660 MW直接空冷機組鋼結構小機間冷塔流動阻力特性研究

王林，楊博，普建國，郭三虎，劉愛軍，趙如宇，宋曉輝，康嘉林

（西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

660 MW直接空冷機組鋼結構小機間冷塔流動阻力特性研究

王林，楊博，普建國，郭三虎，劉愛軍，趙如宇，宋曉輝，康嘉林

（西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

為研究鋼結構小機間冷塔的阻力特性，以某電廠660 MW直接空冷機組小機間冷塔為研究對象，運用流體力學方程建立計算模型，借助ICEM－CFD及Meshing軟件完成網格劃分，利用Fluent軟件計算了模型各處的流場特性，使用ANSYS軟件計算了小機間冷塔各部位的阻力系數。結果表明，鋼制空冷塔喉部區域負壓最大，空氣流速最大；X柱處局部阻力系數小于筒身處，折彎處的局部阻力系數最大；塔身各處局部阻力系數隨雷諾數增大變化較小。

660 MW機組；給水汽輪機；鋼結構間冷塔；阻力特性

0 引言

我國水資源嚴重匱乏，地域分布極不均衡［1－2］。內蒙古、山西、陜西等北方地區是我國的能源基地，蘊藏著豐富的煤炭資源，具備發展大型煤電基地和坑口電站群的基礎條件，但上述地區同時又是我國水資源最為缺乏的地區，電力工業的發展受到水資源的嚴重制約。火電廠空冷技術具有顯著的節水優勢［3－5］，在破解富煤缺水地區火電產業發展難題中正得到越來越廣泛的應用［6－7］。

內蒙古地區某火力發電項目，一期工程包括2臺660 MW超臨界直接空冷火電機組，近期已全部投產。該電廠處于我國嚴寒地區，冬季無法實現混凝土冷卻塔的施工。設計單位創新性地提出了給水小汽輪機采用鋼結構間接冷卻塔的技術方案。小汽輪機雙曲線鋼結構空冷塔的應用，降低了造價，縮短了工期，實際節水效果明顯。鋼結構間冷塔與混凝土冷卻塔的構造單元不同，塔體內流場有差異，因此二者的冷卻特性有明顯區別。目前，行業內針對鋼結構小機間冷塔阻力特性的研究較少，為更好地指導生產運行，并為高效鋼結構間冷塔的設計提供理論指導，本文對某電廠660 MW直接空冷機組鋼結構小機間冷塔的阻力特性進行了研究計算。

1 分析方法

1.1 結構簡述

電廠冷卻塔通常由筒體、支撐柱等部件組成，鋼構形式和傳統混凝土形式的空冷塔詳細結構不完全相同。某電廠鋼結構間接空冷塔風筒基本參數見表1，小汽輪機間冷塔的整體結構如圖1所示。

圖1 鋼構形式間冷塔三維結構

表1 鋼結構間接空冷塔參數

1.2 分析方法

本計算采用計算流體力學（CFD）數值分析的方法完成流場分析的計算工作，計算采用Fluent軟件。整個計算模型首先采用CAD軟件進行幾何模型構建，然后采用專業網格劃分工具ICEM－CFD及Meshing進行網格劃分，最后使用Fluent進行前處理計算設置、計算求解以及后處理和數據處理，最終得到模型各部位的流場分布和流動特性結果。

為了如實模擬間冷塔工作時的流動情況，本計算使用下列方法來實現：（1）使用穩態定常模擬方法；（2）使用強制塔頂出口風速的方式控制間冷塔流量；（3）使用常溫常壓下的空氣物性參數用于計算；（4）使用RNGk－ε湍流模型模擬流動中的湍流。

本計算對邊界條件的處理方法為：入口邊界，包含一定湍流強度的速度入口邊界；出口邊界，恒定靜壓的壓力出口邊界；對稱面，完全滑移的對稱邊界；固體壁面，水力光滑的壁面邊界。

1.3 數據處理方法

本分析中對于阻力系數的定義為

式中：ξ為阻力系數；A為特征截面流通面積，在本分析中選取間冷塔出口截面作為特征界面，m2；qm為特征截面處的質量流量，kg/s；ρm為流體的平均密度；在此ρm≈ρv，ρv為氣體密度；Δp為分析得到的壓差，Pa。

本分析中將在間冷塔模型中設置4個取壓面，在計算完成后分別讀取各面上的靜壓值，最終根據這些數據獲得最終的阻力系數結果。各取壓面的位置和編號如圖2所示。

圖2 各取壓面的位置和編號

間冷塔中各區段的流動阻力系數劃分為：塔筒阻力系數，面A至B的流動區間；拐彎向上阻力系數，面B至C的流動區間；X柱的阻力系數，面C至D的流動區間。

1.4 計算方法可靠性校驗

為了驗證使用上面描述分析方法的計算精度，本項目選用一個有工程解的流動問題作為驗證考題。選取90°彎管（管子直徑為7.8 m）進行建模，對其生成網格，網格劃分示意圖如圖3所示。

圖3 90°彎管三維網格劃分示意

將上述網格導入Fluent中設置邊界條件進行計算，計算公式為

式中：Δp為截面1和截面2的壓差，Pa；ξ為局部阻力系數；ρ為流體密度，kg/m3；v為局部阻力件上游速度，m/s。

在Fluent中設置邊界條件為：入口速度分別為1，10，40，60，80，100m/s，出口背壓為11kPa，壁面粗糙度為0.3 mm。對于90°彎管，彎頭下游出口距離L＞5d（d為管徑）時，管內流動基本趨于穩定，沿程動壓基本趨于穩定，此后的管段可以取為壓力測量點；而上游由于流動較穩定，因此取靠近彎頭的地方較為合適。本算例中，取得上游壓力測量點為圖4中截面1，下游壓力測量點為圖4中截面2，90°彎管局部阻力系數計算見表2。

