AP1000MW核電機組冷卻塔結構數據的優化和研究

周蘭欣，趙笙簫

(華北電力大學 電站設備狀態檢測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

AP1000MW核電機組冷卻塔結構數據的優化和研究

周蘭欣，趙笙簫

(華北電力大學 電站設備狀態檢測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

利用計算機軟件，對某AP1000MW核電機組的超大型冷卻塔進行了數值模擬，據綜合計算，得出了冷卻塔的喉部高度與塔高之比，確定了冷卻塔喉部的上部曲率，并分析了喉部半徑與零米處的半徑之比。優化冷卻塔的結構參數，減少了對出塔水溫的影響。計算結果表明，當冷卻塔的結構參數為特定值時，可提高冷卻塔的性能。

核電； 超大型； 冷卻塔； 塔體； 結構； 數值； 模擬； 計算

0 概 述

核能發電是一種高效清潔的發電方式。目前，核電機組由沿海向內陸發展已成為趨勢。在AP1000MW核電機組中，自然通風冷卻塔的淋水面積比同容量火電機組大40%～45%[1-3]。塔體的結構尺寸也隨著淋水面積而急劇增加。因此，優化超大型冷卻水塔的結構參數，也是一個緊迫的問題。

現以ANSYS Fluent軟件為計算工具[4-7]，在給定冷卻水塔填料層厚度[8-9]、淋水密度[10]、環境溫度和濕度的條件下[2]，通過優化塔體的喉部直徑、喉部高度、出口直徑，以達到降低出塔水溫的目的。

冷卻塔母線方程計算式[1,3]：

(1)

式(1)中，r為冷卻塔半徑；h為冷卻塔高度；α為冷卻塔曲率；r0是喉部半徑。

采用Fluent軟件，研究了塔體結構與出塔水溫的關系。喉部上部曲率αu1取值為0.11、0.13、0.15、0.17、0.19；喉部高度與塔高比(喉部高度比)h2/h取值為0.6、0.7、0.8、0.9；喉部半徑與零米半徑比(喉部半徑比)r0/r2取值為0.2～0.8。

1 計算模型

冷卻塔塔內的流體，可分為充滿整個冷卻塔塔內空間的濕空氣(連續相)、冷卻塔雨區和噴淋區的水滴(離散相)、填料區液膜[9]。基于流體力學理論，采用ANSYS Fluent軟件，計算冷卻塔的熱力性能。在噴淋區和雨區，采用離散相模型，計算塔內水滴的流動。在填料區、配水區、除水器區內，采用多孔介質模型，模擬氣水之間的傳熱傳質。

1.1 濕空氣控制方程

(2)

1.2 水滴傳熱傳質方程

在冷卻塔內，水滴與空氣相之間發生對流換熱，水滴中的熱焓傳遞給空氣。水滴溫度的計算：

(3)

式(3)中，Mp是計算域內控制體的水滴質量；Tp是控制體的水滴溫度；Tadb是空氣干球溫度；Ap是水滴的換熱表面積；cp是水滴的比定壓熱容；h是對流傳熱系數；hfg是水的汽化潛熱；t是水滴下落時間。

1.3 阻力計算

進行阻力計算時，通常把冷卻塔分成：進風口、雨區、填料區、噴淋區以及除水器區，然后分別計算各區域的阻力。進風口、雨區、填料以及除水器等塔芯結構的阻力，一般用壓降方式表示：

Δp=AρVn

(4)

式(4)中，A、n是實驗測試數據的經驗數據。

(5)

式(5)中，Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz是特性系數；q是淋水密度，m3/(m2·h)；ρ1是進塔空氣密度，kg/m3；ρm是進出塔空氣密度平均值，kg/m3。

1.3.2 除水器阻力系數ξc

(6)

