采用數值與物理風洞確定煙塔合一類項目環境防護距離

朱明奕，張曉旭，李志強，吳岳，劉玲，李雨蒙

(1.天津市環境工程評估中心，天津 300191；2.天津市環境保護科學研究院，天津 300191；3.天津市大氣污染防治重點實驗室，天津 300191；4.天津環科瞻云科技發展有限公司，天津 300191)

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采用數值與物理風洞確定煙塔合一類項目環境防護距離

朱明奕1，張曉旭2,3,4，李志強2,3,4，吳岳2,3,4，劉玲2,3,4，李雨蒙2,3,4

(1.天津市環境工程評估中心，天津 300191；2.天津市環境保護科學研究院，天津 300191；3.天津市大氣污染防治重點實驗室，天津 300191；4.天津環科瞻云科技發展有限公司，天津 300191)

煙塔合一排煙方式具有很多獨特的優勢。由于該排煙方式原理較為復雜，所以很難確定煙塔合一類項目的環境防護距離。研究采用數值風洞與物理風洞方法預測冷卻塔下風向空腔區范圍，同時采用數值風洞預測冷卻塔下風向酸沉降范圍。預測結果表明，采用數值風洞與物理風洞方法所預測的冷卻塔空腔區范圍基本一致，數值風洞預測的酸沉降范圍小于空腔區范圍，可以根據空腔區范圍確定煙塔合一防護距離。因此，采用數值風洞與物理風洞兩種模式預測冷卻塔空腔區的范圍是必要且可行的，可以為煙塔合一類項目環境防護距離的制定提供依據。

煙塔合一；數值風洞；物理風洞；環境防護距離

煙塔合一排煙方式具有很大的環保優勢，因此近幾年國內涌現出很多煙塔合一類電廠項目。但煙塔合一類項目運行時在冷卻塔背風面會產生空腔區，當污染物卷入空腔區，會使地面濃度升高，所以一般都采用空腔區水平尺寸作為設置防護距離的依據。另外，冷卻塔近距離范圍內過飽和水蒸氣量較大，會產生“下雨”現象，排煙冷卻塔水蒸氣和煙氣混合后凝結成霧滴的過程中，會溶解煙氣中的部分SO2，從而造成霧滴pH值下降，對近距離建筑和土壤都帶來一定程度的影響，所以確定防護距離也要考慮到酸性物質沉降范圍的因素[1]。由于煙塔合一類項目的排煙模式原理較為復雜，尚無可靠的預測方法確定環境防護距離。目前多采用Austal2000模擬冷卻塔排煙問題，但該模型很難模擬出空腔區尺寸，也無法考慮酸性物質沉降情況[2]。目前常用于此類數值模擬研究的模型包括CALPUFF、AERMOD、WRF3、MM5、大渦模擬方法等[3]。這些模式無法計算濕冷塔排煙問題，且無法準確模擬近距離的湍流擴散影響，而物理風洞與數值風洞可以解決以上問題。

物理風洞，即物理風洞實驗，指在風洞中安置排煙冷卻塔和其他建筑模型，在滿足相似性準則的前提下，模擬流場及污染物濃度場分布和變化的實驗方法。數值風洞，即以計算流體力學、熱力學理論為基礎[4]，選擇合適的物理模型，構建包含大氣邊界層、構建筑物、熱交換、污染物狀態的煙塔合一排煙預測模型，再結合相應的數值算法，對研究區域內的壓力場、流場及污染物濃度分布場進行耦合求解的模型方法。數值風洞除計算空腔區范圍外，還可以通過UDF編程，計算酸沉降產生范圍[5]。

本文嘗試采用數值風洞、物理風洞方法對某煙塔合一項目近距離大氣環境質量產生的影響進行預測，以確定煙塔合一類項目的大氣環境防護距離。

1 數值風洞計算

由于煙塔合一的環境影響受到氣象、地形、排放方式的影響，加之確定和預測該技術對環境的影響涉及流體力學、熱力學、環境科學、計算數學等多學科、多領域，加大了分析的難度。所以采用計算流體力學(CFD)為平臺，計算不同氣象條件和排煙方式下冷卻塔周邊的流場、壓力場和污染物濃度場。

