周圍建筑物對660 MW SCAL型間冷塔傳熱性能的影響

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)

間接空冷塔(簡稱間冷塔)作為火電廠一種冷端設備，在我國北方地區得到廣泛應用，如陽城電廠二期工程2臺600 MW機組表面凝汽式間接空冷系統[1]；然而北方地區常年多風，嚴重影響了間冷塔的傳熱性能，夏季尤為嚴重[2-3]。近年來越來越多學者對環境風下間冷塔的傳熱特性進行過深入研究。

黃春花等[4]利用風洞模型通過實驗研究了環境側風對空冷塔的影響機理；楊立軍等[5]對空冷塔的結構參數進行優化分析；王藍婧等[6]研究并指出考慮廠房影響后，空冷塔的通風質量流量和傳熱量基本不變，但沿周向分布的不均勻性增大；韋紅旗等[7]對SCAL型間冷塔分扇區配水防風方案進行了研究；柴艷琴等[8]對SCAL型間冷塔內外流場進行了分析研究；趙元賓等[9-11]通過分析了單個冷卻柱和環境風對間冷塔傳熱性能的不利影響并對塔外布置導流板進行了研究；YANG L J等[12]利用計算流體力學(CFD)軟件研究了不同風速下間冷塔內外的流場分布；KONG Y Q等[13]研究了間冷塔散熱器不同布置方案對其傳熱性能的影響。

由于目前多采用FlUENT軟件中多孔介質模型對環境風下間冷塔傳熱性能及流場優化進行研究，而針對周圍建筑物存在對間冷塔傳熱性能影響的研究卻比較少。筆者以660 MW SCAL型間冷塔為研究對象，在夏季最不利的氣象條件下，利用FlUENT軟件傳熱器中簡單效能模型來研究周圍建筑物對間冷塔傳熱性能的影響。

1 數值模型

1.1 幾何模型

該660 MW SCAL型間冷塔及其相應設備結構尺寸見表1。

表1 間冷塔及其相應設備結構尺寸

將散熱器分為24個扇區(S1～S24)，其中S7、S18扇區分別由5個冷卻三角組成，其他扇區均由6個冷卻三角組成，散熱器扇區分布見圖1。間冷塔散熱器局部見圖2。為了使模擬結果盡量接近實際情況，選取的計算域為500 m×500 m×500 m(X×Y×Z)。間冷塔周圍建筑物分布見圖3(B1～B9均為建筑物)。

圖1 散熱器扇區分布示意圖

圖3 間冷塔周圍建筑物分布示意圖

1.2 網格劃分及邊界條件設置

為提高計算精度，散熱器均采用結構化六面體網格，其余流體區域均采用高質量的混合網格。在環境風速為5.5 m/s且塔周圍無建筑物時對網格進行無關性驗證。取網格數為257萬、335萬和421萬進行數值計算，間冷塔出口質量流量偏差小于2.6%，符合工程實際要求。最終確定塔周圍有無建筑物時網格總數為374萬和335萬。邊界條件設置：無風時塔四周設置為pressure-in，塔頂部設置為pressure-out；有風時迎風面設置為velocity-inlet，背風面設置為outflow。

該間接空冷機組大風期常常出現在夏季且風向沿X軸負向。間冷塔迎風面不同高度處風速u變化常采用冪指數函數，其表達式為：

(1)

式中：u10為塔進口高度10 m處風速(環境風速)，m/s；z為塔進口不同高度，m。

1.3 計算模型

利用簡單效能模型來模擬空氣與散熱器中循環水的傳熱過程。在傳熱器模型中，傳熱器核心區域的流體沿著水流動方向被分割成許多微型macro。對于單個冷卻柱，水的流動方向和微型macro分布見圖4。

圖4 水的流動方向和macro分布

單個macro的傳熱量qmacro是該macro所包含的單個網格單元傳熱量qcell計算得到的傳熱量總和，其計算式為：

qmacro=∑qcell

(2)

傳熱器區域總傳熱量qtotal為：

qtotal=∑qmacro

(3)

1.4 模型驗證

夏季最不利工況下間冷塔設計參數見表2。利用該參數進行數值模擬計算得到通風質量流量和出口水溫的相對誤差分別為1.1%和-0.6%，在誤差允許的范圍內，則該計算結果滿足了實際工程要求，驗證了數值模型的準確性。

