氣側均流裝置對冷卻三角單元流動傳熱特性影響的實驗研究

郭滔，于海洋，馮海波，袁漢川，田兵，楊玉杰，趙元賓，趙倩

（1.國能浙能寧東發電有限公司，寧夏回族自治區 銀川市 750408；2.國能滬電(上海)工程技術有限公司，上海市 普陀區 200062；3.濟南藍辰能源技術有限公司，山東省 濟南市 250101；4.山東大學能源與動力工程學院，山東省 濟南市 250061）

0 引言

發改運行(2021)1519號文件《全國煤電機組改造升級實施方案》[1]強調進一步推進煤電機組節能降耗具有重要意義[2-4]。間接空冷機組以其節水優勢廣泛用于我國中西部缺水地區[5]，但受空冷塔、冷卻三角單元、散熱管束結構材質等限制[6]，間接空冷機組冷端存在本源性難題[7]，與濕冷機組冷端相比，空冷機組傳熱系數小、冷卻效率低、發電煤耗高，且更易受環境自然風的不利影響[8]。

隨著國內大量間接空冷機組的建設、投運，間接空冷系統傳熱強化[9]及系統提效研究越來越受到重視，主要措施有塔內外大尺度流場重構傳熱強化提效、進風口預冷提效以及針對冷卻三角單元的傳熱強化提效等。在間接空冷塔外側或內側加裝擋風墻，以降低環境自然風的不利影響，是一種典型的冷卻塔類設備的傳熱強化提效措施。1998年，趙振國等[10]通過實驗室實驗驗證了塔外擋風墻、塔內十字墻及背風側聚風室對間接空冷塔冷效的改善。按照傾斜進風所引起冷卻三角單元的進風偏離及塔外主流空氣沿周向有無流動分離，Ma等[11]分別對塔外擋風墻的安裝角度、安裝方式及旋轉角度[12]等進行了優化，以減小塔外擋風墻所誘導空氣分流和旋渦對附近冷卻三角單元產生的不利影響。Chen等[13]進一步驗證了塔外擋風墻對間接空冷塔冷卻性能的改善相對優于塔內擋風墻。Wang等[14]通過引入流動損失因子研究聚風室對各扇段流場的作用，并對聚風室進行了優化。

冷卻三角單元流動傳熱特性直接影響其出水溫度分布[15]。針對間接空冷傳熱強化提效的典型研究包括擋風[16]、導流[17-18]等塔內外流場優化措施，但多數針對整塔流場重構，而非冷卻三角單元進行流場優化。但進風在冷卻三角單元內兩側冷卻柱散熱管束中分配不均的現象普遍存在[19]，而流動不均又會對其整體性能產生不利影響[20]。研究氣側均流裝置對冷卻三角單元兩側管束流動傳熱的分布特征、機制等，可為多變運行條件、復雜建筑環境中間接空冷冷卻三角單元尺度流場重構的進一步優化提供理論支撐。

作為間接空冷的核心傳熱單元，冷卻三角單元及其兩側冷卻柱的流動傳熱特性研究逐漸受到重視。Wang等[21]研究指出，冷卻三角單元頂角的大小對其流動傳熱特性影響較大。以頂角為60°、邊長為10 m的直接空冷冷凝三角單元為例，Kong等[22]數值研究表明，三角通道內增設整流裝置對直接空冷系統冷效的作用微乎其微，而間接空冷塔冷卻三角單元頂角一般為45°~46°，且其冷卻柱邊長僅為2.6 m左右。Ma等[23]數值研究表明，大的冷卻三角單元頂角可減小其進風偏離，有助于增大間接空冷塔的進風量。這表明間接空冷冷卻三角單元的進風偏離度及其空氣流場與大頂角大空間的直接空冷冷凝三角存在一定區別，因此有必要針對性研究間接空冷冷卻三角單元流道氣側均流的調控機制[24]。

