垂直布置間接空冷塔防大風研究

陳云，王利民

(1.上海電氣電站工程公司，上海 201199；2.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安 710100)

0 引言

我國水資源分布不均，在北方地區(qū)，水資源顯得彌足珍貴，節(jié)約水資源被社會普遍關(guān)注。因此，有較大節(jié)水優(yōu)勢的空冷系統(tǒng)在北方地區(qū)得到了迅速的應用。然而，空冷系統(tǒng)對環(huán)境風速變化的反應極其敏感，尤其在風速超過4.0 m/s時。當風速增大的時候，雖然迎著與背著來風方向的扇段進風量變大，但是由于側(cè)向扇段的進風條件惡化，空冷系統(tǒng)的散熱能力反而降低，導致背壓升高，嚴重時甚至威脅整個機組的安全運行。

空冷塔周邊布置著眾多建筑物，對空冷塔的流動傳熱有影響，有學者對高大建筑物附近流場情況進行了研究。黃瀅[1]先采用常見缺陷枚舉方法研究流場與模型內(nèi)建筑物的相互影響，得到風荷載值，然后利用主流模擬軟件模擬了結(jié)構(gòu)復雜建筑物周邊流場分布。梁向麗[2]采用數(shù)值模擬手段，獲得高層建筑物的流場分布，在此基礎(chǔ)上研究了高層建筑物流場陰影區(qū)、非陰影區(qū)與風速的聯(lián)系，以及建筑物外風壓的分布與風速的聯(lián)系，從而提出了建筑物幾何尺寸與陰影區(qū)最大高度的數(shù)學關(guān)系式等成果。

關(guān)于外界風速、溫度的變化對間接空冷塔流動傳熱性能的影響，南非學者A.F.duPreez和D.G.Kriiger[3-4]通過研究顯示，側(cè)向風的進風量、風速、空冷塔外形尺寸、高徑比等對空冷塔的流動性能均有一定程度的影響。

最常用三種類型空冷塔散熱器，其換熱及阻力性能各異。孟令國等[5]通過對散熱器翅片、管束及空冷塔不同參數(shù)組合下的散熱器流動傳熱規(guī)律進行研究。趙弦等[6]通過某依托工程，對空冷散熱器所采用的單層、雙層六排管、雙層四排管三種常用的鋁管鋁翅片空冷散熱器進行分析比較，得出結(jié)論:雙層六排管換熱效果最佳，且矮胖型空冷塔經(jīng)濟性更好。席新銘等[7]通過數(shù)值模擬的手段獲得了四排管傳熱與阻力的無量綱關(guān)系式，以及在三塔合一時揭示了風速、溫度、煙囪高度、擾流板層數(shù)及間距等因素對間接空冷塔及散熱器的流動和傳熱規(guī)律。趙興樓等[8]對凝汽器扁平管兩種翅片形式進行了研究，其中直翅片管各項性能參數(shù)優(yōu)于蛇形管，對工程實際具有一定參考意義。鄭冠軍等[9]通過數(shù)值模擬研究了環(huán)境風對大型間冷塔的影響:風速較小時，間冷塔換熱性能較好；大風時，散熱性能迅速惡化。

