挡风板纵向间隔悬挂对湿式冷却塔热力特性影响的数值模拟

李永华，刘娟，汤金明

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市 071003； 2.内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，呼和浩特市 010206)

挡风板纵向间隔悬挂对湿式冷却塔热力特性影响的数值模拟

李永华1，刘娟1，汤金明2

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北省保定市 071003； 2.内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，呼和浩特市 010206)

在我国北方地区，自然通风逆流湿式冷却塔在冬季运行时容易出现结冰现象，需要在冷却塔的进风口处加装挡风板。在电厂实际运行中，常出现为了防止冷却塔塔内结冰而过量悬挂挡风板的情况，导致机组经济性降低。为了提高冷却塔加装挡风板防冻的可行性，提出了一种新型纵向间隔的挡风板悬挂方式，建立了600 MW机组冷却塔的传热传质模型，利用Fluent软件模拟并分析了纵向间隔加装挡风板后，挡风面积对塔内不同特征面最低水滴温度的影响，找到了在不同环境温度下刚好可以防止塔内结冰的最佳挡风面积。结果表明：纵向间隔加装挡风板后，塔内最低水滴温度随挡风面积的增加而升高；当环境温度分别为264.15、261.15和258.15 K时，分别在第1层加装挡风板后留45个纵向进风口、第1、2层加装挡风板后留72个纵向进风口以及第1、2、3层加装挡风板后留90个纵向进风口刚好可以防止塔内结冰，对应的最佳挡风面积分别为848.95、1 578.79以及1 864.16 m2。

冷却塔；数值模拟；热力特性；防冻；挡风面积

0 引 言

自然通风逆流湿式冷却塔在火电厂中广泛应用，主要作用是冷却循环水。冷却塔内冷却水通过对流散热和蒸发散热[1-2]，把水中的热量传递给空气。在我国北方地区冬季温度较低，风速较高，冷却水和空气之间换热强度大，塔内结冰风险高[3]。当冷却塔结冰现象严重时，会造成冷却塔内部设施损坏，影响冷却塔的安全运行[4-6]。出现结冰现象的原因是：在冷却塔的塔筒内壁下缘处经常淋不到热水，从填料中溅出的水沿塔筒内壁流到这些部位，与进塔的冷空气换热，当水滴温度降到冰点以下时，在填料层下平面、进风口上沿面和基环面等处出现结冰现象[7-9]。目前,在冷却塔的进风口处加装挡风板是防止塔内结冰的常见方式[7-12]。

在实际运行中，由于不能及时地根据环境温度的变化调整挡风板的数量，常会过量悬挂挡风板，使得循环水温度高于经济温度，造成机组真空和机组经济性降低[12]。因此，找到一定环境温度下对应的最佳挡风面积对机组的节能降耗具有重要意义。

文献[7-9]模拟研究了环境温度和横向风速影响下加装不同层数挡风板时冷却塔的热力特性，找到了环境温度和横向风速影响下防止塔内结冰的最佳挡风板悬挂层数。然而，横向分层悬挂在实际运行中存在一些问题，比如挡风板悬挂过程耗时较长，悬挂过程中出现结冰现象，从而损坏淋水填料，降低冷却塔的热力性能[4]。为了提高冷却塔加装挡风板防冻的可行性，本文提出一种新型防止塔内结冰的挡风板悬挂方式，即纵向间隔悬挂，通过建立600 MW机组湿式冷却塔的传热传质模型，利用Fluent软件模拟计算纵向间隔加装挡风板后冷却塔内的最低水滴温度，找到不同环境温度下防止塔内结冰的最佳挡风面积。

1 数值模拟方法

冷却塔内循环冷却水在不同的区域流态也不相同，在喷淋区和雨区为液滴状，而在填料区多为液膜的形式。针对冷却塔内介质的流动特性，在喷淋区和雨区，采用离散相模型来模拟水滴和空气之间的相互作用[13-14]。填料区由于分布致密、水膜流动复杂，其对气水流场的影响被当做源项采用外接自定义函数求解[15]，选用标准k-ε湍流模型，在输运方程中考虑了浮力项，控制微分方程的离散化采用有限差分法中的控制容积法，控制方程的对流项采用二阶迎风离散格式，流场的计算采用典型的Simple算法，Fluent求解器采用分离隐式。

1.1 连续相控制方程

在喷淋区和雨区，湿空气为连续相，湿空气的流动采用欧拉法求解，通用控制方程为

▽·(ρuiφ-Γφ▽φ)=Sφ

(1)

式中：ρ为湿空气密度，kg/m3；μi为速度矢量，m/s；φ为通用变量，分别表示温度(K)、湍流动能(m2/s2)、湍流扩散率(m2/s3)、水蒸气体积浓度(m3/m3)以及x、y、z方向的速度分量(m/s)；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义扩散源项[16]。

