发电厂冷却塔弧形布置填料层的特性分析

赵文升，肖龙跃，丁晓冬(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市071003)

发电厂冷却塔弧形布置填料层的特性分析

赵文升，肖龙跃，丁晓冬
(电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学)，河北省保定市071003)

填料是自然通风湿式冷却塔最主要的换热部分，其换热量占冷却塔总换热量的60%～70%，具有很大的节能潜力。针对填料层的布置方式，提出了用弧形填料层替代传统水平布置填料层的构想，并借助Fluent模拟软件，建立了湿式冷却塔弧形填料层的传热传质模型。研究对比了不同弧度的填料层布置对冷却塔热力性能的影响，并计算分析了不同环境侧风下，弧形填料层冷却塔内空气流场、出塔水温等参数的变化。研究结果表明:与传统的水平布置相比，弧形布置填料层增加了一部分换热面积，改善了雨区空气流场，从而增加了冷却塔的换热量，使冷却塔抽力增加，出塔水温降低;在环境侧风条件下，这种改善效果更加显著，以填料层弧度0.12 rad为例，当环境风速6 m/s时，出塔水温最高可降低0.36℃。

冷却塔;弧形填料层;弧度;侧风;数值模拟

0 引言

自然通风湿式冷却塔以其优秀的冷却性能，广泛应用于火电机组循环冷却水的冷却，其冷却性能的高低直接影响着电站机组的安全运行和经济效益。以300 MW机组为例，出塔水温度每降低1℃，可使机组真空提高400～500 Pa，发电标准煤耗下降1.0～1.5 g/(kW·h)［1］。国内外学者对填料做了大量的研究工作，材料方面逐渐发展为聚氯乙烯(polyvinyl chloride polymer，PVC)塑料材质，表面形式主要有点滴式、薄膜式和点滴薄膜式［2］。Kröger［3］指出均匀布置方式并不是最优布置方式，优化填料层布置，可以有效地增强冷却塔换热性能。黄东涛［4］指出填料外缘进风量大，换热效率高，而内缘区域进风量小，换热效率低。从充分发挥填料层各个区域的冷却能力考虑，对填料层进行分区，分配不同的填料层厚度，出塔水温最高降低了0.3℃。高福东［5］通过对不同填料优化布置方案的研究，确定了在一定程度上增大填料总换热面积，可以降低出塔水温。此外，冷却塔的换热性能极易受到环境侧风的影响。高明［6］通过对自然通风湿式冷却塔冷却数随环境侧风的变化研究，表明当环境风速为3.5 m/s时，冷却效率降低约11%。因此，降低侧风对冷却塔的影响，对提高换热性能具有重要意义。赵元宾［7］研究了在环境侧风下，填料非均匀布置对冷却塔冷却性能的影响，结果表明，在0～5 m/s自然风条件下，填料非均匀布置方式可使出塔水温降低0.105～0.288℃。但以上研究还是局限在填料层的水平布置，具有一定的局限性。

本文以冷却塔相关理论为基础，首次建立填料层弧形布置的三维数值计算模型［8］，以揭示弧形填料层下，冷却塔内空气流场，通风量和水温的分布及变化趋势。

1 研究对象

自填料型冷却塔诞生以来，填料层的布置形式就一直采用水平布置，主要因为水平布置冷却塔的安装维护方便。然而，从冷却塔冷却性能上讲，水平布置并不是最优的布置方式。近年来，随着大功率机组的不断发展，对配套的冷却塔性能要求也越来越高。研究新式弧形布置填料层的流动和换热性能，对提高大型机组的经济性和安全性有重要的工程应用价值。

本文所选用的冷却塔的塔筒高度为175 m，喉部高度为140.2 m，喉部高度与塔总高度比为0.8，进风口高度为12 m。塔筒顶部直径为83.4 m，喉部直径为76.34 m，0 m处直径为130.88 m，塔总高与底部直径比为1.33，填料厚度为1.2 m，淋水面积为13 200 m2［9］。

弧形填料层的布置可采用上凸形和下凹形2种形式。通过对弧度为0.09，0.12，0.15，0.18，0.21，0.24 rad的弧形填料层的研究，结果表明:在配水高度不变的情况下，采用上凸形填料层的冷却塔的通风量、雨区风速等因素较水平布置填料层都有一定程度的提高，冷却塔出塔水温有所降低。但和下凹型填料层布置形式的模拟结果相比，两者差别不大。由于喷水高度的限制，采用上凸形的填料向上弯曲弧度会受到限制。故下述模拟结果分析均为下凹形填料层布置形式(图1所示)。

