三塔合一間接空冷塔熱力性能的數(shù)值研究

趙文升，郭 浩，宋百川

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北保定071003)

三塔合一間接空冷塔熱力性能的數(shù)值研究

趙文升，郭 浩，宋百川

(電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北保定071003)

利用FLUENT數(shù)值計(jì)算軟件建立了散熱器塔外垂直布置和塔內(nèi)水平布置的三塔合一間接空冷塔的數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同環(huán)境風(fēng)速進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了相應(yīng)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，分析了散熱器的布置方式對(duì)熱力性能的影響。研究結(jié)果表明：無(wú)風(fēng)時(shí)，散熱器的布置方式對(duì)熱力性能的影響非常?。淮嬖诃h(huán)境風(fēng)，當(dāng)風(fēng)速不超過(guò)12 m/s時(shí)，兩種布置方式的熱力性能差異較??；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)12 m/s時(shí)，兩種布置方式的熱力性能差異逐漸變大；散熱器塔外垂直布置的空冷塔的熱力性能優(yōu)于散熱器塔內(nèi)水平布置的空冷塔的熱力性能。為這種復(fù)合塔的優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

散熱器；三塔合一；間接空冷塔；熱力性能

0 引言

隨著煙塔合一技術(shù)的成熟應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上出現(xiàn)了三塔合一技術(shù)，即將脫硫塔內(nèi)置于空冷塔內(nèi)，由煙塔合一改為三塔合一。三塔合一技術(shù)借鑒了煙塔合一技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，具有節(jié)水、節(jié)能和環(huán)保效益。在節(jié)能減排的形式下，三塔合一技術(shù)將在火電行業(yè)得到快速發(fā)展。

目前已經(jīng)投運(yùn)了多臺(tái)三塔合一間接空冷機(jī)組，已有一些相關(guān)的模擬研究。文獻(xiàn)[1]以某600 MW三塔合一間接空冷機(jī)組與某600 MW常規(guī)濕冷機(jī)組為對(duì)象，比較了兩者的靜態(tài)投資經(jīng)濟(jì)性、節(jié)水能力以及煙氣抬升高度方面的差異；文獻(xiàn)[2]以某電廠(chǎng)600 MW間接空冷設(shè)備為例，全面模擬了間接空冷三塔合一的流場(chǎng)特性及自然風(fēng)對(duì)其的作用效果，并采用了有效的防風(fēng)方法；文獻(xiàn)[3]模擬了自然風(fēng)和排煙高度對(duì)三塔合一的換熱特性的作用效果；文獻(xiàn)[4]和[5]分析了塔內(nèi)設(shè)備、煙囪排煙和環(huán)境風(fēng)對(duì)間接空冷塔傳熱性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行了變工況的分析。以上的成果針對(duì)的是散熱器塔外垂直布置的三塔合一間接空冷機(jī)組，但間接空冷機(jī)組的散熱器還可以在塔內(nèi)水平布置，那么散熱器與塔內(nèi)設(shè)備的位置關(guān)系將發(fā)生變化，會(huì)影響塔內(nèi)的流場(chǎng)和熱力性能。因此需要研究散熱器的布置方式對(duì)空冷塔熱力性能的影響規(guī)律。

通過(guò)FLUENT軟件，以某600 MW三塔合一間接空冷系統(tǒng)為例，分別建立散熱器塔外垂直布置和塔內(nèi)水平布置的模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了散熱器的布置方式對(duì)熱力性能的影響。

1 三塔合一模型

1.1 物理模型

以某電廠(chǎng)600 MW三塔合一間接空冷塔為模型進(jìn)行計(jì)算。三塔合一空冷塔基本參數(shù)如表1所示[6]，兩種散熱器布置方式的空冷塔示意圖如圖1～2所示。

表1 三塔合一空冷塔基本參數(shù)