在冬季低溫或是大風情況下，一種有效的措施是增設(shè)百葉窗，通過控制扇段進風量，從而在冬季能將出塔水溫控制在極限水溫之上，有效防止空冷散熱器凍裂。在大風情況下，調(diào)整百葉窗開度控制進風量進而防止穿堂風對空冷塔散熱性能的不利影響。韓中合等[10]通過Fluent數(shù)值模擬手段研究了某200 MW間接空冷塔側(cè)向風對間接空冷塔流動傳熱的影響，控制百葉窗在背風側(cè)和迎風側(cè)的開度，得出一系列出塔水溫數(shù)據(jù)，從而歸納出機組安全、穩(wěn)定運行的最經(jīng)濟的百葉窗開度調(diào)節(jié)方案。顧紅芳等[11]通過有限元數(shù)值模擬的手段研究了不同百葉窗開度下冷卻塔出水水溫變化，主要從各個扇段進風量與換熱量的關(guān)系角度進行理論分析及模擬結(jié)果分析，提出了空冷機組在低溫環(huán)境下防止凍害的百葉窗調(diào)節(jié)方案。王晗昀[12]基于百葉窗這一有效的防凍手段，采用數(shù)值模擬結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模手段計算出凍結(jié)發(fā)生位置，并給出防凍策略及優(yōu)化措施。張利等[13]通過增加冷卻水流量、調(diào)節(jié)百葉窗開度、對易凍的迎風和背風扇段覆蓋保溫簾及增加擋風墻等措施來研究間接空冷塔在冬季防凍的效果，并得到了在使用各種措施時，為達到最佳防凍效果需采取的對應方案。李軍等[14]結(jié)合電廠出現(xiàn)的情況，通過計算流體力學手段對空冷系統(tǒng)在冬季低溫散熱器出現(xiàn)凍壞情況時進行不同角度模擬分析，改變空冷塔布置間距，調(diào)整各個扇段進風量，在一定程度上能改善冬季低溫不利影響。劉曉波等[15]結(jié)合換流站內(nèi)冷卻塔關(guān)于熱風回流、冬季防凍等不利影響因素提出了一系列解決措施。段剛和馮海明等[16-17]研究了空冷機組冬季防凍的措施，如在一定負荷下運行、增加電伴熱、合理調(diào)節(jié)風機運行數(shù)量等，在實際運行中取得了一定效果。

目前市場上出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的空冷塔，對比傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)空冷塔在諸多方面具有明顯優(yōu)勢，有學者對鋼結(jié)構(gòu)空冷塔也進行了一定研究。段常智等[18]通過建筑信息模型技術(shù)研究鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔，在施工進度、抗震性能、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟性以及現(xiàn)場環(huán)境等方面有積極效果。丁大益等[19]通過ANSYS工具分析了單層、雙層網(wǎng)殼等結(jié)構(gòu)形式，以及對鋼結(jié)構(gòu)間接空冷塔進行風洞及數(shù)值模擬分析，確定風荷載取值，為國內(nèi)對設(shè)計高大鋼結(jié)構(gòu)空冷塔奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

綜上可以看出，有學者從建構(gòu)物附近流場規(guī)律、外界環(huán)境變化對空冷塔的影響、不同類型空冷散熱器的換熱性能及阻力差異、空冷塔冬季防凍、大風對空冷塔的影響及鋼結(jié)構(gòu)空冷塔等角度進行了相關(guān)研究。垂直布置間接空冷塔是電廠空冷系統(tǒng)的一種較為常見的布置方式，在風速較大的情況下，空冷塔散熱器的散熱能力降低明顯。本文從防大風角度對間接空冷塔進行了研究，模擬了四種情況下大風對間接空冷塔換熱能力的影響，從而獲得機組在大風環(huán)境下能安全、穩(wěn)定運行的解決方案。

本文以某2×100 MW垂直布置間接空冷塔為基礎(chǔ)，建立垂直布置間接空冷塔、塔外加設(shè)擋風墻、調(diào)節(jié)百葉窗和塔內(nèi)加設(shè)十字墻四種不同的數(shù)值計算模型。通過比較四種不同模型下的數(shù)值模擬結(jié)果，獲得一種效果好、操作運行方便的防大風措施。

1 空冷系統(tǒng)模型構(gòu)建

1.1 計算模型及結(jié)構(gòu)處理

本文模擬的2×100 MW一機一塔垂直布置間接空冷塔，如圖1所示。塔外設(shè)置擋風墻和塔內(nèi)設(shè)置十字墻，如圖2所示。模型主要包括間接空冷塔、空冷散熱器、廠房建筑物和大空間區(qū)域。模型在大風速下計算時，為了風場達到穩(wěn)定，本次模擬采用1 000 m×1 000 m×500 m的足夠大區(qū)域。為了計算的方便，對整個模型進行合理簡化。由于空冷散熱器的結(jié)構(gòu)及傳熱過程較復雜，模擬中忽略了空冷單元的復雜結(jié)構(gòu)，因為本文所研究的角度與空冷散熱器的選型無關(guān)，所以暫不討論，只選擇其中一種進行模擬研究。此外，模型區(qū)域中的廠房建筑物只對流場產(chǎn)生影響，不考慮其發(fā)熱或吸熱。

