧冷却柱沿散热管束横向迎风壁温

基于已加装气侧均流装置的第3冷却扇段8号冷却三角单元和未加装气侧均流装置9号冷却三角单元，以2022年3月5日14:00—16:13时间段分析第3冷却扇段8、9号冷却三角单元两侧冷却柱沿散热管束横向迎风壁温的变化规律，结果如表4所示。图10为8号冷却三角单元左侧、右侧冷却柱迎风壁温分布图，图11为9号冷却三角单元左侧、右侧冷却柱迎风壁温分布图。可以发现：同一冷却三角单元两侧冷却柱沿散热管束横向迎风外侧壁温>迎风中部壁温>迎风内侧壁温，越接近冷却三角单元两侧冷却柱的交接处，循环水-空气的换热效果越好。对比8、9冷却三角单元左侧冷却柱三处壁温的波动差值，加装气侧均流装置的8号冷却三角壁温波动差值为4.89 ℃，而 9号冷却三角单元为7.69 ℃；同理，对于8、9冷却三角单元右侧冷却柱3处壁温的波动差值，8号冷却三角为4.45 ℃，9号冷却三角为6.11 ℃。由此可以看出，气侧均流装置可显著消除单根冷却柱的壁温偏差，平衡两侧冷却柱沿散热管束横向循环水-空气换热稳定性。

表4 3扇段散热器管束横向迎风壁温变化范围Tab.4 Range of windward wall temperature in sector 3

图10 8号冷却三角单元冷却柱迎风壁温分布Fig.10 Windward wall temperature distribution of the 8 cooling delta unit cooling column

图11 9号冷却三角单元冷却柱迎风壁温分布Fig.11 Windward wall temperature distribution of the 9 cooling delta unit cooling column

2.2 出水柱壁温分布研究

基于第11冷却扇段已加装气侧均流装置的2号冷却三角单元和相邻未加装气侧均流装置的1号冷却三角单元，其出水壁温均值定义为1 h内冷却三角气侧通道两侧出水柱上4个壁温测点处所测得的全部数据的平均值；单侧出水柱壁温均值定义为1 h内单侧出水柱上2个壁温测点所测得的全部数据数的平均值；环境风向、风速、风温均值定义为1 h内测得的冷却三角单元周围环境风向、风速、风温测点的全部数据的平均值。根据2022年1月23日13:00—21:00的现场实测数据(见表5、6)，此段时间内第11扇段1、2号冷却三角单元的百叶窗开度都为30%，1、2号冷却三角单元出水壁温均值及同时刻环境风向均值、风速均值、风温均值随时间变化趋势分别如图12—14所示，由此分析1、2号冷却三角单元出水壁温均值随时间的变化规律。

表5 第11扇段1、2号冷却三角出水柱壁温与环境条件Tab.5 Outlet wall temperature of 1 and 2 cooling delta in sector 11 and the data of the environment

表6 第11扇段1、2号冷却三角单侧出水柱壁温Tab.6 Single side outlet wall temperature of 1 and 2 cooling delta in sector 11 ℃

图12 1、2号冷却三角单元出水壁温均值及环境风向均值变化趋势Fig.12 Change trend of 1 and 2 cooling delta units outlet water average temperature and ambient wind direction

图13 1、2号冷却三角单元出水壁温均值及环境风速均值变化趋势Fig.13 Change trend of 1 and 2 cooling delta units outlet water average temperature and ambient wind velocity

图14 1、2号冷却三角单元出水壁温及环境温度均值Fig.14 Change trend of 1 and 2 cooling delta units outlet average water temperature and ambient temperature

结合环境风向和风速均值可得13:00—21:00时间段为小环境风速工况，同时间段内1、2号冷却三角单元出水壁温均差最小值为2.70 ℃，均差最大值为6.61 ℃，证明小环境风速工况下气侧均流装置大幅强化了2号冷却三角单元的换热性能。随着环境空气温度均值增加，1、2号冷却三角单元出水壁温均差减小，反之两者均差增大；实测时间段，环境温度低时百叶窗开度小，这表明气侧均流装置对冷却三角单元的换热性能强化幅度与百叶窗开度密切相关。

13:00—21 :00时间段内，1、2号冷却三角单元单侧出水柱壁温均值随时间变化趋势如图15所示，结合表5数据对比可得：1、2号冷却三角单元两侧出水柱温度均差在0.8 ℃以内，且2号冷却三角单元两侧出水柱温度的均差波动幅度小于1号冷却三角单元。

图15 单侧出水柱温度均值随时间变化趋势Fig.15 Change trend of the one-sided outlet column water temperature with time

1、2号冷却三角单元两侧出水柱温度均差与进出水壁温均值的比值随时间变化趋势如图16所示，由此分析气侧均流装置对两侧冷却柱换热稳定性的影响机制。

图16 1、2号冷却三角单元两侧出水柱壁温均差与进出水壁温均值的比值变化趋势Fig.16 Change trend of the outlet water column and the temperature water difference of the inlet and outlet water on both sides of the 1 and 2 cooling delta units

为衡量气侧均流消除冷却三角单元双侧冷却柱的出水温度偏差的作用，定义冷却三角单元两侧出水柱温度均差与进出水壁温均值的比值，比值越小，说明两侧出水柱的出水温差越小，冷却柱性能越好。如图16所示，在13:00—21:00时间段内，2号冷却三角单元两侧出水柱温度均差与进出水壁温均值的比值均小于1号冷却三角单元。在17:00之后，1、2号冷却三角单元两侧出水柱温度均差与进出水壁温均值的比值差距明显加大，2号最低降低至1号的1/4。结合表5，在17:00之后环境风速由小风速变化至3 m/s以上，这表明气侧均流装置具备在强化冷却三角单元换热性能的基础上优化两侧冷却柱的换热稳定性的优点，该优势随风速等级增加而明显。