熱電廠排煙冷卻塔塔型對煙氣擴散影響研究

馬 喆，李志強，張曉旭，張麗娜

(1.天津市環境保護科學研究院 天津300191；2.天津市大氣污染防治重點實驗室 天津300191)

0 引 言

“煙塔合一”技術是將鍋爐產生的煙氣通過自然通風冷卻塔排放至大氣的技術。其原理是將電站鍋爐產生的煙氣，通過管道進入冷卻塔，在冷卻塔淋水面上方排出，跟隨冷卻塔中的上升氣流進入大氣，并利用水蒸氣在外環境釋放的潛熱進行抬升，從而實現煙氣中污染物擴散的工程方式。2004年，天津東北郊熱電廠選址受天津濱海國際機場凈空限高的制約，成為我國第一個煙塔合一排煙方式設計的熱電廠；2007年軍糧城熱電廠五期也由于機場限高的原因成為采用煙塔合一排煙方式的擴建電廠；2010年天津北塘熱電廠和天津南疆熱電廠受天津濱海新區景觀要求的影響，也都采用了煙塔合一排放模式。然而，煙塔合一排煙方式并非是環保的電廠煙氣排放方式，煙塔合一方式存在著煙氣下洗、霧滴帶泥、酸沉降等問題。尤其是冷卻塔周邊是否存在大氣污染物超標，超標的范圍有多大成為建設項目環境影響評價和周邊居民重點關注的環境問題。

為了解復雜區域內流場特征，科研工作者從20世紀60年代就開始了探索研究，并開創了結構風工程學科。經過數十年的發展，其研究方法包括了理論分析、實地勘測、風洞實驗以及數值模擬技術[1]。其中以計算流體動力學為核心的數值模擬技術在建筑、橋梁、汽車、航空航天及環保等領域均有著廣泛的應用[2-4]，其理論也日趨成熟。尤其是將數值風洞模擬技術應用于復雜地形上的污染擴散及風結構模擬，許多學者已經從不同角度展開研究，并取得了豐碩的成果[5-9]。

與傳統模型方法相比，數值風洞具有如下優點：①試驗周期短，費用低。在計算機上可以方便地修改各種參數，研究不同方案下的試驗模型結果，優化設計方案。②可以方便地利用實測數據，設置求解參數或邊界條件。③不受風洞試驗中的相似律等問題困擾，具有模擬真實和理想條件的能力，便于進行理論模型實驗。④試驗數據充足，圖形可視。⑤模型不受測點數目及布置部位的限制，可以完整地獲取風壓分布圖、流場流速分布圖、流線圖。

本研究針對近年來環保領域煙塔合一排放方式的排放特征，以國內現有典型12座熱電廠排煙冷卻塔為研究對象，采用數值風洞模型的方法，重點描述冷卻塔下風向壓力場、流場及湍流強度場的一般規律，并總結不同冷卻塔塔型對排煙冷卻塔下風向空腔區的影響規律。

1 材料與方法

1.1 研究對象

課題選取華電江陵發電廠、國電朝陽熱電廠等12個電廠冷卻塔作為數值風洞模型空腔區模擬研究對象。熱電廠煙塔合一排放煙氣的參數見表1。

表1 煙塔合一排放參數表Tab.1 Parameters of smoke tower

1.2 物理模型及計算方法

本研究以計算流體力學、熱力學理論為基礎，構建大氣邊界層、建構筑物、熱交換、污染物狀態數值風洞模型。

數值風洞是計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱為CFD)技術與數據可視化技術、網絡技術、數據庫技術相結合的產物。前置幾何處理及CFD求解器、CFD數據可視化、圖形用戶界面以及相關的網絡通信和數據庫是數值風洞軟件系統的核心技術。數值風洞技術已經成為科學研究和工程實踐中的一個不可或缺的工具，采用數值風洞技術可以在很大程度上避免理論和實驗的困難與缺陷。數值風洞模擬包括數值計算方法、計算網格生成、湍流模型等內容。目前主要的數值模擬方法可分為：有限差分法、有限元法、有限體積法和渦方法。有限體積法物理意義明確，能夠保證離散方程的守恒特性，同時繼承了有限差分和有限體積法的優點，在數值風洞的商用軟件中應用最為廣泛。網格生成可采用結構網格和非結構網格，非結構網格具有構造方便、自適應能力強等特點，對計算域局部網格加密有較好的表現。