1.2 离散相控制方程

在喷淋区和雨区，采用拉格朗日法计算水滴的轨迹，并通过相间耦合计算水滴与空气之间的热质交换。水滴的温度变化关系式为

mwcwΔTw=hAw(Tad-Tw)+hmAw(Cs-C∞)hfg

(2)

式中：Tad、Tw、Aw、mw分别为控制单元内气相干球温度(K)、水滴温度(K)、水滴表面积(m2)和水滴流量(kg/s)；cw为控制单元内水滴的平均比热容，J/(kg·K)；ΔTw为控制单元内水滴温度变化量，K；Cs为含1 kg干空气的湿空气中水滴表面所含水蒸汽的质量；C∞为含1 kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量；hm为传质系数，kg/(m2·s)；h为传热系数，W/(m2·K)；hfg为淋水蒸发潜热，J/kg[17]。

1.3 压力损失

在喷淋区和雨区，由于水滴的拖拽力而引起的空气压降在Fluent内部进行计算[18]，空气流经填料、人字柱、配水管道和收水器时产生的压降以源项的形式添加到动量方程中，冷却塔各区动量源项的通用形式为

(3)

式中：vj为垂直于几何边界面方向的空气流动速度分量，m/s；k为压力损失系数[19]，对于深度为1 m的填料，压力损失系数可以按照以下经验关系式计算：

(4)

(5)

Kfi,1.0m=Kfi,0.9mf+Kfi,1.2m(1-f)

(6)

人字柱(Kts)、配水管道(Kspray)和收水器(Kdrift)的压力损失系数根据实验资料取定值，分别为Kts=0.5、Kspray=0.5和Kdrift=3.5[20]。

1.4 边界条件

以北方某电厂600 MW机组的自然通风逆流湿式冷却塔为例，其几何边界条件如下：塔高125 m，基环外侧直径106.42 m，塔盆直径96.42 m，塔出口直径57.01 m，喉部直径52.2 m，填料厚度1 m，进风口高度8 m，进风口总面积3 005.76 m2，计算区域为高度500 m、直径500 m的圆柱体。

使用Gambit软件生成冷却塔的几何模型以及计算网格，由于不同区域的网格精度要求不同，塔内传热传质区域和进风口区域网格划分得较密集，塔筒区域和塔外环境区域网格则相对稀疏。经过网格无关性验证后，确定网格总数约为144万个。

当有环境侧风时，进口为速度边界条件，出口为压力边界条件，地面、塔壳壁面和挡风板为无滑移壁面边界条件。计算中考虑重力和浮力的影响，离散相边界条件在基环面、收水器、计算区域进出口等边界均为逃逸，在冷却塔壳壁面为反射。网格划分及计算边界如图1所示。

图1 网格划分及计算边界

1.5 模型正确性验证

为了证明所建立数值模型的可行性，对冷却塔未加装挡风板时3个不同工况下的实测出塔水温和计算出塔水温进行了比较，如表1所示。

从表1可看出，3个工况下实测循环水温降分别为11.31、10.13和9.48 K，实测出塔水温和计算出塔水温之间的绝对误差分别为0.03、0.07和0.04 K，分别占实测循环水温降的0.27%、0.69%和0.42%，这表明所建立的数值模型是可行的。

2 计算结果分析

模拟工况的参数为：进塔水温298.15 K，循环水质量流量10 166.46 kg/s，空气相对湿度53%，横向风速1.5 m/s，水滴当量直径3 mm。模拟计算的结果如下。

表1 出塔水温的实测值与计算值对比

Table 1 Comparison of actual measured and calculated outlet water temperature

2.1 未装挡风板时环境温度与塔内水温的关系

对环境干球温度分别为258.15、261.15和264.15 K时填料下面、进风口上沿面和基环面3个特征面上的最低水滴温度进行模拟计算，得到环境温度和特征面上最低水滴温度的关系如图2所示。

图2 特征面上最低水滴温度随环境温度的变化趋势

从图2可看出，随着环境温度的降低，3个特征面上的最低水滴温度均降低。这是由于随着环境温度的降低，循环冷却水和冷空气之间的温度差、湿度差增大，传热的驱动力增大，换热增强，塔的抽力增加，通风量增大，塔内最低水滴温度下降。

当环境温度为258.15 K时，填料层下平面、进风口上沿面和基环面上最低水滴温度均小于273.15 K，说明此时3个特征平面均已产生结冰现象。当环境温度为261.15 K时，进风口上沿面和基环面产生结冰现象，当环境温度为264.15 K时，基环面产生结冰现象。为了提高塔内温度防止结冰，采用在冷却塔进风口处加装挡风板的方案。