2 数值模型及边界条件

2.1 数值模型

根据研究对象的结构特点，确定的计算区域为直径500 m，高度500 m的圆柱体。

由于冷却塔汽水两相热量交换主要发生在喷水层、填料层、收水层和雨区。因此对以上区域进行细网格划分，而对塔筒和环境采用大网格划分，以优化计算模型。保证在一定的网格数量下，计算主要集中在热量交换的区域，从而减小计算误差。通过对几种不同网格数量的模型进行模拟，最终确定的网格数量为92万左右［10］。

由于填料层的结构比较复杂，气液两相的流动和传热传质过程都比较复杂。研究采用Kloppers提出的关于填料层厚度为1.2 m的热力特性模型［11］(式1)和对应的压力损失系数表达式(式2)。

式中:Mep为Merkel数;Lfi为填料高度，m;A为汽水接触面积，m2;Mw为淋水密度，kg/(m2·s-1);Ma为空气质量流率，kg/s;Kp.fi为压力损失系数。

2.2 边界条件及计算方法

2.2.1 边界条件

无环境侧风，计算域边界为压力入口边界条件，顶部为压力出口边界条件。有环境侧风时，环境迎风侧为速度入口，背风侧和顶部为压力出口，如图2所示。

地面和冷却塔壳体设为墙体，水池面为逃逸，冷却塔外壳壁面为反弹［13］。在环境出入口，收水层边界为离散相边界条件。

2.2.2 计算方法

根据冷却塔及填料层的特点，研究采用气液两相定常流动，空气为连续相，水滴为离散相，喷水层、收水层和填料层为多孔介质。选择k-ε湍流模型，在输运方程中考虑了浮力相［14］。计算采用典型的Simple算法，离散化采用控制容积法，并通过UDF自定义函数，模拟水滴下落速度及冷却塔出水温度的变化。

3 计算结果分析

3.1 不同弧度填料层对冷却塔的影响

采用下凹形填料层，填料层面积的增加会增加换热面积，加强换热，同时也会增加冷却塔的通风阻力，使进风量减少。通过计算发现:不同弧度的填料层与水平布置的填料层面积变化很小，以0.12 rad为例，弧形布置填料层的面积只较水平布置增加了0.05%，面积变化所对应的换热性能变化较小。本研究的重点在于填料层形状改变所导致的雨区空气流场变化引起的冷却塔换热性能的变化。

由于冷却塔换热量的30%～40%发生在雨区，所以雨区风速也是论证冷却塔换热性能高低的一个重要指标。风速的增加有助于增强雨区和填料区的换热。图3分别截取了雨区高6 m处，压力入口条件下，水平布置填料层的速度分布和下凹弧度0.12 rad的填料层速度分布。由图3可知，无论是雨区外围还是中心区域，填料层下凹型布置的雨区空气流速较水平布置均有一定程度的提高。

冷却塔通风量和出塔水温随填料层弧度的变化规律如图4所示。

由图4(a)可知:当填料层弯曲弧度较小时，填料层与入口风向夹角较小，增加了进风口空气漩涡扰动，对冷却塔进风产生了干扰。冷却塔通风量较水平布置方式有所降低。随着弧度的增加，通风量开始增加。可见小的弯曲弧度会阻碍冷却塔的进风。当弯曲弧度为0.12 rad时，通风量比水平布置增加了2.01%。随着填料层弯曲弧度的继续增大，在一定范围内，通风量几乎保持不变。

由图4(b)可知:当填料层弯曲弧度较小时，出塔水温和通风量呈现相反的变化，通风量降低，冷却塔出塔水温升高。随着弧度的增加，出塔水温开始降低。当弯曲弧度为0.24 rad时，出塔水温最高降低了0.186℃。随着填料层弯曲弧度的继续增大，出塔水温有所降低，但降低趋势减小。

当填料层下凹弧度大于0.24 rad时，冷却塔通风量、出塔水温等参数变化幅度较小，改善效果并不明显。并且弧度越大，所需要的填料层面积将增加，冷却塔填料层和配水系统的建设安装及运行维护成本也相应提高。因此，弧形填料层的弧度应该保持在0.09～0.12 rad。