1.2.1 連續性方程

連續性方程是質量守恒定律在流體力學中的具體表述形式。它的前提是對流體采用連續介質模型，速度和密度都是空間坐標及時間的連續、可微函數。

對于三維不定常流，用 x、y、z表示空間直角坐標，用 u、v、w 作為質點的速度 U 的分量，ρ是流體的密度，則具體數學表達式如下：

1.2.2 三維N-S方程

三維 N-S方程實質上是微分形式的動量方程，見式(2)～(4)。對任一流動系統而言均遵循動量定理，即微元系統內流體的動量隨時間的變化率等于作用在該微元系統上所有外力之和。該定律實際上是牛頓第二定律。

式中：fx、fy、fz分別為質量力的分量，N/m2；p 為大氣壓力，Pa。

1.2.3 湍流方程

在實際工程湍流計算中 k-ε二方程模型應用最廣，本次研究以 k-ε二方程模型為主。k-ε二方程模型中的k指單位質量流量的湍流脈動動能，ε指脈動動能的耗散率。在引入一些假設后，由N-S方程推得的k-ε方程如下：

式中：k為湍流動能；i為自由指標；μ為動力粘性系數；ε為湍流中單位質量流體脈動動能的耗散率；σk為湍動能的湍流普朗特數，取1.0；C1ε、C2ε、C3ε均為模型常量；Gk為由層流速度梯度而產生的湍流動能；Gb為由于浮力影響而引起的湍流動能；YM為在可壓縮湍流中脈動膨脹對總耗散的影響；μt為湍流粘性系數(流體力學的公式中一般變量均為無量綱，下同)。

k-ε流動方程的湍流普朗特數表示在氣體里動量的分子擴散系數與熱量的分子擴散系數的比值。

1.2.4 熱傳質方程

熱傳質是由于溫度差所引起的能量傳遞過程，以及因物質組分濃度差異而伴隨發生的物質遷移現象。熱傳質是以導熱、對流傳熱和輻射傳熱為傳遞過程的基本形式及建立經典理論框架的基本內涵，加上基本形式的耦合及其與各種基本原理和應用深層交叉融和衍生的傳遞現象。

能量方程的形式為：

式中：E為單位質量流體的存儲能；P為靜壓；T為溫度；hj為組分j所占的比例；uj為速度；(τij)eff為有效的切應力張量；uj(τij)eff為耗散功；keff為有效熱傳導系數；Jj為組分j的擴散流量；Sh為化學反應熱以及其他定義的體積熱源項。該方程右邊前3項分別描述了熱傳導、組分擴散和黏性耗散帶來的能量運輸。

1.3 數值風洞模型的建立

利用 Fluent前置軟件 Gambit建立三維預測模型，劃分網格并設置基本邊界條件，建立電廠排煙冷卻塔三維數值風洞模型，網格劃分以5,m為步長。

1.4 計算情景方案

為研究不同塔型對冷卻塔下風向空腔區范圍的影響，各空腔區模擬模型選取相同的氣象參數，風速取20,m/s，風廓線指數取0.15。環境溫度設置為25,℃，溫度層結按每升高1,000,m溫度下降6,℃計，環境相對濕度為80%,。

2 計算結果的分析

2.1 電廠排煙冷卻塔周邊流場模擬

為研究電廠排煙冷卻塔下風向流場分布規律，以安慶電廠冷卻塔作為冷卻塔下風向流場分析研究對象。將冷卻塔劃分為迎風面、側面和背風面 3部分。由數值風洞對冷卻塔表面壓力場模擬可以看出：在冷卻塔迎風面上呈正壓分布，冷卻塔側面呈負壓分布，冷卻塔背風面喉部以下呈正壓分布，但冷卻塔口附近出現左右不對稱的兩個負壓區域，見圖1。

圖1 壓力場分布結果(風速10,m/s)單位(Pa)Fig.1 Distribution of pressure field(wind velocity：10,m/s)Unit：Pa

結合大氣流場分析可以發現，冷卻塔口處兩個負壓區域中流場為旋流場，左側旋流逆時針旋轉，右側旋流順時針旋轉。因此當煙氣從冷卻塔口排放后，位于冷卻塔中心區域的煙氣向上運動，冷卻塔口兩側邊緣的煙氣在流場帶動下向下運動，從而引起煙氣下洗。負壓旋流場隨著距離的增加而逐漸減弱，至冷卻塔下風向300,m左右區域逐漸消失，見圖2。

圖2 速度矢量流場分布(風速10,m/s)Fig.2 Distribution of velocity vector field(wind velocity：10,m/s)