圖1 2×100 MW垂直布置間接空冷系統(tǒng)計算 模型

圖2 塔外擋風墻及塔內(nèi)十字墻示意圖

1.2 邊界條件及數(shù)學模型

空冷塔周圍一定范圍內(nèi)的風場可以簡化為不可壓縮流體，因此模擬該流場應滿足如下控制方程。

1)連續(xù)性方程:

2)動量守恒方程:

3)能量守恒方程:

式(1)—(3)中，ρ為氣密度；u為流動速度；p為氣體壓力；μ為空氣動力粘性系數(shù)，i=1，2，3。

另外，上述所建立的模型空間一般情況下處于湍流狀態(tài)。進行模擬時，軟件中湍流模型選擇RNGk-ε模型，該湍流模型采用重整化群理論獲得。RNGk-ε模型模擬分離流與實際比較貼合，而空冷塔周圍流場存在著大量分離區(qū)，因此選用此模型較合理[20-21]。

間接空冷塔內(nèi)散熱器在模型里采用簡單板式換熱器來處理，散熱器的阻力、換熱系數(shù)通過多項式系數(shù)給定。采用大氣層邊界函數(shù)表示沿間接空冷塔高度上平均風速的變化。大氣邊界函數(shù)如下:

式中，Zi、Z∞為任意高度和氣流穩(wěn)定時的高度，m；Ui、U∞為Zi處的大氣平均流速和Z∞處的平均流速，m/s；α為地面粗糙度。

本文模擬中的Z∞取10 m，α取0.142 0，根據(jù)某工程業(yè)主提供的氣象資料整理得到。此數(shù)據(jù)通過自定義函數(shù)(UDF)加載后參與模擬。出口邊界采用壓力出口邊界條件。模型中空冷塔周圍建筑物、地面等外表面邊界采用壁面邊界條件，為了簡化模擬，不考慮傳熱，僅考慮對模型內(nèi)流場影響。

1.3 網(wǎng)格劃分

與大空間區(qū)域相比，間接空冷塔及建筑物區(qū)域相對很小，因此網(wǎng)格生成采用分區(qū)域生成。通過關(guān)注重要性角度對整個模型區(qū)域采用有差別的網(wǎng)格類型及間距。圖3是用于計算的網(wǎng)格圖，總的網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。調(diào)節(jié)百葉窗的間接空冷塔與不加措施的間接空冷塔網(wǎng)格圖一樣。

圖3 三種不同模型的網(wǎng)格分布圖

1.4 間接空冷系統(tǒng)區(qū)域劃分及命名

塔外側(cè)空冷散熱器共設(shè)置196個散熱單元。且為了得到較精確的計算結(jié)果，把一周平均分為10個扇段，即每36°設(shè)一個扇段。如圖4所示，以0°開始逆時針取名為扇段1、2、3、……、10。

圖4 間接空冷系統(tǒng)區(qū)域劃分

2 結(jié)果及分析

在四種模型的基礎(chǔ)上，采用環(huán)境溫度14℃，風向為正面來風(0°方向)，模擬12 m/s和20 m/s風速下的流場分布及散熱。由于塔1、塔2位置相對來風方向?qū)ΨQ，而且建筑物對塔的影響不是很大，因此塔1、塔2的模擬結(jié)果基本相近。為了方便起見，下文中僅對塔1進行詳細分析，依此可以得到塔2的相關(guān)規(guī)律。根據(jù)來風方向，迎風扇段為1、10，背風扇段為6、7，其余為側(cè)向扇段。

2.1 風速12 m/s下的計算結(jié)果

風速12 m/s時，四種不同措施下的出水溫度及機組背壓見表1。

表1 風速12 m/s時，各種措施下間接空冷塔性能比較

從表1可以看出，對比不加任何措施的間接空冷塔，加措施后間接空冷塔的出口水溫和機組背壓有不同程度的降低，擋風墻效果最明顯，降幅分別為1.4℃和0.79 kPa。圖5為四種措施下各扇段的出水溫度。圖6為距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖。

