間冷塔散熱器圓環布置對換熱性能的影響

李慧君， 楊長根

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

在我國“三北”地區，為了解決富煤缺水矛盾，空冷發電機組得到了廣泛地應用[1]。空冷技術分為直接空冷和間接空冷。間接空冷塔(簡稱間冷塔)因具有顯著的節水優點，逐漸成為大型空冷機組的發展方向。由于間冷塔的冷卻效率易受環境溫度、環境風大小和方向等因素影響，越來越多學者對影響間冷塔的換熱機理進行了深入的研究。

近幾十年來，數值模擬研究[2]和實驗研究[3]都得出了一個相似的結論，環境風能夠降低空冷塔的冷卻效率。楊立軍等[4]研究了散熱器翅片結構尺寸對間冷塔傳熱性能的影響；杜小澤等[5]通過CFD模擬了不同溫度、不同風速和不同風向下間冷塔散熱器的運行特性；忻煒等[6]通過對間冷塔內外空氣流動和傳熱性能進行了研究，分析了不同環境風速下傳熱性能和機組背壓的變化規律；席新銘等[6]通過數值模擬分析了環境風和煙塔高度對三塔合一間冷塔熱力性能的影響；王藍婧等[7]對660 MW SCAL 型間冷塔夏季安全運行改造方案進行了研究，并指出夏季環境風速為12 m/s時間冷塔的流動傳熱性能最差，機組發生大幅度降負荷和跳閘的可能性最大；Zhao等[9,10]通過分析了流經單個冷卻柱、單個冷卻三角和每個扇區的流量和靜壓變化，并計算了冷卻柱的進口溫度和出口溫度變化，在此基礎上又指出散熱器外側布置導流板可以有效改善空氣流經散熱器時的入流偏離角度，改善冷卻三角內空氣的流場分布；李嵐等[11]以600 MW機組間接空冷塔為對象，研究了SCAL型間接空冷塔動態特性；Preez等[8]首次提出擋風墻的概念后眾多學者對此展開研究；張艾萍等[9]分析了外圍擋風墻的可能性；Zhai等[10]研究表明擋風墻應當被垂直于環境風向布置在間冷塔的側邊，并且擋風墻的寬度應當優化；Goodarzi[11]提出了一種新型空冷塔出口結構，以減弱側風情況下冷卻塔的縮喉效應。Wang等[12]研究了間冷塔在側風下的配水方案，從而提高其換熱性能。隨著研究的深入，對傳統間冷塔散熱器的布置方案進行了研究。Preez等[13]發現了對于垂直布置的散熱器環境風的影響要大于塔內部水平布置的散熱器；2014年，Goodarizi等[18]在保持有效受熱面積不變時，將圓形設置為橢圓型，并研究了三種短軸與長軸之比，分別為0.5、0.75和1時，其換熱性能隨環境風速的變化；Yang等[14]研究了間冷塔散熱器沿等邊三角形垂直布置對其換熱性能的影響；Du等[15]研究了在間冷塔內部分別沿半徑和方形水平布置散熱器的流動特性和換熱性能。

目前，由于對間冷塔散熱器布置方案的研究還較少，故以某660 MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，保持傳統方案間冷塔(簡稱鐵三角布置方案)鐵三角的總體積和總散熱面積不變，將散熱器沿塔中心圓周垂直布置成一個圓環形，利用Fluent軟件針對夏天最惡劣的氣象條件，分別考慮塔周圍有無建筑物的存在，對鐵三角和圓環布置方案進行數值模擬，對兩者進行分析對比，從而為間冷塔散熱器的布置方案提供一定的參考。

1 數值計算方法

1.1 幾何模型

本文選取某660 MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，其相應設備的結構尺寸如表1所示。選取的計算域為500 m×500 m×500 m(X×Y×Z)并創建間冷塔的幾何模型。散熱器局部圖如圖1所示。將散熱器分成24個扇區，如圖2所示。考慮到實際電廠空冷塔周圍有建筑物的存在，鐵三角布置方案周圍建筑物分布與圓環布置方案相同，如圖3所示(1～9為建筑物)。

