660 MW SCAL型间接空冷塔夏季安全运行改造方案研究

王蓝婧， 刘 康， 付文锋， 李卫华， 李 姗

(1. 华北电力大学 控制与计算机工程学院， 河北保定 071003;2. 华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室， 河北保定 071003)

空冷机组的节水效果显著，其水损耗仅为常规湿冷电站的15%～25%，因此在我国富煤缺水的“三北”地区得到了广泛应用[1].空冷机组分为直接空冷和间接空冷2种形式，其中间接空冷机组因具有运行费用低、设备寿命长、维护简单、厂用电量少等优点，逐渐成为大型空冷机组的发展方向[2-3].在设计间接空冷机组的空冷塔时，会留出一定的通风裕量，在环境风速较小时可保证空冷塔的换热量仍能满足机组安全运行的需要.但在夏季大风期，空冷塔的流动传热性能大幅下降，机组必须降负荷运行，甚至可能出现机组跳机的情况.因此，为保障间接空冷机组在夏季大风期也能够安全稳定运行，需对空冷塔进行安全运行改造.

近几十年来，国内外学者采用不同方法对空冷塔的流动传热性能进行了研究.Leene[4]、翟志强等[5]采用冷态试验法分析了空冷塔的流场特性；Chen等[6]、黄春花等[7]利用风洞模型进行了试验，研究了环境风对空冷塔的影响机理；Yang等[8]、赵顺安[9]采用CFD软件对不同环境风速下空冷塔的流场分布特点进行了数值模拟研究；杨立军等[10]采用模型实验与数值模拟相结合的方法研究了不同环境风速下空冷塔散热器的传热性能.随着研究的深入开展，为了改善空冷塔的流动传热性能，提高间接空冷机组的热经济性，空冷塔的优化改造工作也在逐渐进行.一方面，杨立军等[10]、Kim等[11]研究了散热器翅片结构尺寸对空冷塔传热性能的影响，并进行了优化分析；Goodarzi[12]提出了一种新型空冷塔的出口结构，可提高环境风下空冷塔的传热性能.另一方面，Preez等[13]首次提出挡风墙的概念后，众多学者对此展开研究：Zhai等[14]提出不同的翅墙布置方案；张艾萍等[15]分析了外围挡风墙的可行性；赵振国等[16]研究了塔内挡风墙对空冷塔流动传热性能的改善效果.

目前，针对间接空冷机组在夏季极端恶劣环境下安全稳定运行的研究还较少.笔者以某660 MW SCAL型间接空冷机组的空冷塔为研究对象，利用Fluent软件，分析了夏季环境风对空冷塔流动传热性能的影响，找出空冷塔流动传热性能最差时的环境风速；在考虑空冷塔周围厂房影响的基础上，提出了此环境风速下能保障机组安全稳定运行的空冷塔改造方案.

1 数值计算方法

1.1 几何模型和网格划分

某660 MW SCAL型间接空冷机组空冷塔的厂房布置复杂，忽略了较小的建筑物和管道，空冷塔的厂房布置如图1所示.选取长×宽×高为800 m×500 m×700 m的外界环境区，散热器由282个冷却管束组成，将其简化为2.49 m厚的圆环柱体，空冷塔和周围厂房的主要结构参数如表1所示.为了更好地分析空冷塔的流场分布特点，将散热器划分为24个扇区，并进行编号，如图2所示.

图1 空冷塔的厂房布置示意图

图2 散热器分区示意图

根据空冷塔的结构特点，将图1的几何模型划分为16个区，空冷塔内部和散热器区均采用Map网格，散热器附近环境区采用四面体网格，其余环境区采用Cooper模式生成的结构化网格[17].通过比较网格总数分别为259万、367万、464万的模型计算结果，发现空冷塔出口风量波动幅度小于3%，可认为数值解基本处于网格独立范围内，最后采用网格总数为367万的网格离散计算域.