由計算結果可知，90°彎管在不同的入口流速下，彎頭的局部阻力系數均在0.145左右波動，取得平均值ξ＝0.14488，《實用流體阻力手冊》查得該彎頭的阻力系數為0.14750，與經典值符合，因此本文采用的計算方法是可靠的。上述算例截取90°彎管的壓力云圖和速度矢量圖如圖5～6所示。

2 分析過程

2.1 計算模型

為了建立計算所用的結構模型，依據間冷塔本設計數據，使用CAD軟件對三維幾何模型進行創建和相關處理。由于間冷塔在結構和流場兩方面均滿足周向對稱的條件，為了使計算更加便捷，本文使用周向1/12模型（即30°角）進行分析。此外，為了使塔體進、出口的流動能夠充分發展，在流道幾何模型上對間冷塔的進、出口均進行了適當延長。完成結構模型的建立后，模型被導入Meshing及ICEMCFD中進行網格劃分，最終得到的模型網格數約為5700萬。

圖4 上游和下游壓力測量點

表2 90°彎管局部阻力系數計算

圖5 90°彎管的壓力云圖

圖6 90°彎管的速度矢量圖

2.2 計算結果

通過計算獲得了鋼制間冷塔工作時的流場分布，計算獲得的流場云圖如圖7～8所示。從圖中可以看出，鋼結構間冷塔喉部區域的流速最大、負壓最大，且喉部向兩側流體流速與負壓呈現逐步減小的趨勢。

圖7 間冷塔（鋼架）縱截面處速度云圖

圖8 空冷塔（鋼架）縱截面處靜壓云圖

X柱（鋼架）處局部阻力系數與雷諾數的關系見表3（計算混凝土X柱阻力系數時均以入口空氣流速為計算標準，空氣密度取1.225 kg/m3，下同），冷卻塔塔筒（鋼架）處局部阻力系數與雷諾數的關系見表4（在計算塔筒阻力系數時均以出塔空氣速度為計算標準），拐彎向上部分阻力系數見表5（該部分計算阻力系數時均以散熱器后迎面風速為計算基準）。由表3～5可知，鋼結構小機間冷塔從底部X柱區域到筒身，再到塔身拐彎向上部分，阻力系數逐漸增大。

表3 X柱（鋼架）處局部阻力系數與雷諾數的關系

3 鋼結構間冷塔與混凝土冷卻塔比較

根據上文所得結果，對比計算了相同規模的鋼制冷卻塔與混凝土冷卻塔的流動阻力。計算參數如下：假設空氣入口流速為1.2 m/s，入口空氣溫度為15℃，出口空氣溫度為50℃，則本文塔形下塔頂出口的空氣流速為6.76 m/s，混凝土塔與鋼結構塔阻力系數計算結果表6。

表4 冷卻塔塔筒（鋼架）處局部阻力系數與雷諾數的關系

表5 拐彎向上部分阻力系數

表6 同規模混凝土塔與鋼結構塔流動阻力比較

4 結論

為研究鋼結構空冷塔的阻力特性，以某電廠660MW直接空冷機組小機間冷塔為對象建模，分析計算了塔基X柱處、塔筒處以及拐彎向上部位的局部阻力系數，并研究了局部阻力系數隨雷諾數增大的變化規律，得到以下結論：（1）鋼結構空冷塔喉部區域負壓最大，流體流速最大，抽吸力最大；（2）鋼結構間冷塔X柱處阻力系數約為0.16，筒身處約為1.02，拐彎向上部分約為1.07；（3）鋼結構間冷塔局部阻力系數隨雷諾數增大變化很小；（4）鋼結構空冷塔完全可以替代混凝土冷卻塔。

［1］戴振會，孫奉仲，王宏國.國內外直接空冷系統的發展及現狀［J］.電站系統工程，2009，25（3）：1－4，11.

［2］劉紅彬.直接空冷機組的熱經濟性分析［J］.文摘版：工程技術，2015（34）：299－300.

［3］劉潤來，李永生.采用直接空冷和中水回用技術建設節水型火電廠［J］.中國電力，2007，40（10）：17－19.

［4］王麗，張義江，郭民臣，等.積灰及迎面風速對直接空冷機組性能的影響［J］.中國電力，2015，48（2）：21－26.

［5］楊雪梅.200 MW空冷機組節水技術技改研究與應用［J］.熱電技術，2015（2）：19－23.

［6］王佩璋.2×600 MW空冷與水冷電廠節水指標的計算和評價［J］.發電設備，2007，21（3）：214－218.

［7］劉振華，陳磊，胡偉，等.節能發電調度下考慮空冷機組節水效應的火電機組排序［C］//中國電機工程學會.中國電機工程學會第十一屆青年學術會議論文集，2010：799－803.

（本文責編：白銀雷）

TM 621

A

1674－1951（2016）10－0005－04

王林（1989—），男，山東青島人，助理工程師，碩士，從事大型火電機組節能環保技術開發與應用方面的工作（E-mail：wanglina＠tpri.com.cn）。

2016－08－18；

2016－09－21