巨型冷却塔进风口高度模拟分析

周 玉，惠雪松，刘正良

(1.华北电力大学 能源动力与机械学院，河北 保定071003;2.河北联合大学迁安学院，河北 迁安064400;3.保定华电电力设计研究院有限公司，河北 保定071003)

0 引 言

近年来核电建设由沿海向内陆地区扩展，大批内陆核电厂的选址、选型工作正在进行。受内陆地区水源限制，核电厂多采用闭式循环的自然通风冷却塔作为冷源设备。二回路汽轮机组凝汽器中的循环水升温后，由循环水泵提升至冷却塔的配水层，在配水管网中经喷头雾化，以水滴状向下滴落，依次经过填料区、雨区，同冷却塔内的气流换热后，最终到达塔底的集水池。同燃煤电厂相比，核电机组循环水量大，所配备的冷却塔淋水面积多在16 000 m2以上，塔高超过165 m。淋水面积巨大，塔体庞大、高度也高。此类规模的巨型冷却塔在常规火电机组中至今仍无应用。

巨型冷却塔的进风口高度直接影响到循环水的温降，外围环境空气在冷却塔内外密度差、压力差的作用下经过塔底进风口流入冷却塔内，进风口高度是自然通风逆流冷却塔结构优化及循环冷却水系统优化计算所关注的主要问题，它关系到塔内流场分布及汽水换热效果，尤其是在侧风存在时对机组运行产生较大影响［1］。而在设计选型过程中，以往基于火电机组的设计规范所推荐的进风口经验值有待进一步的论证。为了找寻最优结构参数，本文采用CFD 三维数值计算工具Fluent 对双曲线塔体的结构进行了模拟，并对塔内流场、温度场进行计算分析，以确定最优进风口高度。

1 计算方法

在湿式自然通风冷却塔三维数值计算中，通常采用喷溅区、填料区、雨区3 个区域对空气与冷却水之间的传热传质过程进行模拟。由于冷却塔内水和空气的体积比小于10 %［2］，在喷溅区和雨区采用离散相模型计算塔内流场［3］，其中水滴作为离散相，空气作为连续相求解。填料区的热质传递过程采用自定义函数添加源项的方法进行模拟［4～9］。Fluent 求解器采用分离隐式，流场计算采用典型的SIMPLE 算法。计算中，采用稳态雷诺应力平均N-S 方程，选用标准k － ε 湍流模型［10］，其中在输运方程中考虑了浮力项。

1.1 控制方程

冷却塔内湿空气作为连续相，当机组稳定工况运行时，其内外流场可以当作稳态计算。其通用控制方程如式(1)［10］:

式中:ρ 为空气密度;ui为速度矢量;Φ 为通用变量;分别表示各向速度分量(u，v，w)、水蒸气组分Y、温度T、湍动能k 和湍流耗散率ε，ΓΦ为广义扩散系数，SΦ为广义源项。

塔内循环水以水滴型式在喷溅区和雨区自由下落，可用拉格朗日方法计算其流场。离散相模型可追踪水滴的运动轨迹，并耦合计算它与湿空气间的热质传递。水滴温度变化方程［10］:

式中:Mp，Tp，Tadb，Ap分别为控制单元内水滴质量、水滴温度、气相干球温度和水滴面积。h，hfg和t 分别为传热系数、水的汽化潜热和历经时间。

1.2 阻力计算

热态的冷却塔阻力包括汽水两相间作用力和结构阻力，其中相间作用力对连续相压降的影响通过离散相模型实现。结构阻力主要包括进风口阻力、填料阻力、配水管网阻力和收水器阻力4 部分。由于这些细密的结构体在Gambit 中建模困难，因此它们对连续相的作用被作为附加动量汇添加到主控方程。通过用户自定义函数CFD 编程实现。

动量汇方程一般形式如式(3)为［10］:

式中:Vp为空气通过几何边界面的垂直速度分量;K 为压力损失系数，它是一个基于实验的经验关系式［4］，表达式如式(4):