1.1 評價及預測范圍

(1)評價范圍

水平方向評價范圍為污染源下風向1 km范圍內高于5 m的所有建筑物的最遠距離。垂直方向評價范圍為地面至最高建筑物高度的距離。

(2)預測范圍

計算區域頂部高度沿評價范圍延伸平均高度的3倍距離，側面沿評價范圍延伸平均高度3倍距離，來流方向沿評價范圍延伸平均高度的5倍距離，尾流出流方向沿評價范圍延伸平均高度的10倍距離[6]。計算結果表明，預測范圍所設置的距離基本可以保證計算結果接近實際。

1.2 計算模型

(1)模型的建立及網格的劃分

利用三維建模軟件UG建立冷卻塔模型，通過布爾運算，得到冷卻塔排煙模型的計算域模型。利用網格劃分軟件ICEM對計算域進行網格劃分。對冷卻塔內壁、外壁進行網格加密。

(2)計算邊界條件的處理

基于FLUENT軟件進行數值模擬，確定出合理的邊界條件是計算的關鍵。為了使模擬的情況接近現實，對項目所在地的氣象統計參數進行分析，地面粗糙度等參數根據項目所在地2 km范圍內的情況設置，來流梯度風則根據風廓線相關參數設置。

關于出口流體風環境，流體在經過冷卻塔之后，流體風速和流動方向已經發生改變，在出口邊界上還有空氣大氣壓存在，相對于整個區域內，流體處在一種沒有氣壓的狀態，因此認為出流為正常流動，流域的3個側面和上空面共4個面都設置為自由滑移表面。流體流動確定為無建筑物阻礙的正常流動，在出口相對壓力為零，計算時設置為Outflow，以自由出流為主。

(3)空腔區的模擬計算

進流邊界取大氣邊界層風速剖面速度為入口邊界條件，出口采用自然出流，建筑物邊界采用壁面無滑移邊界條件。根據邊界層參數試驗的結果進行UDF編程，并嵌入FLUENT內進行大氣邊界條件溫度、風速、濕度的設置。

1.3 計算結果

(1)空腔區計算結果

空腔區計算結果如圖1所示。根據本文計算的大氣防護距離結果，該冷卻塔下風向空腔區高220 m，其長度和寬度隨高度變化，冷卻塔地面空腔區長度為400 m左右。

圖1 湍流分布Fig.1 Turbulent distribution

(2)酸沉降范圍計算結果

2 物理風洞計算

2.1 參數設置

坐標系定義：X軸正方指向下風向，Z軸垂直向上，Y軸垂直于風向，與X、Z軸組成右手坐標系。坐標軸的原點根據模型位置的不同有不同的定義。

物理風洞試驗中單次采樣時間為4 s，采樣頻率為1000 Hz。為消除時間尺度大于4 s的脈動對湍流測量數據的影響，在每一種工況條件下，對每一個采樣點重復采樣12次，取其統計平均值作為該點在該工況下的湍流強度代表值。實驗模型如圖2所示。

圖2 實驗模型Fig.2 The experimental model

2.2 實驗結果

考慮到氣流流過冷卻塔時會產生卡門渦街，而這些湍渦在向下游傳遞過程中會逐漸衰減，最后融入背景湍流中。冷卻塔的空腔區就是通過對一定時間內卡門渦街的統計平均，由高于背景湍流強度一定程度的區域來定義。根據物理風洞實驗結果，該冷卻塔下風向空腔區高208 m左右，其長度和寬度隨高度變化，冷卻塔地面空腔區長度達到的最大值為350 m左右。

3 設定環境防護距離

由于煙塔體積很大，阻擋了上風氣流，在煙塔背風側形成一定程度的負壓區，稱作空氣動力空腔區，有吸引排氣口高濃度煙氣的效應?？涨粎^的最大水平尺度可以作為計算煙塔大氣環境防護距離的依據。由于空腔區內煙塔排放的大氣污染物濃度可明顯超過空氣質量標準，因此當空腔區水平尺度超過廠界時，必須設置大氣環境防護距離。

根據數值風洞與物理風洞分析結果，數值風洞計算得到的空腔區長度為400 m、高度為220 m，物理風洞計算得到的空腔區長度為350 m、高度為208 m，空腔區范圍在下風向400 m以內；冷卻塔下風向近距離存在酸沉降問題，主要影響范圍基本上集中于距離塔心100～300 m處，在空腔區范圍以內。因此，按物理風洞和數值風洞模擬結果分析，可以將煙塔底座邊緣400 m范圍以內的區域設置為環境防護距離。為了安全起見，可以根據實際情況適當擴大環境防護距離。