三塔合一間接空冷塔的物理模型分為空冷塔和其外部環(huán)境兩部分，其中外部環(huán)境的尺寸遠(yuǎn)大于空冷塔的尺寸。對(duì)空冷散熱器劃分網(wǎng)格時(shí)，采取比較密集的網(wǎng)格。對(duì)外部環(huán)境劃分網(wǎng)格時(shí)，利用尺寸函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即由中心向外，網(wǎng)格漸漸變稀疏。通過(guò)對(duì)空冷塔和散熱器的網(wǎng)格不斷加密，驗(yàn)證模擬結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，保證模擬結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)量的影響。對(duì)于物理模型依次劃分網(wǎng)格數(shù)量為3 434 554、5 225 706和7 089 283，以驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量的無(wú)關(guān)性。模擬結(jié)果說(shuō)明在幾種典型工況下進(jìn)塔風(fēng)量隨網(wǎng)格數(shù)量的改變變化均很小，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為為3 434 554。

圖1 散熱器塔外垂直布置時(shí)的示意圖

圖2 散熱器塔內(nèi)水平布置時(shí)的示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法

表2列出了數(shù)學(xué)模型的通用控制方程變量的表達(dá)式[3]。

表2 通用控制方程變量的表達(dá)式

空冷塔的空氣換熱方程的通用形式如下[4]：

(1)

式中：ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ為通用變量，可以表示為u，ν，ω，T等求解變量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

描述氣體流過(guò)散熱器時(shí)選用可實(shí)現(xiàn)κ-ε湍流模型；選用組分輸運(yùn)模型來(lái)處理排煙和塔內(nèi)氣體之間的夾雜流動(dòng)。

選用穩(wěn)態(tài)求解器，空冷塔壁面設(shè)置為壁面邊界條件。無(wú)環(huán)境風(fēng)工況下，外部環(huán)境的周?chē)O(shè)置為壓力入口，上部設(shè)置為壓力出口。側(cè)風(fēng)工況下，外部環(huán)境迎風(fēng)側(cè)設(shè)置為速度入口。自然風(fēng)的速度為冪指數(shù)風(fēng)速廓線(xiàn)計(jì)算公式編寫(xiě)的UDF函數(shù)，迎風(fēng)面的風(fēng)速分布用下式表示[7]:

(2)

式中：u0為高度為10 m處的環(huán)境風(fēng)速；y為所求點(diǎn)的高度。

下風(fēng)側(cè)設(shè)置為自由流出，另外幾個(gè)面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界，煙囪的入口設(shè)置為速度入口。

建立數(shù)值模型時(shí)對(duì)空冷散熱器進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，選用多孔介質(zhì)模型對(duì)散熱器的流動(dòng)阻力及換熱特性進(jìn)行模擬。在原動(dòng)量方程的基礎(chǔ)上，多孔介質(zhì)模型增加了可代表物理模型空間流動(dòng)阻力的動(dòng)量源項(xiàng)，其由粘性損失項(xiàng)和內(nèi)部損失項(xiàng)組成[8]。

(3)

式中：Si為動(dòng)量方程的源項(xiàng)；μ為動(dòng)力粘度；ui為i方向的速度；umag為速度的大??；uj為j方向的速度；ρ為流體密度；α為滲透率；C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得換熱器阻力性能數(shù)據(jù)[6]，擬合得到換熱器法向方向阻力損失與速度之間的關(guān)系式如下：

Δp=4.77u2+6.19u

(4)

計(jì)算粘性阻力系數(shù)1/α=144 880，慣性阻力系數(shù)C2=3.119 02[9]。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 散熱器塔外垂直布置時(shí)熱力性能分析