式中:mw为水滴质量流量;ma为湿空气质量流量;L为填料层高度。进风口、管网和收水器的压力损失系数根据有关实验资料可以取定值［11～14］，分别为Kjfk=0.5，Kgw=0.5 和Kssq=3.5。

1.3 计算边界

以AP1000 机组为例:冷却塔高210 m，进风口高度12.5 m，淋水面积20 000 m2，计算环境区域为高度500 m、直径500 m 的圆柱体，本文参照文献［11］中所推荐的进风口面积与淋水面积比0.35 ～0.4，分别对12 m，13 m，14 m，15 m，16 m的进风口高度做出计算验证，将计算分析时考虑环境侧风对冷却塔热力性能的影响，环境风速分别为2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s。

如图1 所示，存在环境测风时入口为速度边界，出口为压力边界;塔壁、地面为无滑移壁面边界条件;离散相边界在进出口、水池面、地面均为逃逸边界条件。

图1 计算边界Fig.1 Computational boundary

实际环境中的环境侧风速度为水平离地高度的函数，故定义侧风廓线为:主导风速值υx=υc·(y/10)β，其它方向υy=υz=0，υc为10 m 高度处横向风速的参考值，β 为侧风廓线指数。参照发电厂地貌环境，侧风廓线指数β 取值0.2，环境侧风的设置通过UDF 用户自定义功能导入到进口边界条件中去。

1.4 网格划分

网格划分如图2 所示，利用尺寸函数工具Sizefunction，对冷却塔分区域划分，并对网格无关性进行验证，计算了160 万、180 万、210 万网格总数下的出塔水温。180 万、210 万网格数量下的塔内流场无明显变化，所得出塔水温相近，相差仅有0.012 ℃。考虑到计算时间，最终选用网格总数为181 万。

图2 网格划分Fig.2 Grid of cooling tower

1.5 冷却塔内流场分析

对塔内气流运动轨迹追踪显示，如图3 所示。冷却塔进风口高度12 m，空气经进风口由环境进入塔内，冷却塔四周均匀进风，气流运动迹线分布均匀，左右对称。由于流动截面积的变化，气流在进风口处出现湍流波动，风速值在进风口处较小，随着塔内流场的发展，速度向上逐渐增大，最大风速值出现在冷却塔顶部。

图3 静风条件下X-Y 截面气流迹线及速度等值线Fig.3 X-Y cross section flow trajectory and velocity contour with no wind

环境侧风的存在破坏了塔内均匀对称分布的流场，4 m/s 环境侧风下的塔体竖直截面速度等值线分布如图4 所示。可以看出受主导风向的影响，塔内气流分布向右侧偏移，与静风环境条件不同的是气流的最大速度值出现在迎风口侧，背风侧及塔出口处气流速度值较小，此处冷却塔进风口高度12 m。

图4 4 m/s 环境侧风下X-Y 截面速度等值线Fig.4 X-Y sectional velocity contour with 4 m/s crosswind

1.6 侧风条件下塔内温度分布

温度较高的循环水的热量由冷却塔内通过的气流带到外围环境，同静风环境条件相比，有环境侧风时冷却塔内流场发生变化，塔内温度场也势必随之改变，4 m/s 环境侧风条件下及静风条件下的冷却塔X-Y 截面温度分布云图如5，6 所示。

图5 4 m/s 环境侧风下X-Y 截面温度分布云图Fig.5 X-Y section temperature distribution with 4 m/s crosswind

可以看出，静风条件下冷却塔温度场分布均匀，呈现轴对称分布规律，中心区域温度最高，沿水平面径向方向温度逐渐降低。这是因为冷却塔中心区域为湿热气流，同循环冷却水的换热效果较差。4 m/s 环境侧风下塔内高温区域从塔中心移动到背风侧，换热最差区域位于冷却塔右侧部分。湿空气温度最高值达到308 K，而静风条件下的塔中心区域温度最高值为307 K，可见环境侧风对冷却塔热力性能影响较大。