1.2 物理模型和边界条件

根据间接空冷塔和散热器的圆柱形结构特点，计算域采用柱坐标系：

(1)

式中：Γ和S分别为通用变量φ的广义扩散系数和源项；u、v和w分别为环境风在柱坐标系x、r、θ方向上的速度分量；ρ为环境风密度.

表1 空冷塔和周围厂房的主要结构参数

采用Fluent软件中的多孔介质模型模拟散热器的换热性能[18]，一般在多孔介质模型的动量方程中添加流动阻力源项.根据散热器阻力性能的实验数据，可拟合得到环境风流动方向(x方向)上散热器流动阻力Δp与迎面速度v的关系：

(2)

对比流动阻力源项和式(2)，可得到多孔介质区的黏性阻力系数和惯性阻力系数.

该间接空冷机组的全年平均环境风速约为5.5 m/s.大风期出现在夏季，环境风速常高达12 m/s，风向为东风(沿x负方向)，见图1.

设置计算域的进口为velocity-inlet边界条件，出口为outflow边界条件，地面及厂房为wall边界条件，其他为symmetry边界条件.空冷塔进风口不同高度处的环境风速通常采用幂指数风速分布：

(3)

式中：v0为距地面10 m高度处的环境风速；y为空冷塔进风口的不同高度.

湍流模型采用Realizablek-ε模型；环境风密度仅考虑温度的影响，采用Boussinesq近似假设；离散控制方程时，压力选取Body force weighted离散格式，其余采用二阶迎风差分格式；为保证计算结果的准确性，收敛精度取10-4.

1.3 数值模型验证

在夏季环境风工况下，当环境风速为5.5 m/s、大气温度为38.4 ℃、大气压为91 940 Pa时，空冷塔进塔水质量流量为60 735.1 t/h，进水温度为65.3 ℃，出水温度不超过53.95 ℃.

采用数值模型对上述验证工况进行模拟计算，结果如表2所示.由表2可以看出，数值模型的计算结果与空冷塔的设计值基本吻合，通风质量流量和空气密度的误差幅度分别为0.79%和0.19%，从而验证了数值模型的正确性.

表2 数值模型验证结果

2 模拟与分析

空冷塔内底部空气被散热器加热，空气密度减小，在浮升力的作用下空气迅速上升，形成负压区，塔内外产生压力差.在双曲线型空冷塔的抽吸作用下，环境空气不断穿过散热器，向塔内流动，使散热器冷却. 无环境风时，塔外空气在吸力作用下进入塔内，塔四周进风均匀，散热器各扇区的换热量基本一致.塔内气流在塔中心迅速上升，在空冷塔上方形成羽流区.

由图3和图4可以看出，环境风流经空冷塔的运动类似“圆柱绕流”.进风口迎风侧区受到环境风的吹力作用，通风质量流量增加；“圆柱绕流”运动形成的漩涡阻碍了背风侧区进风，通风质量流量减少；由于塔侧区环境风的切向速度大，环境压力较低，空冷塔的抽吸能力被削弱，导致通风质量流量显著减少.因此，塔底形成了2个关于风向对称分布的漩涡结构，进风阻力增大，塔侧区和背风侧区的通风质量流量进一步减少.塔内上升气流受迎风侧区通风质量流量大、背风侧区通风质量流量小的影响，气流中心向塔后侧区偏移，在塔前侧区形成漩涡，出现热风回流现象.在环境风的吹力作用下，羽流区发生偏转，塔出口处形成“风帽”，抑制了塔内气流的流出，降低了空冷塔的抽吸能力，导致通风质量流量减少.

(a) 空冷塔进风口处环境风速的矢量分布

(b) 沿塔高方向环境风速的矢量分布

(a) 空冷塔进风口处环境风速的矢量分布

(b) 沿塔高方向环境风速的矢量分布

当环境风速较大(约8 m/s)时，迎风侧区入口气流穿过散热器后仍有较大的速度，来不及在浮力作用下向上运动，加之塔底漩涡的影响，塔侧区形成“穿堂风”，不仅不进风，塔内空气反而穿过散热器并流向塔外，使散热器的换热环境恶化.当环境风速继续增大(约12 m/s)，背风侧区受到迎风侧气流的抑制，也会形成“穿堂风”.