圖5 各扇段出水溫度比較

圖6 距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖

12 m/s風速下，沒有采取措施的間接空冷塔的換熱能力很差。從不加措施的速度矢量圖可以看出，環(huán)境風流過間接空冷塔時，導致后部繞流脫體，從而強化了背風扇段的散熱，因此背風扇段出口溫度較低。另外，側(cè)向扇段由于進風條件惡化，其出水溫度相較其他扇段的出水溫度高。

間接空冷塔塔外加設(shè)擋風墻后，由于擋風墻的作用，雖然迎風扇段1、10進風量減少，出水溫度較高，但其余扇段進風條件得到改善，進風量比不加措施時有所提高。

間接空冷塔塔內(nèi)加設(shè)十字墻，對比不加措施的間接空冷塔，迎風扇段的散熱能力沒有明顯變化。由于十字墻的作用，6、7扇段進風量增多，出水溫度有所降低。而3、4扇段由于受塔2的影響，并沒有出現(xiàn)與6、7扇段相同的效果。

而百葉窗調(diào)節(jié)方面，根據(jù)矢量圖和表1可以看出，對降低出口水溫有一定的效果。

總之，加措施后的間接空冷塔散熱能力得到改善。但是只有在主導風向明確且常年不變的情況下，擋風墻和十字墻才會起到作用，一旦主導風向改變，塔的抗大風能力就會大大削弱，而百葉窗則不受這些限制，運行時調(diào)節(jié)方便，且對抗大風有很好的效果。

2.2 風速20 m/s下的計算結(jié)果

風速20 m/s時，四種不同措施下的出水溫度及機組背壓見表2。

表2 風速20 m/s時，各種措施下間接空冷塔性能比較

從表2可以看出，加措施后間接空冷塔的出口水溫和機組背壓有不同程度的降低。圖7為四種措施下各扇段的出水溫度。圖8為距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖。

圖7 各扇段出水溫度比較

圖8 距離地面9 m高處橫截面速度矢量圖

20 m/s風速下不加措施的間接空冷塔的換熱能力比12 m/s時更差。從其速度矢量圖上可以看出，由于風速過高，塔內(nèi)溫度較高的風經(jīng)扇段排出塔外，即穿堂風，這樣背風扇段6散熱能力大大降低。另外，側(cè)向扇段3、8由于進風條件惡化，其出水溫度比其他扇段的出水溫度高。

由于擋風墻的作用，沒有穿堂風的出現(xiàn)，背風扇段大大改善，進風量增加，4、5、6、7扇段出水溫度降幅9.59℃。另外，由于擋風墻的阻擋，迎風扇段1、10的進風量減少，出水溫度升高。

間接空冷塔塔內(nèi)加設(shè)十字墻后，總出水溫度有所下降。加設(shè)十字墻改善了扇段6、7、8的進風條件，進風量增加，其出水溫度有一定的降幅。4、5扇段受塔2的影響，出水溫度比不加措施時反而有所升高。

間接空冷塔外設(shè)置百葉窗后，運行時可以隨著氣象條件變化而隨時調(diào)節(jié)，比其他防大風措施方便靈活，可以看出，對降低出口水溫也有一定的效果。

總之，在20 m/s風速下，加措施后的間接空冷塔散熱能力大大增強。然而，擋風墻和十字墻的設(shè)置位置與主導風方向密切相關(guān)，只有主導風方向明確且常年不變時，擋風墻和十字墻的設(shè)置才有意義。

3 結(jié)論

本文通過建立2×100 MW一機一塔垂直布置間接空冷塔模型，模擬了12 m/s和20 m/s風速下四種不同措施的空冷塔的流場分布及換熱能力。通過分析可知，在大風條件下，塔外加設(shè)擋風墻、塔內(nèi)加設(shè)十字墻以及調(diào)節(jié)百葉窗后塔的換熱能力有所提高。加設(shè)措施后，能消除穿堂風現(xiàn)象，從而改善背風扇段的換熱性能。無論是塔外加設(shè)擋風墻還是塔內(nèi)加設(shè)十字墻的間接空冷塔，都需考慮主導風方向，一旦主導風向改變，塔的抗大風能力就會大大削弱，而百葉窗不受這些限制，調(diào)節(jié)方便，對抗大風有很好的效果。綜合考慮可知，百葉窗調(diào)節(jié)最方便，不受環(huán)境風向的限制，在主導風向不明確時建議采用。