表2 間冷塔設計參數

2 風速及建筑物的影響

選取環境風速為0 m/s、5.5 m/s、8.0 m/s、12.0 m/s、15.0 m/s、18.0 m/s和20.0 m/s，并對不同風速下間冷塔的傳熱性能進行模擬計算。

2.1 塔周圍無建筑物不同風速的影響

當環境風速為0 m/s時，在間冷塔的吸力作用下，塔外空氣均勻通過散熱器對流傳熱后進入塔內，此時溫度升高、密度減小，空氣在浮升力作用下上升，從而增大了空氣進入塔內的驅動力，各扇區通風量和傳熱量近似相等。

當環境風速為5.5 m/s時，間冷塔z=7.5 m截面速度場和溫度場分布見圖5。

圖5 環境風速為5.5 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

由圖5可得：環境風流過間冷塔時做“圓柱繞流”運動，并隨環境風速的增加而加強，其結果造成了背風區和側風區散熱器外側壓力減小，使其通風量減小；環境風流過間冷塔側風區散熱器時，由于其切向速度大、壓力低，故側風區散熱器內外壓差減小，結果使得側風區散熱器通風量減小，傳熱性能變差；迎風區的進風與背風區的進風在塔底相遇后形成近似關于X軸對稱的漩渦，進一步影響了背風區和側風區的進風。故迎風區通風量最大、側風區通風量最小，由于迎風區通風量大于背風區，塔內氣流的中心偏向風向的下游。受塔外環境風的影響，塔出口形成“風阻”效應，使得塔內有效通流面積減小，當環境風速在一定范圍內增大時，該“風阻”效應會逐漸加強，但此時由于風速過快對塔的吸力也相應加強，在兩者共同作用下，使得塔出口流量發生相應的變化。

當環境風速為8.0 m/s時，其側風區部分扇區出現穿堂風，使其通風量下降，傳熱量減小，傳熱性能變差。隨著環境風速的進一步增加，當環境風速為12.0 m/s時，間冷塔內外速度場和溫度場分布見圖6。

圖6 環境風速為12.0 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

由圖6可得：“圓柱繞流”運動進一步加強；塔內漩渦范圍進一步加大且逐漸向風向的下游移動，造成背風區和側風區進風阻力進一步加大；塔出口“風阻”效應也加強；形成穿堂風的扇區數量也增多，當穿堂風強度不大時，則使得相應散熱器的傳熱性能惡化，當穿堂風強度大時，盡管其通過散熱器前后溫差小，單位質量流量的穿堂風傳熱量少，但穿堂風強度大，也會使得傳熱量增多。

不同環境風速下每個扇區通風質量流量變化見圖7。

圖7 不同風速下每個扇區通風質量流量變化

由圖7可得：迎風區通風質量流量和傳熱量隨環境風速的增大逐漸增加，故傳熱性能也隨之有所改善；當環境風速不超過8.0 m/s時，背風區通風質量流量變化不大，當環境風速大于8.0 m/s時，背風區通風質量流量隨著環境風速的增加逐漸減?。划旓L速為8.0 m/s時，側風區(S7、S8、S17和S18扇區)出現穿堂風且強度不大，使得通風質量流量減小、傳熱量減小，傳熱性能惡化；當環境風速為12.0 m/s時，側風區(S6、S7、S8、S9、S16、S17、S18和S19扇區)出現穿堂風且強度不等，使得S6、S9、S16和S19扇區通風質量流量減小、傳熱量減小，傳熱性能下降，S7、S8、S17和S18扇區由于穿堂風量略微增多，故使得傳熱性能也略微增強，且該環境風速下背風區也開始出現穿堂風；隨著環境風速的進一步增加，穿堂風的范圍和強度也逐漸加大，當環境風速為20.0 m/s時，背風區(S10、S11、S14和S15扇區)為穿堂風，使該扇區通風質量流量下降。