1.3.3 其它結構阻力系數

進風口阻力系數ξjfk和配水管網阻力系數ξgw均取值為0.5。

2 計算邊界及網格劃分

2.1 幾何模型及網格劃分

某AP1000MW核電機組的冷卻塔，在初選塔形時，設定的總高度為220 m，零米直徑為173.228 m，塔筒底部直徑為165.3 m，填料頂面直徑為163.56 m，塔頂出口直徑為109 m，進風口高度為12.2 m，填料厚度為2 m，淋水面積為20 000 m2。

計算域為直徑600 m、高度800 m的圓柱體，計算區域分成塔內流場和塔外流場。在塔內流場，使用六面體和楔形網格劃分方法，如圖1所示。在塔外區域，采用六面體結構的網格劃分方法。計算表明，當計算模型的網格數量分別為145萬和180萬時，出塔水溫相差不超過3%，因此，將網格數量定為145萬進行模擬計算。

圖1 網格劃分

2.2 工況條件

核電機組所在地的氣象及工況條件，如表1所示。

表1 氣象條件及計算工況

序號熱力工況年均氣象條件1大氣壓力/hPa10062干球溫度/℃17.53濕球溫度/℃14.74相對濕度/℃75.55冷卻水量/m3·s-1536冷卻水溫差/℃10.57進水溫度/℃40

2.3 邊界條件

在無風工況下，進出口壓力均為計算時的邊界條件，如圖2所示。塔壁、環境地面為無滑移邊界條件；離散相在進出口、水池面、環境地面均為逃逸邊界條件；循環水水滴采用面射流模型引入塔內，水滴當量直徑為5 mm。

圖2 邊界條件

3 塔型的計算結果

3.1 塔內速度場分布

在v=0 m/s工況下，當喉部半徑與零米半徑比為0.2～0.8，通過計算，分析了半徑比對冷卻性能的影響。在圖3中，分別列出了r0/r2=0.55、0.6、0.65、0.7時，z=0截面速度的分布圖。在靜風工況下，塔內流場呈現軸對稱形式流動。濕空氣沿程受到塔芯結構的阻力作用，進風口到除水器風速處于低速區，在填料層風速達到最小。經過填料層換熱的濕熱空氣基本達到飽和，由于淋水區、配水系統、除水器的阻力系數較小，經過填料后的空氣流速逐漸提高。經計算可知，當r0/r2=0.65時，風筒喉部平均風速達到最大值，通風量達到最大值，為35 906.977 kg/s。這是因為當r0/r2=0.55、0.6時，風筒喉部通風面積與淋水面積之比相對較小，通風阻力較大，喉部風速增加有限；當r0/r2=0.7時，風筒喉部面積與淋水面積之比增大過多，不能充分地發揮塔筒結構的抽吸作用，導致喉部流速降低。

(a) r0/r2=0.55 (b) r0/r2=0.6

(c) r0/r2=0.65 (d) r0/r2=0.7

圖3 當h0/h=0.77時，z=0截面速度分布圖(單位：m/s)

3.2 水池面溫度分布

圖4反映的是不同的喉部半徑與零米半徑之比r0/r2=0.55、0.6、0.65、0.7的水池面溫度等值線圖。由圖4可知，水池面溫度由外向內逐漸升高，在水池面的中心區域達到最大值。隨著r0/r2逐漸增大，水池面溫度的平均值，有先降后增的變化趨勢。當r0/r2=0.65時，水池面的平均溫度值最低，而當r0/r2=0.7時，水池面平均溫度值明顯有所回升。

(a) r0/r2=0.55 (b) r0/r2=0.6

(c) r0/r2=0.65 (d) r0/r2=0.7

圖4 喉部半徑比為定值時，水池面溫度分布圖(單位：K)