針對冷卻三角單元內進風偏離所引起兩側冷卻柱間空氣流量分配不均、三角通道橫向旋渦附加流動阻力等問題，上述研究僅停留在間冷塔系統大尺度流場優化層次。本文針對間接空冷塔加裝及相鄰未加裝氣側均流的冷卻三角單元，實驗分析加裝氣側均流裝置后，冷卻三角單元兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風風速、風溫、壁溫偏差及兩側出水柱壁溫偏差，揭示氣側均流裝置對冷卻三角單元兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風風速、風溫、壁溫調控特征及出水壁溫分布機理，可有效推進冷卻三角單元尺度及間冷系統的傳熱強化提效。

1 實驗對象及測點布置

1.1 實驗的空冷塔及冷卻扇段概況

某電廠自然通風間接空冷系統塔高210 m，零米直徑164 m，循環水量105 643 m3/h，總進風量為51 602 m3/s，總散熱面積260萬m2，共包含12個冷卻扇段和196個冷卻三角。自然通風間接空冷塔各冷卻扇段相對位置如圖1所示。

圖1 間冷塔各冷卻扇段相對位置Fig.1 Relative position of each cooling sectors for a dry cooling tower

本自然通風間接空冷系統中共計8個冷卻扇段、128個冷卻三角單元已加裝氣側均流裝置，本次實驗以第3冷卻扇段內第8和第9號相鄰冷卻三角單元、第11冷卻扇段內第1和第2號相鄰冷卻三角單元為實驗對象，監測其風速、風溫、壁溫等典型特征參數。第3冷卻扇段第8號冷卻三角單元、第11冷卻扇段第2號冷卻三角單元均已加裝氣側均流裝置。第3冷卻扇段第8、9號冷卻三角單元相對位置如圖2所示，其中第9號冷卻三角單元位于圖示第8號冷卻三角單元的上側，加裝氣側均流裝置后的冷卻三角單元的橫截面結構如圖3(a)所示。以第3冷卻扇段第9號冷卻三角單元、第11冷卻扇段第1號冷卻三角單元作為對比，則未加裝氣側均流裝置，其橫截面結構如圖3(b)所示。

圖2 第3冷卻扇段中第8和第9號冷卻三角單元位置Fig.2 Position of 8 and 9 cooling delta units in the third cooling sector

圖3 加裝氣側均流裝置和原結構冷卻三角單元Fig.3 Air side equalizing device and the original structure cooling delta unit

1.2 實驗方法及測點布置

1.2.1 實驗方法

以第3冷卻扇段加裝氣側均流裝置的第8號冷卻三角單元和相鄰未加裝氣側均流裝置的第9號冷卻三角單元為實驗對象，分別測量其兩側冷卻柱沿散熱管束橫向典型高度的迎風面風速、迎風面風溫和迎風面壁溫。實驗測點全部安裝于冷卻柱迎風面上，對于單根冷卻柱而言，冷卻柱迎風面是指外界空氣流入散熱器管束的垂直立面，散熱管束橫向即為迎風面上的水平方向。以第11冷卻扇段加裝氣側均流裝置的2號冷卻三角單元和相鄰未加裝氣側均流裝置的1號冷卻三角單元為實驗對象，分別測量兩側出水柱壁溫。

1.2.2 實驗測點布置

基于加裝及未加裝氣側均流裝置的第3冷卻扇段8、9號冷卻三角單元，為避免下密封板對冷卻三角單元通道內空氣流場的影響，在8、9號冷卻三角單元下密封板上端5 m高度位置，沿單根冷卻柱散熱管束橫向五等分點處，間隔布置2組風速風溫測點(V1、V2)及3組壁溫測點(T1、T2、T3)，同一組風速、風溫測點安裝于同一位置，測點布置方式及編號如圖4所示，L、R分別代表左側、右側冷卻柱，編號順序由冷卻三角外側開始命名為1，向內逐漸遞增。每組風速、風溫、壁溫測點各包括1個管道式風速儀、1個貼片式PT100鉑電阻和1個探針式PT100鉑電阻，其中PT100鉑電阻需結合進水壁溫進行調零和調幅，通過無線網方式實時上傳迎風面風速、迎風面風溫和迎風面壁溫數據至上位機(間隔5 s)。

圖4 8、9號冷卻三角單元的測點安裝位置Fig.4 Measurement point installation position of the 8 and 9 cooling delta unit