由图5(a)可知，随着环境风速的增大，空冷塔的通风质量流量和换热量均先减少后增加.这是因为环境风速增大时，迎风侧区的通风质量流量增加，形成“穿堂风”的散热器扇区增加，“穿堂风”强度明显增大.当塔侧区和背风侧区的通风质量流量减少幅度大于迎风侧区通风质量流量的增加幅度时，空冷塔的通风质量流量减少，反之会增加.

由图5(b)可知，空冷塔受环境风的影响，通风质量流量沿周向分布不均匀，迎风侧区的通风质量流量最大，背风侧区次之，塔侧区的通风质量流量最小.由热平衡可知，空冷塔换热量具有相同的分布趋势，迎风侧区换热效果最好，背风侧区次之，塔侧区的换热效果最差.随着环境风速的增大，空冷塔通风质量流量和换热量的周向分布不均匀性进一步增大.由于空冷塔是轴对称结构，散热器各扇区的通风质量流量基本关于风向对称分布.

(a) 间接空冷塔性能的变化趋势

(b) 散热器通风质量流量分布

评价空冷塔的流动传热性能主要考虑2个方面：无论环境风速多大，空冷塔的通风质量流量和换热量均须满足机组安全运行的需要；空冷塔的通风质量流量和换热量尽量沿周向均匀分布，以保证散热器各个冷却管束不超温，均能安全运行.空冷塔的通风质量流量和换热量越大，沿周向分布越均匀，其流动传热性能越好.

由图5可知，无风环境时，空冷塔的通风质量流量和换热量最大，且沿周向均匀分布，其流动传热性能最好；有环境风时，随着环境风速的增大，空冷塔的通风质量流量和换热量均先减少后增加，当环境风速为12 m/s时，空冷塔的通风质量流量和换热量均达到最小，易导致机组发生大幅度降负荷甚至跳机的情况.随着环境风速的增大，空冷塔通风质量流量和换热量的周向分布不均匀性越来越大，塔侧区和背风侧区的通风质量流量逐渐减少(见图5)，冷却管束的换热环境恶化，极易发生超温现象，且环境风速越大，发生超温的可能性越大，到时只能关闭超温的散热器扇区，以保证设备安全运行.综合考虑以上2个方面，说明环境风速为12 m/s时空冷塔的流动传热性能最差.

3 空冷塔的安全运行改造

夏季大风期间，环境风速为12 m/s时空冷塔的流动传热性能最差，机组发生大幅度降负荷甚至跳机的可能性最大.因此，研究空冷塔的安全运行改造方案时，仅需考虑12 m/s环境风速下的空冷塔.

3.1 厂房影响

环境风速为12 m/s时，考虑厂房影响后的空冷塔流场如图6所示，散热器通风质量流量分布如图7所示.由于汽机房的存在，导致环境风流动空间减小，流速增大，迎风侧区通风质量流量增加.材料库及检修间(高为15 m)阻碍了部分环境风流入迎风侧22～24扇区，导致其通风质量流量增幅小于1～3扇区.由于厂房的存在，导致环境风的绕流流动空间减小，绕流速度明显增大，塔后漩涡区面积迅速增大，发生“穿堂风”的散热器扇区增加，“穿堂风”强度增强，背风侧区的穿堂风质量流量显著增加.