1.2 網格劃分、邊界條件和收斂準則

間冷塔散熱器和內外流體區域采用Map和Cooper方式生成網格。選取鐵三角布置方案且塔周圍無建筑物，環境風速為5.5 m/s進行網格無關性驗證。

表1 間冷塔和散熱器的結構尺寸

圖1 散熱器局部圖

圖2 散熱器分區示意圖

圖3 圓環方案周圍建筑物布置圖

取網格數為257萬、335萬和421萬進行數值計算。結果表明：間冷塔出口質量流量偏差小于2.6%，符合工程實際要求。因此，鐵三角布置方案有無建筑物的網格數為374萬和335萬；同理圓環布置方案有無建筑物的網格數為296萬和288萬。

邊界條件設置：進口為velocity-inlet，出口為outflow。間冷塔迎風面不同高度處風速采用冪指數規律變化函數，風速的計算公式為：

(1)

式中：ν0為離地面10 m高度處的環境風速，m/s；z為距地面的高度，m。

收斂準則：本文選取可實現(Realizable)k-ε湍流模型；環境風密度僅考慮溫度的影響，采用Boussinesq近似假設；在對控制方程離散化時采用一階差分迎風格式，為保證計算結果的準確性，收斂精度除能量離散方程殘差控制在10-6以下，其他方程殘差控制在10-4以下。

1.3 數值模型

對間冷塔各計算區域建立質量守恒、動量守恒、能量守恒、湍動能和湍動能耗散率等方程。采用換熱器中的簡單效能模型及多孔介質模型來模擬水和空氣的換熱過程。在換熱器模型中，換熱器區域總的換熱量為：

(2)

式中：qmacro為單個macro的換熱量，W。

換熱器模型為整個換熱器的核心區域提供了更接近實際的換熱量的分配方法。

1.4 數值模型驗證

夏季工況間冷塔設計參數，如表2所示。對該設計工況進行模擬計算，結果如表3所示。因此，所建數值模型是符合要求的。

表2 間冷塔設計參數

表3 數值模擬驗證結果

2 影響間冷塔換熱性能的因素分析

對于沿間冷塔圓周垂直布置的散熱器，影響其換熱性能的主要因素有風速、散熱器布置方式及建筑物等。

選取環境風速為0 m/s、5.5 m/s、8 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s和20 m/s，分別對不同方案進行模擬分析。

2.1 風速對間冷塔換熱性能的影響

當環境風速為12 m/s時，選取鐵三角布置方案且無建筑物。結果表明：迎風區通風量最大，背風區次之，側風區最小。這是因為環境風流經間冷塔時，做“圓柱繞流”流動(該繞流的結果使塔外的壓力低于塔內，同時使塔背風面的壓力下降)，減小了背風區和側風區的通風量，如圖4所示。

圖4 12 m/s無建筑物時z=7.5 m截面速度場

而這種影響隨風速的增加而增強，使背風區和側風區的通風量進一步減少。環境風通過側風區散熱器時，因切向風速大、壓力低，故流入塔內的通風量減小。此時，側風區部分扇區出現“穿堂風”，雖風量不大，但換熱性能變差。因迎風區通風量大于背風區，故進入塔內的氣流相遇后，在塔底形成渦流場并且影響塔內上升氣流流動和塔底側風區和背風區空氣的流入。

在環境風的作用下，塔出口處形成“風阻”效應，如圖5所示。在一定范圍內隨著風速的增大，該“風阻”效應越來越明顯，即α越來越小，使塔內氣流的有效通流面積變小，但同時由于風速過快造成對塔內空氣的吸力加強，在兩者相互作用下，導致塔出口質量流量下降。

圖5 12 m/s無建筑物時y=0 m截面速度場

不同環境風速下，單位扇區通風量變化如圖6所示。當無環境風時，由于在塔吸力作用下，塔四周空氣與散熱器對流換熱后均勻的進入到塔內，故使得塔各扇區通風量和換熱量基本相等；迎風區換熱性能隨著環境風速的增加而提高；當環境風速為8 m/s時，側風區出現“穿堂風”，且在一定范圍內隨著風速的增加，形成“穿堂風”的扇區數量增多；當環境風速不超過12 m/s時，側風區由于“穿堂風”量增加使得通風量減小，換熱性能下降，當環境風速超過12 m/s時，“穿堂風”量的增加反而使得側風區換熱性能略提高；背風區通風量隨著環境風速的增加而減小，換熱性能下降。