當(dāng)散熱器在塔外垂直布置時(shí)，在空冷塔的抽力作用下，周?chē)睦淇諝馀c散熱器完成換熱后，從底部進(jìn)入塔內(nèi)，隨后流動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由水平流動(dòng)變?yōu)橄蛏狭鲃?dòng)，然后從塔出口流出[10-12]。當(dāng)脫硫塔和煙囪在塔底的中心布置時(shí)，會(huì)減小空氣在塔底的流通區(qū)域，即流動(dòng)阻力會(huì)變大。圖3為沒(méi)有環(huán)境風(fēng)時(shí)中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，空氣的壓力、溫度和速度的分布均關(guān)于空冷塔的中心軸對(duì)稱(chēng)；空冷塔內(nèi)部沿著空氣的流動(dòng)方向壓力逐漸升高；空氣與散熱器進(jìn)行完熱交換后溫度升高；空氣在向塔出口流動(dòng)的過(guò)程中流速持續(xù)增大；塔內(nèi)設(shè)備對(duì)塔內(nèi)的壓力和溫度的分布影響較小，但會(huì)使塔底部的氣體流場(chǎng)出現(xiàn)了一部分低速區(qū)域。排煙的速度和溫度均比周?chē)臒峥諝獾乃俣群蜏囟却?，因此排煙位置周?chē)臒峥諝獾乃俣葧?huì)增大，溫度會(huì)升高，有利于進(jìn)塔風(fēng)量的增加。此外，排煙周?chē)臒峥諝獾母∩?huì)對(duì)排煙起到抬升的作用，阻礙排煙對(duì)塔內(nèi)設(shè)備的腐蝕，利于煙氣的凈化排放，利于環(huán)保。

圖3 散熱器垂直布置時(shí)無(wú)風(fēng)工況下分布云圖

存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，三塔合一結(jié)構(gòu)的流動(dòng)換熱特性出現(xiàn)顯著的空間特性。圖4為環(huán)境風(fēng)速4 m/s時(shí)中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，塔內(nèi)空氣溫度和壓力分布不再均勻，與散熱器進(jìn)行完熱交換的高溫空氣區(qū)域發(fā)生變化，高溫空氣區(qū)域向背風(fēng)側(cè)偏移，并且背風(fēng)側(cè)的高溫區(qū)域略大于迎風(fēng)側(cè)的高溫區(qū)域；塔內(nèi)部和塔出口熱空氣流動(dòng)的跡線(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)排煙流動(dòng)的跡線(xiàn)也發(fā)生偏轉(zhuǎn)，都向背風(fēng)側(cè)發(fā)生了一定角度的偏轉(zhuǎn)，由于排煙速度大于周?chē)鸁峥諝獾乃俣?，排煙流?dòng)跡線(xiàn)變化比較小。

圖4 散熱器垂直布置時(shí)4 m/s工況下分布云圖

2.2 散熱器塔內(nèi)水平布置時(shí)熱力性能分析

當(dāng)散熱器在空冷塔內(nèi)呈環(huán)狀水平布置時(shí)，在空冷塔的抽力作用下，空氣由空冷塔入口流入塔內(nèi)，隨后流動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由水平流動(dòng)變?yōu)橄蛏狭鲃?dòng)，大部分空氣與塔內(nèi)水平布置的環(huán)狀散熱器進(jìn)行熱交換，一部分空氣從環(huán)狀散熱器的中心圓孔流過(guò)[13-15]。從散熱器流過(guò)的空氣的溫度會(huì)明顯大于從中心圓孔流過(guò)的空氣的溫度。由于散熱器存在阻力，從中心圓孔流過(guò)的空氣的速度會(huì)較大，可能會(huì)對(duì)從散熱器流過(guò)的空氣有一定的抬升作用。圖5為沒(méi)有環(huán)境風(fēng)時(shí)中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，塔內(nèi)的壓力、溫度和速度的分布趨勢(shì)與散熱器塔外垂直布置時(shí)大致相同。

圖5 散熱器水平布置時(shí)無(wú)風(fēng)工況下分布云圖

圖6為環(huán)境風(fēng)速4 m/s時(shí)中間剖面的壓力、溫度和速度的分布云圖。從圖中可以看出，存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，各個(gè)云圖出現(xiàn)顯著的空間特性，塔內(nèi)空氣溫度和壓力分布不再均勻，高溫空氣區(qū)域向迎風(fēng)側(cè)偏移，并且迎風(fēng)側(cè)的高溫區(qū)域大于背風(fēng)側(cè)的高溫區(qū)域；塔內(nèi)部和塔出口熱空氣流動(dòng)的跡線(xiàn)向背風(fēng)側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，排煙流動(dòng)的跡線(xiàn)也向背風(fēng)側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，排煙流動(dòng)跡線(xiàn)變化比較小。脫硫塔和煙囪在塔底的中心位置布置，減少了塔底空氣的流動(dòng)區(qū)域，從環(huán)狀散熱器中心圓孔流過(guò)的空氣的流量減少，流動(dòng)速度變小，且向背風(fēng)側(cè)的偏轉(zhuǎn)角度也變小，對(duì)從背風(fēng)側(cè)流進(jìn)空冷塔的空氣的抑制作用減弱，背風(fēng)側(cè)的換熱性能有所改善。