图6 静风条件下X-Y 截面温度分布云图Fig.6 X-Y section temperature distribution with no wind

2 进风口高度对冷却塔热力性能的影响

2.1 进风口高度对出塔水温的影响

在计算分析进风口高度对冷却塔热力性能的影响时，选取冷却塔平均出塔水温作为分析评价指标，同时对进塔风量做出分析计算。

静风条件下进风口高度对平均出塔水温影响如图7 所示，随着进风口高度增大，平均出塔水温呈现下降趋势，进风口高度达到14 m 后，出塔水温的下降逐渐趋于平缓。进风口(高度)15 m 及进风口16 m 所对应的出塔水温相差不到0.1 ℃。可见在进风口达到一定值时，其高度的增加量对冷却塔平均出塔水温的影响并不大，过多地提高进风口高度反而会增大循环水泵的扬程，增大厂用电量，从经济运行角度考虑并不可取。

图7 静风条件下平均出塔水温与进风口高度关系Fig.7 The relation between average outlet water temperature and air inlet height with no wind

2.2 进风口高度对进塔风量的影响

进塔风量与进风口高度的关系如表1 所示，随着进风口高度的增加，进入冷却塔内的气流量逐渐增多。进风口从12 m 增高到14 m 时所增加进塔风量为974 kg/s;进风口从14 m 增高到16 m时所增加的进塔风量为314 kg/s。可见进风口高度达到14 m 时，进一步增加其高度对冷却塔热力性能的提升效果并不明显，14 m 进风口高度下的进风面积与淋水面积比为0.352。

表1 进塔风量与进风口高度关系Tab.1 The relation between inlet air quantity and air inlet height

2.3 环境侧风下循环水温降与进风口高度关系

环境侧风的存在会对自然通风逆流冷却塔热力性能产生不利影响，使冷却塔的运行偏离设计工况。分别选取环境侧向风速2 m/s，4 m/s，6 m/s，8 m/s 进行计算，分析计算不同进风口高度下的循环冷却水温降值，如图8 所示。

图8 环境侧风下的循环水温降与进风口高度关系Fig.8 The relation between circulating water temperature drop and inlet height with crosswind

12 ～16 m 5 种不同进风口高度冷却塔的循环水温降值均在静风条件下达到最大，随着风速的增大，循环水温降值逐渐减小。环境侧风6 m/s时循环水温降最小，出塔水温最高。风速超过6 m/s 后出塔水温有所降低，这是因为风速增大使雨区的横向通风量增加，循环水在雨区换热增强。

2 ～8 m/s 的环境侧风下，循环水温降均随冷却塔进风口高度的增大而增大。进风口高度从12 m 增高到14 m 时，循环水出塔水温降低显著，但当进风口高度达到14 m 之后，进一步增大其高度对冷却塔热力性能的提升已不太明显。

3 结 论

本文对20 000 m2淋水面积巨型冷却塔选取不同进风口高度的热力性能进行了数值计算，计算过程中考虑环境侧风对冷却塔运行的影响。进风口高度为12 ～16 m 5 种情况，环境风速为0 ～8 m/s。

(1)5 种进风口高度的冷却塔在静风条件下运行效果最优，出塔水温均低于有环境侧风存在时的出塔水温。环境侧风的存在使冷却塔内高温区域向背风侧移动，减少了冷却塔的进风量。

(2)随着进风口高度的增加出塔水温逐渐降低，进塔风量也随进风口高度的增高而增大，但当进风口高度达到14 m 后，进一步增加其高度对循环水温降的提升已不太明显。

(3)15 m 进风口高度的出塔水温比12 m 进风口高的出塔水温降低了0.47 ℃，这对汽轮机组的热经济性提升有着明显的效果。

(4)将进风口高度由15 m 提升至16 m 所增加的循环水温降不到0.1 ℃，过多地提升其高度反而会增大循环水泵的厂用电消耗。14 m 下的进风口高度所对应的进风面积与淋水面积比为0.352。

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