4 結論

采用數值風洞與物理風洞結合的方法可以很好地對煙塔合一類項目排放污染物濃度、空腔區大小、濕度大小等參數進行預測和實驗。對于本算例而言，數值風洞計算空腔區長度為400 m、高度為220 m，物理風洞計算空腔區長度為350 m、高度為208 m。

采用數值風洞與物理風洞計算出的煙塔空腔區范圍基本一致，數值風洞計算出的空腔區范圍略大于物理風洞試驗結果。數值風洞除可以計算出煙塔下風向空腔區范圍以外，還可以計算出煙塔下風向濕沉降范圍?？偟膩碚f，兩種方法可以互相補充，作為制定煙塔合一類項目防護距離的依據。

[1] 張麗娜, 趙林, 陳璐, 等. 數值風洞與物理風洞對煙塔合一排煙的比較研究[J]. 環境科學與技術, 2013, 36(5): 141- 146.

[2] 莫華. 探討“煙塔合一”技術在環評中大氣環境的防護距離[J]. 環境保護科學, 2010, 36(6): 39- 41.

[3] Villiers E De, Kroger D G. Analysis of heat, mass, and momentum transfer in the rain zone of counterflow cooling towers[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1999, 121 (4): 751- 755.

[4] 王占山, 潘麗波, 李云婷, 等. 火電廠大氣污染物排放標準對區域酸沉降影響的數值模擬[J]. 中國環境科學, 2014, 34(9): 2420- 2429.

[5] 孟鳳鳴. 冷卻塔影響評價技術分析[J]. 環境科學與管理, 2018, 33(11): 182- 186.

[6] 袁國棟. 天津高層住宅小區平面規劃布局風效應研究[D]. 天津: 天津大學, 2012：22.

[7] 張麗娜. 采用數值風洞模型對熱電廠煙塔合一大氣污染擴散的研究[J]. 環境污染與防治, 2013, 35(4): 67- 74.

[8] 李志強, 劉炳江, 周陽, 等. 利用fluent模型對煙塔合一大氣污染擴散數值風洞研究[C]//2011中國環境科學學會學術年會論文集(第二卷). 2011.

Buffer Zone of Natural Draft Cooling Towers(NDCT) with Flue Gas Injection by Numerical Wind Tunnel and Physical Wind Tunnel

ZHU Ming-yi1, ZHANG Xiao-xu2,3,4, LI Zhi-qiang2,3,4, WU Yue2,3,4, LIU Ling2,3,4, LI Yu-meng2,3,4

(1.Tianjin Environmental Engineering Evaluation Center, Tianjin 300191, China; 2.Tianjin Environmental Science Academy, Tianjin 300191, China; 3.Tianjin Key Laboratory for Air Pollution Control, Tianjin 300191, China; 4.Tianjin Huanke Zhanyun Technology Development Co., Ltd., Tianjin 300191, China)

Natural Draft Cooling Towers (NDCT) with flue gas injection has many unique advantages, but due to its complexity, it is difficult to identify its buffer zone. In this paper,the area of cavity near the cooling towers is studied by numerical wind tunnel and physical wind tunnel, and the area of acid deposition is predicted by the numerical wind tunnel as well. Results showed that the precipitation areas of two modes were almost the same, while the area of acid deposition was usually smaller than that of cavity. Therefore, the study concludes that it is necessary and feasible to predict the air cavity of cooling towers by both the two tunnels. The study can provide references for identifying the buffer zone of NDCT.

natural draft cooling towers with flue gas injection; numerical wind tunnel; physical wind tunnel; buffer zone

2016-12-12

天津市環境保護科學研究院院長基金資助項目(YZJJ-2015-005)；天津市自然科學基金應用基礎重點項目(13JCZDJC36100)；天津市環境保護科學研究院院長基金資助項目(YZJJ-2015-001)

朱明奕(1982—)，男，工程師，碩士，主要從事火電、冶金、化工石化醫藥項目環境影響評價文件技術評估工作，E-mail：4465397@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.04.013

X823

A

2095-6444(2017)04-0057-03