基于未加裝氣側均流裝置的11冷卻扇段1、2號冷卻三角單元，分別在距離1、2號冷卻三角單元進風口50 m處安裝風向、風速、溫度傳感器，實時測量及上傳1、2號冷卻三角單元的環境風向、風速及風溫；分別在1、2號冷卻三角單元兩側出水柱的鍍鋅鋼管和膨脹節外側各安裝1個PT100鉑電阻，共安裝8個PT100鉑電阻，實時測量及上傳1、2號冷卻三角單元的兩側出水柱壁溫，圖5為出水柱壁溫測點安裝位置示意圖，測量參數及所用儀表信息見表1。

表1 實驗測量參數及儀表Tab.1 Experimental measurement parameters and instruments

圖5 出水柱壁溫測點安裝位置Fig.5 Installation location of the wall water column temperature measurement point

1.2.3 實驗方案

在測試時間段每間隔8 s記錄一次風速、風溫、壁溫，研究第3、第11冷卻扇段對應冷卻三角單元中氣側均流裝置對各冷卻三角單元各冷卻柱迎風側風速、風溫、壁溫的影響規律，由此分析研究氣側均流裝置對冷卻三角單元空間冷卻柱尺度氣側流動傳熱特性的影響機制，并揭示氣側均流裝置對冷卻三角單元出水壁溫的調控作用。

2 試驗結果及分析

2.1 8、9冷卻三角單元迎風風速、風溫、壁溫分布研究

2.1.1 兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風風速

基于已加裝氣側均流裝置的第3冷卻扇段8號冷卻三角單元和未加裝氣側均流裝置的9號冷卻三角單元，以某一時間段(2022年3月5日14:00—16:13)實測參數分析第3冷卻扇段8、9號冷卻三角單元兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風風速的變化規律。圖6、7分別為為8號、9號冷卻三角單元左側、右側冷卻柱迎風風速分布，其中橫坐標的數據個數為隨時間增加的測點數據數量。

圖6 8號冷卻三角單元冷卻柱迎風風速分布Fig.6 Windward wind velocity distribution of the 8 cooling delta unit cooling column

圖7 9號冷卻三角單元冷卻柱迎風風速分布Fig.7 Windward wind velocity distribution of the 9 cooling delta unit cooling column

結合表2所示散熱器管束迎風風速橫向分布數據可以看出：8、9號冷卻三角單元左側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風外側風速都大于迎風內側風速，因為環境風向偏向右側冷卻柱，偏離左側冷卻柱；右側冷卻柱迎風外側風速普遍大于迎風內側風速，但對于部分時間點，迎風內側風速大于迎風外側風速，因為部分時間點環境風速增大，進風風向偏向迎風內側測點，環境進風在外側風向測點處形成橫向渦流。

表2 3扇段散熱器管束橫向迎風風速變化Tab.2 Range of wind velocity in sector 3 m/s

2.1.2 兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風風溫

基于已加裝氣側均流裝置的第3冷卻扇段8號冷卻三角單元和未加裝氣側均流裝置的9號冷卻三角單元，以 2022年3月5日14:00—16:13 時間段獲取的數據分析8、9號冷卻三角單元兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風風溫的變化規律。圖8為8號冷卻三角單元左側、右側冷卻柱迎風風溫分布圖，圖9為9號冷卻三角單元左側、右側冷卻柱迎風風溫分布圖。結合表3散熱管束橫向迎風風溫數據可得：整體上看，同一冷卻三角單元內兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風內外側風溫變化趨勢相同，迎風外側風溫低于迎風內側風溫，越接近冷卻三角單元兩側冷卻柱交接處，迎風風溫越高。對比來看，加裝氣側均流裝置的8號冷卻三角單元左右兩側冷卻柱橫向迎風內側風溫的差值(即LV1與R-V1之差)僅為0.24~0.31 ℃，而未加氣側均流裝置的9號冷卻三角單元左右兩側冷卻柱橫向迎風內側風溫的差值達到了1.71~1.77 ℃；對比V2測點處8、9號冷卻三角單元左右冷卻柱迎風風溫，8號冷卻三角為0.54~0.91 ℃，9號冷卻三角為0.91~1.04 ℃。因此可以得出結論，氣側均流裝置可顯著平衡同一冷卻三角單元左右冷卻柱沿散熱管束橫向迎風風溫分布。