圖6 單位扇區通風量隨環境風速變化

2.2 散熱器布置方式對間冷塔換熱性能的影響

散熱器為鐵三角布置時，迎風區每個鐵三角內的兩個散熱器換熱面與環境風向形成的夾角近似相同，故通風量近似相等且較大，使得鐵三角單元的換熱性能較好。

圖7為散熱器與風向的關系。側風區每個鐵三角內的兩個散熱器的通風量相差較大，是因為環境風向與散熱器迎風面所形成的夾角不同，如圖7(a)所示。即散熱器2和4的夾角α1較大，散熱器1和3的夾角α2較小。因此，散熱器2和4的通風量大，其換熱性能較好，而散熱器1和3的通風量小，其換熱性能較差，使得鐵三角單元的換熱性能變差。從迎風區到側風區這種現象越來越明顯，即相當于有效換熱面被減少，使得換熱效果變差。故鐵三角布置散熱器時，相當一部分的散熱器的換熱面積沒有被充分利用，降低了間冷塔的換熱能力。

圖7 散熱器與風向的關系

對于圓環布置方案，在相同條件時，一定環境風速范圍內可以較好地避免有效換熱面積被減少的現象，如圖7(b)所示。但風速較小時，散熱器的布置方式對其換熱能力的影響有限。當風速在一定范圍內增大，迎風面圓環布置的有效換熱面積大于鐵三角布置，因此，換熱能力也高于鐵三角布置。

塔周圍無建筑物且環境風速為12 m/s時，鐵三角和圓環布置方案在z=15 m時溫度場分布，如圖8所示。圓環布置方案迎風區和部分側風區平均溫度要略低于鐵三角布置方案，但其背風區平均溫度要高于鐵三角布置方案。

圖8 12 m/s無建筑物時z=15 m截面溫度場

取環境風速為5.5 m/s、8 m/s和12 m/s，鐵三角布置方案和圓環布置方案其單位扇區通風量隨環境風速變化如圖9所示。當環境風速從5.5 m/s增加到12 m/s時，圓環布置方案1到5扇區和20到24扇區通風量均大于鐵三角布置方案，故該扇區換熱性能提高；當環境風速為8 m/s時，圓環布置方案相比鐵三角布置方案：形成“穿堂風”的扇區數量增多，使得側風區換熱性能下降，而背風區換熱性能也下降，由于換熱性能下降的幅度大于其上升的幅度，故塔整體換熱性能下降；當環境風速為12 m/s時，圓環布置方案相比鐵三角布置方案：側風區換熱性能提高，但其背風區換熱性能下降且幅度較大，故塔整體換熱性能仍下降。

圖9 單位扇區通風量隨環境風速變化

2.3 建筑物對間冷塔換熱性能的影響

當環境風速為12 m/s時，選取鐵三角布置方案且塔周圍有建筑物時，間冷塔截面速度云圖分布，如圖10所示。環境風流過建筑物時，由于塔外通流面積減小，其流速大小和流向都將發生改變，并在建筑物的背面形成渦流。

選取環境風速為5.5 m/s、8 m/s和12 m/s，鐵三角布置方案有無建筑物其單位扇區通風量變化如圖11所示。相同條件下塔周圍有建筑物相比無建筑物：迎風區通風量略有增加，換熱性能變好；側風區形成“穿堂風”的扇區數量增加；10、11、12和13扇區通風量減小，而14和15扇區通風量增加。扇區通風量增加幅度略大于其下降幅度，故最終使得塔整體換熱性能略提高。

圖10 12 m/s有建筑物時z=7.5 m截面速度云圖

圖11 單位扇區通風量隨環境風速變化

3 不同風速及方案對換熱性能的影響

本文針對間冷塔散熱器圓環布置方案對換熱性能的影響進行了研究。首先，分別建立不同的幾何模型，并對網格劃分、邊界條件、收斂準則和數值模型進行了詳細介紹，又對數值模型進行了驗證，結果滿足了工程要求。然后，對影響間冷塔換熱性能的各因素進行了分析。其次，以通風量和換熱量為評價指標，對不同風速及布置方案對間冷塔換熱性能的影響進行了分析。最后，通過通風量改變度和換熱量改變度來描述圓環布置方案相比鐵三角布置方案的改善效果。結論如下：