圖6 散熱器水平布置時(shí)4 m/s工況下分布云圖

圖7 進(jìn)塔風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速變化的規(guī)律曲線(xiàn)

2.3 兩種散熱器布置方式的熱力性能比較

圖7、8分別為散熱器塔外垂直布置和塔內(nèi)水平布置的進(jìn)塔風(fēng)量和熱負(fù)荷隨環(huán)境風(fēng)速變化的規(guī)律曲線(xiàn)。從兩個(gè)曲線(xiàn)圖可以看出，每一種布置形式的進(jìn)塔風(fēng)量和熱負(fù)荷隨環(huán)境風(fēng)速變化的走勢(shì)是相同的。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不超過(guò)6 m/s時(shí)，兩種布置形式的進(jìn)塔風(fēng)量和熱負(fù)荷相差比較小。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過(guò)6 m/s時(shí)，兩種布置形式的進(jìn)塔風(fēng)量相差逐漸變大，但熱負(fù)荷的差異相對(duì)較小。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過(guò)12 m/s時(shí)，散熱器塔外垂直布置的進(jìn)塔風(fēng)量和熱負(fù)荷開(kāi)始逐漸增加，但散熱器塔內(nèi)水平布置的進(jìn)塔風(fēng)量和熱負(fù)荷的變化趨勢(shì)趨于平緩。在整個(gè)模擬的環(huán)境風(fēng)速的范圍內(nèi)，散熱器塔外垂直布置的進(jìn)塔風(fēng)量和熱負(fù)荷都優(yōu)于散熱器塔內(nèi)水平布置的。

圖8 熱負(fù)荷隨環(huán)境風(fēng)速變化的規(guī)律曲線(xiàn)

3 結(jié)論

沒(méi)有環(huán)境風(fēng)時(shí)，散熱器兩種布置方式的三塔合一間接空冷塔內(nèi)壓力、溫度和速度的分布趨勢(shì)幾乎相同，布置方式對(duì)熱力性能的影響非常小。存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，布置方式對(duì)空冷塔的熱力性能的影響開(kāi)始明顯。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速不超過(guò)12 m/s時(shí)，兩種布置方式的熱力性能差異較小；當(dāng)環(huán)境風(fēng)速超過(guò)12 m/s時(shí)，兩種布置方式的熱力性能差異逐漸變大。在整個(gè)范圍內(nèi),散熱器塔外垂直布置的空冷塔的熱力性能優(yōu)于塔內(nèi)水平布置的空冷塔的熱力性能。

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Numerical Research on the Thermal Performance of the Indirect Air Cooling Tower with Three Incorporate Towers

ZHAO Wensheng,GUO Hao,SONG Baichuan

(MOE’s Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Two numerical models were established for indirect air cooling tower with three incorporate towers with FLUENT software,one with the radiator installed outside the tower vertically and the other with the radiator installed in the tower horizontally.Pressure field,temperature field and velocity field were acquired using numerical calculation in different wind speed conditions.The influence of the installation on the thermal performance was studied in details.The results indicate that when the influence of the installation on the thermal performance can be negligible with no wind.When the wind speed is not more than 12 m/s,the difference of the thermal performance of two kinds of installation is relatively small.When the wind speed exceeds 12 m/s,the difference of the thermal performance of two kinds of installation becomes bigger.The thermal performance of the air cooling tower with the radiator installed vertically outside is better than that of the air cooling tower with the radiator installed horizontally in the tower.The conclusion can provide a reference for the optimal operation of this kind of composite tower.

radiator; three incorporate towers; indirect air cooling tower; thermal performance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.006

2016-09-12。

TK264.1

1672-0792(2017)01-0032-05

趙文升(1969-)，男，副教授，主要從事汽輪機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與運(yùn)行優(yōu)化、空冷系統(tǒng)優(yōu)化等方面的工作。