表3 3扇段散熱器管束橫向迎風風溫變化范圍Tab.3 The range of wind temperature in sector 3 ℃

圖8 8號冷卻三角單元冷卻柱迎風風溫分布Fig.8 Windward wind temperature distribution of the 8 cooling delta unit cooling column

圖9 9號冷卻三角單元冷卻柱迎風風溫分布Fig.9 TWindward wind temperature distribution of the 9 cooling delta unit cooling column

2.1.3 兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風壁溫

基于已加裝氣側均流裝置的第3冷卻扇段8號冷卻三角單元和未加裝氣側均流裝置9號冷卻三角單元，以2022年3月5日14:00—16:13時間段分析第3冷卻扇段8、9號冷卻三角單元兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風壁溫的變化規律，結果如表4所示。圖10為8號冷卻三角單元左側、右側冷卻柱迎風壁溫分布圖，圖11為9號冷卻三角單元左側、右側冷卻柱迎風壁溫分布圖?？梢园l現：同一冷卻三角單元兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風外側壁溫>迎風中部壁溫>迎風內側壁溫，越接近冷卻三角單元兩側冷卻柱的交接處，循環水-空氣的換熱效果越好。對比8、9冷卻三角單元左側冷卻柱三處壁溫的波動差值，加裝氣側均流裝置的8號冷卻三角壁溫波動差值為4.89 ℃，而 9號冷卻三角單元為7.69 ℃；同理，對于8、9冷卻三角單元右側冷卻柱3處壁溫的波動差值，8號冷卻三角為4.45 ℃，9號冷卻三角為6.11 ℃。由此可以看出，氣側均流裝置可顯著消除單根冷卻柱的壁溫偏差，平衡兩側冷卻柱沿散熱管束橫向循環水-空氣換熱穩定性。

表4 3扇段散熱器管束橫向迎風壁溫變化范圍Tab.4 Range of windward wall temperature in sector 3

圖10 8號冷卻三角單元冷卻柱迎風壁溫分布Fig.10 Windward wall temperature distribution of the 8 cooling delta unit cooling column

圖11 9號冷卻三角單元冷卻柱迎風壁溫分布Fig.11 Windward wall temperature distribution of the 9 cooling delta unit cooling column

2.2 出水柱壁溫分布研究

基于第11冷卻扇段已加裝氣側均流裝置的2號冷卻三角單元和相鄰未加裝氣側均流裝置的1號冷卻三角單元，其出水壁溫均值定義為1 h內冷卻三角氣側通道兩側出水柱上4個壁溫測點處所測得的全部數據的平均值；單側出水柱壁溫均值定義為1 h內單側出水柱上2個壁溫測點所測得的全部數據數的平均值；環境風向、風速、風溫均值定義為1 h內測得的冷卻三角單元周圍環境風向、風速、風溫測點的全部數據的平均值。根據2022年1月23日13:00—21:00的現場實測數據(見表5、6)，此段時間內第11扇段1、2號冷卻三角單元的百葉窗開度都為30%，1、2號冷卻三角單元出水壁溫均值及同時刻環境風向均值、風速均值、風溫均值隨時間變化趨勢分別如圖12—14所示，由此分析1、2號冷卻三角單元出水壁溫均值隨時間的變化規律。

表5 第11扇段1、2號冷卻三角出水柱壁溫與環境條件Tab.5 Outlet wall temperature of 1 and 2 cooling delta in sector 11 and the data of the environment

表6 第11扇段1、2號冷卻三角單側出水柱壁溫Tab.6 Single side outlet wall temperature of 1 and 2 cooling delta in sector 11 ℃

圖12 1、2號冷卻三角單元出水壁溫均值及環境風向均值變化趨勢Fig.12 Change trend of 1 and 2 cooling delta units outlet water average temperature and ambient wind direction

圖13 1、2號冷卻三角單元出水壁溫均值及環境風速均值變化趨勢Fig.13 Change trend of 1 and 2 cooling delta units outlet water average temperature and ambient wind velocity