(a) 空冷塔进风口处环境风速的矢量分布

(b) 沿塔高方向环境风速的矢量分布

Fig.6 Velocity vector diagram of the cooling tower considering the effects of factory buildings at a cross wind speed of 12 m/s

图7 12 m/s环境风速下考虑厂房前后散热器通风质量流量分布

Fig.7 Ventilation rate distribution of the radiator with and without considering the effects of factory buildings at a cross wind speed of 12 m/s

由表3可知，环境风速为12 m/s时，考虑厂房的影响后，空冷塔穿堂风质量流量增加了1倍.考虑厂房前后，通风质量流量、穿堂风质量流量和换热量的变化幅度分别为2.72%、103.55%和0.28%.背风侧区穿堂风质量流量急剧增加，削弱了塔侧区和背风侧区散热器的换热效果.由于迎风侧区通风质量流量和背风侧区穿堂风质量流量的增幅基本相同，迎风侧区散热器的换热效果得到提高，导致空冷塔通风质量流量和散热量基本没有变化.考虑厂房的影响后，虽然空冷塔的通风质量流量和换热总量基本不变，但由于穿堂风质量流量增加，其沿周向分布的不均匀性进一步增大，空冷塔的流动传热性能变差.

表3 厂房对空冷塔流动传热性能的影响

3.2 改造方案

对空冷塔进行安全运行改造时，尽可能提高在12 m/s环境风速下空冷塔的通风质量流量和换热量，减少穿堂风质量流量，保证通风质量流量和换热量沿周向均匀分布，使空冷塔的流动传热性能得到改善.

针对12 m/s环境风速下空冷塔流场的特点，在塔外加装翅墙时，既要改善空冷塔的流动传热性能，降低间接空冷机组跳机的可能性，又要考虑塔周围空余空间的限制，满足现场安装的需要.通过不断地试验，调整翅墙数量、几何尺寸(高度、宽度、厚度)和安装位置，直至得到较为理想的空冷塔流场.最后确定安装6片翅墙，其中翅墙高度与进风口齐平，宽度为30 m，厚度与冷却管束相同，翅墙的布置方式如图8所示.

图8 翅墙安装示意图

加装翅墙后的空冷塔进风口流场如图9所示，散热器通风质量流量分布如图10所示.在翅墙1和翅墙6的“聚风”作用下，环境风流动方向发生改变，迎风侧区通风质量流量增加，绕流流量减少，“圆柱绕流”强度减弱，塔侧区的环境压力增大，塔内外压差增大，空冷塔的抽吸能力增强，通风质量流量增加，发生“穿堂风”的散热器扇区减少.其余4片翅墙破坏了环境风的“圆柱绕流”运动，进风口周围的空气流速降低，塔侧区的通风质量流量进一步增加，塔底漩涡区朝背风侧区移动，背风侧区的流动阻力增大，穿堂风质量流量减少.

图9 12 m/s环境风速下加装翅墙后空冷塔进风口处的速度矢量图

Fig.9 Velocity vector diagram at air intake of the cooling tower with wing walls at a cross wind speed of 12 m/s

图10 12 m/s环境风速下加装翅墙前后散热器的通风质量流量

由表4可知，加装翅墙后，通风质量流量和换热量大幅增加，且沿周向分布的均匀性有所提高，空冷塔的流动传热性能明显改善，通风质量流量、穿堂风质量流量和换热量的改善幅度分别为24.55%、26.57%和13.01%.

表4 加装翅墙前后空冷塔的流动换热性能对比

4 结 论

(1) 夏季环境风流经空冷塔时做类似“圆柱绕流”运动，塔侧区和背风侧区的通风质量流量减少.环境风速达到8 m/s时，塔侧区发生“穿堂风”现象；环境风速达到12 m/s时，背风侧区也形成“穿堂风”.

(2) 随着环境风速的增大，空冷塔的通风质量流量和换热量均先减少后增加，而穿堂风质量流量持续增加，通风质量流量和换热量沿周向分布的不均匀性越来越大.当环境风速为12 m/s时，空冷塔的流动传热性能最差.

(3) 考虑厂房的影响后，空冷塔的通风质量流量和换热量基本不变，但其沿周向分布的不均匀性增大，空冷塔的流动传热性能变差.

(4) 加装翅墙后，环境风“圆柱绕流”运动被破坏，空冷塔的流动传热性能得到明显改善，穿堂风质量流量减少了26.57%，通风质量流量和换热量分别增加了24.55%、13.01%.

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