2.2 冷卻塔下風向空腔區模擬結果

所謂“空腔區”是指當流體流過鈍頭物體(非流線體)時，在物體的下游邊界處會發生流動分離現象，背風側的分離區中會出現低壓區。由于冷卻塔的形狀不同，空腔區的大小也不盡相同，基本特征為冷卻塔的高度決定空腔區的高度，冷卻塔的寬度決定空腔區的寬度，空腔區的長度則由冷卻塔的高度和內徑的比例決定，因此冷卻塔的外形曲線對空腔區的范圍影響也較大。

通過計算冷卻塔下風向一定范圍內的湍流強度分布，以湍流強度分布結果確定冷卻塔下風向空腔區的范圍。以安慶電廠冷卻塔下風向湍流強度場分布結果為例，進行說明，見圖3。安慶電廠下風向空腔區高 240,m，其長度和寬度隨高度變化，冷卻塔上部區域(180,m 高)空腔區長度達到最大值為 460,m，寬度為 140,m；隨后空腔區長度隨高度降低而變短，在冷卻塔中部區域(110,m 高)達到最小值為 320,m，寬度為 140,m；冷卻塔下部區域(50,m 高度)空腔區長度為 500,m，寬度為 240,m；近地面區域(10,m 高度)空腔區長度為600,m，寬度為280,m。

圖3 空腔區分布圖(風速10,m/s)Fig.3 Distribution of cavity(wind velocity：10,m/s)

2.3 不同冷卻塔型排煙冷卻塔下風向空腔區分布結果分析

如表2所示，選取華電江陵發電廠、國電朝陽熱電廠等12個電廠冷卻塔作為數值風洞模型空腔區模擬研究對象，對不同類型冷卻塔空腔區進行模擬。模擬結果顯示，冷卻塔下風向空腔區高度為1.22～1.46,H(H 為冷卻塔高度)，上部空腔區寬度為 0.83～1.45,d(d為冷卻塔出口直徑)，下部空腔區寬度為 2.59～4.40,D(D為冷卻塔底部直徑)。

表2 空腔區分布結果Tab.2 Distribution of cavity

本次研究中華電江陵發電廠、國電朝陽熱電廠等12個電廠冷卻塔塔高和出口直徑之比分布在 1.71～2.98之間，按塔高和出口直徑之比可大致分為細長型冷卻塔和粗短型冷卻塔。

其中塔高和出口直徑之比＞2.0的冷卻塔為細長型冷卻塔，其代表為國電朝陽熱電廠冷卻塔、大唐沈東電廠冷卻塔、三河電廠冷卻塔等；塔高和出口直徑之比＜2.0的冷卻塔為粗短型冷卻塔，其代表為正寧電廠冷卻塔、京能盛樂電廠冷卻塔、華能西寧熱電冷卻塔等。

粗短型冷卻塔上部空腔區最大長度為 590～1,000,m，約 3.60～5.23,H(H 為塔高)，在冷卻塔中部空腔區長度有所減小，中部空腔區長度為 400～670,m，約 2.25～3.81,H；細長型冷卻塔上部和中部空腔區長度范圍為 280～450,m，上部空腔區長度約為1.92～2.77,H，中部空腔區約為 1.69～3.69,H，明顯小于粗短型冷卻塔。

3 結論與展望

①根據模擬結果冷卻塔口下風向附近出現左右不對稱的 2個負壓區域，結合大氣流場分析可以發現，冷卻塔口處兩個負壓區域中流場為旋流場，左側旋流逆時針旋轉，右側旋流順時針旋轉。因此當煙氣從冷卻塔口排放后，位于冷卻塔中心區域的煙氣向上運動，冷卻塔口兩側邊緣的煙氣在流場帶動下向下運動，從而引起煙氣下洗。

②冷卻塔下風向空腔區范圍與冷卻塔塔型密切相關，以華電江陵發電廠、國電朝陽熱電廠等 12 個電廠冷卻塔作為數值風洞模型空腔區模擬研究對象，模擬結果顯示，冷卻塔下風向空腔區高度為 1.22～1.46,H(H為冷卻塔高度)，上部空腔區寬度為 0.83～1.45,d(d為冷卻塔出口直徑)，下部空腔區寬度為2.59～4.40,D(D 為冷卻塔底部直徑)。細長型冷卻塔空腔區長度比例范圍明顯小于粗短型冷卻塔。

③研究結果與應用實踐證明，數值風洞模型的預測結果可以準確地描述冷卻塔下風向壓力場、流速場和湍流強度場分布場情形，并可以直觀、形象地對排煙冷卻塔下風向空腔區范圍進行表現，為建立大氣污染預測的新模式提供了新的思路。