3.2 环境侧风对弧形填料层冷却塔的影响

环境侧风对冷却塔的冷却性能影响很大，以环境侧风3.5 m/s为例，冷却塔冷却效率降低约11%［6］。所以，减小侧风对冷却塔的影响至关重要。图5为0.12 rad填料层冷却塔在5种不同风速的环境侧风下，其通风量和出塔水温的变化。

由图5可知:(1)随着侧风风速的增加，通风量先减小后增加，出塔水温先升高后降低。原因是在无风时，冷却塔进风流场最均匀，换热效果最好，而随着风速的增加，横向风破坏了流场的均匀性，使换热效果急剧恶化。随着风速的进一步增加，当风速大于6 m/s时，塔内气流紊流强度增加，强化了气液间的换热，相应的换热能力有所提高。(2)随着环境风速的增加，下凹型填料冷却塔通风量和出塔水温的变化与水平布置变化趋势相似，但是变化趋势较为平缓。以出塔水温为例，无风时，两种类型冷却塔的差值为0.168℃，而侧风下的差值最高为0.36℃。

图6给出了传统水平布置填料层和下凹0.12 rad填料层，在环境侧风2 m/s条件下，填料下表面的温度分布图。由图6可知:在环境自然风条件下，冷却塔内气水参数不再呈轴对称分布［15-17］，图6(b)中心红色高温区域面积明显少于图6(a)中的面积。其主要是因为弧形的填料层布置，改变了雨区的空气流场，优化了冷却塔进风，使空气流速增加，填料中心区域换热增强;同时填料面积的增加，也增强了塔内换热，冷却塔抽力增加。分析结果表明:采用下凹形填料层的冷却塔更能适应环境风速的变化，有利于提高机组的经济性和安全性。

4 结论

(1)弧形填料层的布置方式可以提高冷却塔的换热，增加通风量，降低冷却塔的出塔水温，提高大型机组的经济性和安全性。

(2)随着弯曲弧度的逐渐增加，冷却塔通风量先降低，后增加，并在一定范围内基本保持不变。冷却塔出塔水温先升高后降低，最高可降低0.168℃。建议采用的填料层弯曲弧度为0.09～0.12 rad。

(3)弧形填料可有效改善侧风条件下冷却塔的换热效果。当环境侧风为6 m/s时，出塔水温最高可降低0.36℃。

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(编辑:蒋毅恒)

Characteristic Analysis on Arc-Shaped Packing Layer of Cooling Tower in Power Plant

ZHAOWensheng，XIAO Longyue，DING Xiaodong
(Ministry of Education Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei Province，China)

Packing is themost important partof the heatexchanger in natural draftwet cooling tower，which accounts for 60%-70%of the total heat transfer，so it has a great potential in energy saving.According to the arrangement of packing layer，this paper put forward the idea that used arc-shaped packing layer instead of traditional horizontal packing layer; established a heat and mass transfer model for the arc-shaped packing layer in wet cooling tower with using simulation software Fluent.Then，the impactof packing layer arrangementwith different radians on the thermal performance of cooling tower was studied and compared;the relevant parameters＇changes of arc-shaped packing layer in wet cooling tower，such as air flow field and outletwater temperature，were calculated and analyzed under different natural crossw ind conditions.The research results show that:the arc-shaped packing layer can increase the heat exchange area，improve the air flow field in rain zone，thus increase the heat exchange quantity and pumping power of cooling tower，and reduce the outlet water temperature;this improvement ismore significantunder natural crosswind conditions.In the case of 0.12 rad packing layer，when the naturalwind speed is 6 m/s，the outletwater temperature can be reduced up to 0.36℃.

cooling tower;arc-shaped packing layer;radian;crossw ind;numerical simulation

TM 621.7

A

1000－7229(2014)11－0127－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.022

2014-06-30

2014-07-31

赵文升(1969)，男，副教授，主要从事汽轮机设备状态监测与运行优化、直接空冷系统的结构优化等研究工作;

肖龙跃(1988)，男，硕士研究生，主要从事湿式冷却塔填料的研究;

丁晓冬(1990)，男，硕士研究生，主要从事热电厂热经济性、热电负荷分配算法及其分配系统的研究。