2.2 塔周圍有建筑物不同風速的影響

當環境風速為5.5 m/s和12.0 m/s且塔周圍有建筑物時，間冷塔內外速度場和溫度場分布見圖8和圖9。

圖8 環境風速為5.5 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

圖9 環境風速為12.0 m/s，z=7.5 m截面速度場和溫度場分布

不同環境風速下風流過建筑物時，會在建筑物的背面形成漩渦；受塔周圍建筑物的影響，“圓柱繞流”形成的渦流不再關于X軸對稱；間冷塔內外速度場和溫度場分布也不再對稱。

塔周圍有建筑物時不同環境風速下每個扇區通風質量流量變化見圖10。

當環境風速為5.5 m/s、8.0 m/s和12.0 m/s時，塔周圍有無建筑物時各區通風質量流量變化見表3。

圖10 不同風速下每個扇區通風質量流量變化

表3 有無建筑物間冷塔各區通風量 kg/s

相同環境風速下，塔周圍有建筑物相比無建筑物，其通風質量流量沿周向分布不均勻性進一步加大；迎風區通風質量流量隨著環境風速增大且增加幅度逐漸變大，傳熱性能也隨之變好；當環境風速為5.5 m/s時，背風區通風質量流量變化較小、傳熱性能基本不變，側風區通風質量流量增加、傳熱性能變好；當環境風速為8.0 m/s時，背風區通風質量流量下降、傳熱性能變差，而側風區通風質量流量增加，傳熱性能變好，此時側風區(S17和S18扇區)無穿堂風存在；當環境風速為12.0 m/s時，側風區通風質量流量增加的幅度降低，而背風區通風質量流量減少、傳熱性能下降，此時背風區(S11和S12扇區)開始出現穿堂風，側風區(S16和S17扇區)無穿堂風；隨著環境風速的進一步增加，當環境風速為18.0 m/s和20.0 m/s時，背風區(S13扇區)和側風區(S17扇區)均有穿堂風存在，使其相應扇區傳熱性能下降。

2.3 通風質量流量和傳熱量變化

不同環境風速下通風質量流量和傳熱量變化見圖11和12。

圖11 通風質量流量隨環境風速變化

圖12 傳熱量隨環境風速變化

隨著環境風速的增加，通風質量流量和傳熱量均先減小后增加。通風質量流量和傳熱量最小值均出現在12.0 m/s。當環境風速不超過12.0 m/s時，隨著環境風速的增加，迎風區通風質量流量增加幅度小于背風區和側風區通風質量流量減小幅度，故塔通風質量流量減小，傳熱量也隨之減小。當環境風速大于12.0 m/s時，迎風區通風質量流量增加幅度大于背風區和側風區通風質量流量減小幅度，故塔通風質量流量上升，傳熱量也增加。

環境風經過塔外建筑物時，由于通流面積減小使得風速大小和方向會發生變化。為了更加直觀地說明由于建筑物的存在對塔通風量和傳熱量的影響，定義通風質量流量改變度M和傳熱量改變度Q。M為塔周圍有建筑物時，不同環境風速下塔的通風質量流量與塔周圍無建筑物時塔的通風質量流量之差與塔周圍無建筑物時塔的通風質量流量之比；Q為塔周圍有建筑物時，不同環境風速下塔的傳熱量與塔周圍無建筑物時塔的傳熱量之差與塔周圍無建筑物時塔的傳熱量之比。M和Q隨環境風速變化見圖13。

圖13 M和Q隨環境風速變化

M的最大值和最小值分別在環境風速為20.0 m/s和0 m/s取得，Q的最大值和最小值分別在環境風速為5.5 m/s和0 m/s取得。環境風速為5.5 m/s時，M和Q分別約為5.60%和5.92%；環境風速為12.0 m/s時，M和Q分別約為3.62%和2.32%；環境風速大于15.0 m/s時，在一定范圍內隨著風速的增加，M和Q均增加。

3 結語

(1) 間冷塔周圍有無建筑物時，均在環境風速為8.0 m/s時側風區部分扇區出現穿堂風，環境風速為12.0 m/s時背風區部分扇區出現穿堂風，在一定范圍內隨著環境風速的增加穿堂風量也增加。

(2) 間冷塔周圍有無建筑物時，其通風質量流量和傳熱量均隨環境風速先減小后增加，在12.0 m/s時最小。

(3) 塔周圍有建筑物相比無建筑物時，塔通風質量流量和傳熱量改變度分別在環境風速為20.0 m/s和5.5 m/s時最大，均在0 m/s時最小。