圖14 1、2號冷卻三角單元出水壁溫及環境溫度均值Fig.14 Change trend of 1 and 2 cooling delta units outlet average water temperature and ambient temperature

結合環境風向和風速均值可得13:00—21:00時間段為小環境風速工況，同時間段內1、2號冷卻三角單元出水壁溫均差最小值為2.70 ℃，均差最大值為6.61 ℃，證明小環境風速工況下氣側均流裝置大幅強化了2號冷卻三角單元的換熱性能。隨著環境空氣溫度均值增加，1、2號冷卻三角單元出水壁溫均差減小，反之兩者均差增大；實測時間段，環境溫度低時百葉窗開度小，這表明氣側均流裝置對冷卻三角單元的換熱性能強化幅度與百葉窗開度密切相關。

13:00—21 :00時間段內，1、2號冷卻三角單元單側出水柱壁溫均值隨時間變化趨勢如圖15所示，結合表5數據對比可得：1、2號冷卻三角單元兩側出水柱溫度均差在0.8 ℃以內，且2號冷卻三角單元兩側出水柱溫度的均差波動幅度小于1號冷卻三角單元。

圖15 單側出水柱溫度均值隨時間變化趨勢Fig.15 Change trend of the one-sided outlet column water temperature with time

1、2號冷卻三角單元兩側出水柱溫度均差與進出水壁溫均值的比值隨時間變化趨勢如圖16所示，由此分析氣側均流裝置對兩側冷卻柱換熱穩定性的影響機制。

圖16 1、2號冷卻三角單元兩側出水柱壁溫均差與進出水壁溫均值的比值變化趨勢Fig.16 Change trend of the outlet water column and the temperature water difference of the inlet and outlet water on both sides of the 1 and 2 cooling delta units

為衡量氣側均流消除冷卻三角單元雙側冷卻柱的出水溫度偏差的作用，定義冷卻三角單元兩側出水柱溫度均差與進出水壁溫均值的比值，比值越小，說明兩側出水柱的出水溫差越小，冷卻柱性能越好。如圖16所示，在13:00—21:00時間段內，2號冷卻三角單元兩側出水柱溫度均差與進出水壁溫均值的比值均小于1號冷卻三角單元。在17:00之后，1、2號冷卻三角單元兩側出水柱溫度均差與進出水壁溫均值的比值差距明顯加大，2號最低降低至1號的1/4。結合表5，在17:00之后環境風速由小風速變化至3 m/s以上，這表明氣側均流裝置具備在強化冷卻三角單元換熱性能的基礎上優化兩側冷卻柱的換熱穩定性的優點，該優勢隨風速等級增加而明顯。

3 結論

針對典型自然通風間接空冷塔的基本換熱元件即其冷卻三角單元，研究氣側均流裝置對冷卻三角單元流動傳熱特性及出水壁溫特性的影響機制，主要結論如下：

1）所研究第3冷卻扇段8、9號冷卻三角單元左側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風外側風速都大于迎風內側風速，右側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風外側風速普遍大于迎風內側風速，部分時間點迎風外側風速小于迎風內側風速。

2）所研究第3冷卻扇段8、9號冷卻三角單元內兩側冷卻柱沿散熱管束橫向迎風內外側風溫變化趨勢相同：迎風外側風溫小于迎風內側風溫；加裝氣側均流裝置的8號冷卻三角單元橫向迎風內外側風溫差小于9號冷卻三角單元，表明氣側均流裝置可平衡沿散熱管束橫向迎風風溫分布。

3）所研究第3冷卻扇段8、9號冷卻三角單元內兩側冷卻柱沿散熱管束迎風側壁溫沿橫向由外向內均依次降低；加裝氣側均流裝置的8號冷卻三角單元迎風側壁溫橫向差值小于9號冷卻三角單元，表明氣側均流裝置可平衡其兩側冷卻柱沿散熱管束橫向循環水-空氣換熱穩定性。

4）氣側均流裝置對冷卻三角單元出水壁溫調控作用為，小環境風速工況下氣側均流裝置強化了冷卻三角單元的換熱性能，優化了兩側冷卻柱的換熱穩定性，且氣側均流裝置對冷卻三角單元的換熱性能強化幅度與百葉窗開度密切相關。