不同環境風速下各方案通風量和換熱量變化如圖12和13所示。不同方案其通風量和換熱量均隨環境風速先減小后增加，均在12 m/s處為最小值。這是因為迎風區、背風區和側風區通風量的增減幅度不同造成，換熱量變化也是如此。相同條件下，同種布置方案塔周圍有建筑物相比無建筑物時，塔的換熱性能略有提高。

圖12 通風量隨環境風速變化

圖13 換熱量隨環境風速變化

當環境風速為12 m/s時，不同方案換熱量比較如表4所示。該風速下塔周圍無建筑物時，圓環布置方案相比鐵三角布置方案塔的通風量雖然增加，使得迎風區和側風區換熱量均增加，但由于背風區通風量較小，換熱量減小幅度較大，故塔的換熱量仍下降，塔的換熱性能也下降。該風速下塔周圍有建筑物時，圓環布置方案相比鐵三角布置方案，塔的換熱性能變化也是如此。當環境風速超過12 m/s后，圓環布置方案相比鐵三角布置方案，背風區“穿堂風”量增加，故塔的換熱性能有所改善。

表4 12 m/s不同方案換熱量比較 MW

4 改善性能分析

為了更完整地描述圓環布置方案相比鐵三角布置方案的改善效果，引入通風量改善度M和換熱量改善度Q。

M定義為：圓環布置方案的通風量Mcir與鐵三角布置方案的通風量Mtrad之差與鐵三角布置方案的通風量Mtrad之比；Q定義為：圓環布置方案的換熱量Qcir與鐵三角布置方案的換熱量Qtrad之差與鐵三角布置方案的換熱量Qtrad之比。即：

(3)

(4)

有無建筑物時圓環布置方案相比鐵三角布置方案通風量和換熱量的改善度M和Q隨環境風速的變化，如圖14所示。

圖14 M和Q隨環境風速變化

塔周圍無建筑物時，M和Q分別在20 m/s和15 m/s時最大，分別約為7.52%和3.28%；塔周圍有建筑物時，M和Q均在15 m/s時最大，分別約為3.97%和3.92%；塔周圍有無建筑物時，M和Q在無環境風時均約為0，則說明圓環布置方案在該風速下對其換熱性能幾乎無影響。Kong等[16]對兩個相鄰鐵三角之間的夾角進行了研究，當兩個相鄰鐵三角之間的夾角為180°時，該布置方案在約8 m/s到14 m/s范圍內時，其換熱性能不如相鄰鐵三角之間夾角為60°時的布置方案。該圓環布置方案一定程度上是相鄰兩個鐵三角夾角為180°的特殊情況，但又與相鄰兩個鐵三角夾角為180°的鐵三角布置方案略有不同。Q在8 m/s和12 m/s時均小于0，則說明圓環布置方案在該風速下換熱性能不如鐵三角布置方案，該結果較好地吻合了Kong等[16]的結果。

5 結論

(1)鐵三角和圓環布置方案出現“穿堂風”時對應的環境風速均為8 m/s；相同條件下，圓環布置方案迎風區和側風區的換熱性能高于鐵三角布置方案；塔周圍有建筑物相比無建筑物時，塔的換熱性能略增加。

(2)隨著環境風速的增加，鐵三角和圓環布置方案間冷塔換熱性能均先下降后提高，均在12 m/s處為最小值。當環境風速為8 m/s和12 m/s時，鐵三角布置方案間冷塔換熱性能優于圓環布置方案；其它環境風速下圓環布置方案間冷塔換熱性能優于鐵三角布置方案。

(3)塔周圍無建筑物時，圓環布置方案相比鐵三角布置方案M和Q分別在20 m/s和15 m/s時最大，分別約為7.52%和3.28%。塔周圍有建筑物時，M和Q均在15 m/s時最大，分別約為3.97%和3.92%。