圖5反映的是不同的喉部高度比h2/h=0.6、0.7、0.8、0.9的水池面溫度等值線圖。由圖5可知，h2/h的比值變化，對出塔水溫有一定的影響。隨著h2/h比值的增大，出塔水溫先降后升，存在一個最優值。當h2/h=0.8時，水池面的平均溫度值最低。這是因為風筒喉部高度過高或過低，都將導致冷卻塔的總阻力系數增大。如果喉部高度的比值較大，風筒就需要更大的抽力，在氣象條件不變的情況下，需建造更高的風筒。但是，如果喉部高度比值較小，出口阻力系數過大，導致冷卻塔總阻力系數增大，冷卻塔性能降低，將使出塔水溫升高。

(a)h2/h=0.6 (b)h2/h=0.7

(c)h2/h=0.8 (d)h2/h=0.9

圖5 當喉部高度比一定時，水池面溫度分布圖(單位：K)

3.3 塔體參數對出塔水溫的影響

塔筒出口半徑增大，則塔筒上部曲率αu1也相應增大。從表2可知，上部曲率為0.19與上部曲率為0.11時相比，出塔水溫的平均值降低了0.092℃。這是由于出口直徑減小，出口阻力增加，使得通風量減少，造成出塔水溫偏高。

表2 當h2/h=0.77，r0/r2=0.6時，喉部上部曲率αu1對出塔水溫的影響

序號12345上部曲率0.110.130.150.170.19出塔水溫/℃29.63729.61329.58829.56329.545

表3反映了出塔水溫隨著喉部高度比h2/h先降低而后升高。當h2/h=0.8時，取得最優值，且h2/h=0.8比h2/h=0.9的出塔水溫降低了0.526℃。

表4表明，當h2/h=0.770時，出塔水溫隨著喉部半徑和零米半徑之比r0/r2先減小，后增大，說明r0/r2的比值存在一個轉折點，即最優點。當h2/h=0.8，r0/r2=0.65比h2/h=0.8、r0/r2=0.6時，出塔水溫降低了0.204℃。

表3 當r0/r2=0.6時，喉部高度和塔高之比h2/h對出塔水溫的影響

序號1234h2/h0.60.70.80.9出塔水溫/℃29.92729.70429.45129.977

表4 當αu1=0.19時，h2/h和r0/r2對出塔水溫tout的影響(單位：℃)

h2/hr0/r20.550.60.650.70.75529.74829.60929.39729.6910.76729.71629.57629.36429.6600.77029.68529.54529.33229.6290.78529.65429.51329.30029.6260.79329.62429.48329.27929.5960.80029.59329.45129.24729.565

4 結 語

以某核電機組的超大型冷卻塔的模擬計算為例，分析了塔體結構參數對出塔水溫的影響規律，得到了較為優化的冷卻塔結構參數。

(1)當h2/h=0.77，r0/r2=0.6時，αu1=0.19比αu1=0.11出塔水溫平均值降低了0.092℃。

(2)當αu1=0.19時，隨著喉部高度和塔高之比h2/h的增加，出塔水溫平均值先降低后升高。h2/h=0.8比h2/h=0.9的出塔水溫降低了0.526℃。

(3)當αu1=0.19，h2/h=0.8時，r0/r2=0.65與r0/r2=0.6相比，出塔水溫降低了0.204℃。

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Study and Optimization on Structure Data of Cooling Tower of AP 1000MW Nuclear Power Unit

ZHOU Lan-xin，ZHAO Sheng-xiao

(The Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei, China)

A super large cooling tower of AP1000MW nuclear power unit was simulated according to the calculation by use of computer software, through comprehensive calculations, the ratio of cooling tower throat height and the tower height is gotten, the upper curvature of the cooling tower throat, and the ratio of throat radius meters and zero radius is analyzed. The structural parameters of the cooling tower were optimized to reduce the influence on the water temperature of the tower. The results show that the performance of the cooling tower can be improved when the structural parameters of the cooling tower are specific.

nuclear power; large; cooling tower；tower body; structure；numerical; stimulate; calculation

1672-0210(2017)01-0001-04

2016-10-31

2016-11-08

周蘭欣(1956-)，男，教授，主要從事直接空冷機組節能方面的研究及汽輪機的節能優化。

TL353+.1

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