2.2 进风口加装挡风板

挡风板将进风口按标高平均分为3层，从上到下依次为1、2、3层，前2层挡风板高均为2.67 m，为保证冷却塔的进风，第3层挡风板采用原高度的一半，即1.33 m，从进风口高0 m到1.33 m处为下层进风区域，不悬挂挡风板，留作进风。挡风板为梯形，每块挡风板的尺寸如下:第1层挡风板上部宽度、第1层挡风板下部宽度(即为第2层挡风板上部宽度)、第2层挡风板下部宽度(即为第3层挡风板上部宽度)、第3层挡风板下部宽度分别为：84.14、87.06、89.96、91.42 cm。当1层或几层采用纵向间隔均匀悬挂时，一定数目的挡风板和纵向进风口依次排列，每层的纵向进风口尺寸和该层每块挡风板的尺寸相同，第1、2、3层纵向间隔加装挡风板后的进风口结构示意图如图3所示。

图3 纵向间隔加装挡风板示意

2.2.1 纵向间隔加装挡风板对塔内空气温度场的影响

以环境温度为261.15 K，1、2层纵向间隔加装挡风板后留60个纵向进风口、挡风面积为1 644.57 m2时填料下面空气温度场为例，对比未加装挡风板以及纵向间隔加装挡风板后填料下面空气温度场，如图4所示。从图4可以看出，未加装挡风板时，在冷却塔的背风侧空气温度较低，循环水和冷空气之间的温差较大，循环水传递给冷空气的热量较多，使得此处水滴温度偏低；纵向间隔加装挡风板后，填料下面最低空气温度明显升高，降低了塔内结冰的可能性。

2.2.2 挡风面积对塔内最低水滴温度的影响

对纵向间隔加装挡风板后环境温度分别为258.15、261.15和264.15 K时3个特征面上的最低水滴温度进行模拟计算，挡风板的纵向间隔悬挂方案如表2所示，3个特征面上最低水滴温度随挡风面积的变化趋势如图5所示。

图4 填料下面空气温度场

图5 环境温度为258.15、261.15和264.15 K时特征面上最低水滴温度随挡风面积的变化趋势

(1)从图5可看出，在环境温度分别为258.15、261.15 和264.15 K时，3个特征面上的最低水滴温度均随挡风面积的增加而升高。这是因为随着挡风面积的增加，通风阻力增大，而塔的抽力几乎不变，因此通风量减少，循环水和空气之间的换热量减少，使得塔内最低水滴温度升高。

(2)由图2和图5可知，在264.15 K环境温度下，第1层纵向间隔加装挡风板后留45个纵向进风口时基环面最低水滴温度为274 K，刚好高于273.15 K，即刚好可以防止塔内结冰，因此，该悬挂方式为在264.15 K环境温度下防止塔内结冰的最佳悬挂方式，最佳挡风面积为848.95 m2；同理，在 261.15 K环境温度下，最佳悬挂方式为第1、2层纵向间隔悬挂挡风板后留72个纵向进风口，最佳挡风面积为1 578.79 m2；在258.15 K环境温度下，最佳悬挂方式为第1、2、3纵向间隔悬挂挡风板后留90个纵向进风口，最佳挡风面积为1 864.16 m2。最佳挡风面积随环境温度的降低而增大。

3 结 论

本文对600 MW机组自然通风逆流湿式冷却塔未加装挡风板以及纵向间隔加装挡风板后的热力特性进行了数值模拟，得到以下结论：

(1)未加装挡风板时，当横向风速为1.5 m/s，环境干球温度分别为258.15、261.15 和264.15 K时，塔内产生不同程度的结冰现象，塔内最低水滴温度随着环境温度的降低而降低。

(2)在进风口处纵向间隔加装挡风板后，随着挡风面积的增加，进塔空气量减少，塔内最低水滴温度升高。

(3)在1.5 m/s横向风速下，当环境温度为264.15 K时，第1层纵向间隔加装挡风板后留45个纵向进风口刚好可以防止塔内结冰，最佳挡风面积为848.95m2；当环境温度为261.15 K时，第1、2层纵向间隔加装挡风板后留72个纵向进风口刚好可以防止塔内结冰，最佳挡风面积为1 578.79 m2；当环境温度为258.15 K时，第1、2、3层纵向间隔加装挡风板后留90个纵向进风口刚好可以防止塔内结冰，最佳挡风面积为1 864.16 m2；最佳挡风面积随环境温度的降低而增大。

[1]胡丹梅，宗涛，张志超，等.自然通风逆流湿式冷却塔进风口导叶板结构参数优化[J].中国电机工程学报，2013，33(11)：30-38. HU Danmei，ZONG Tao，ZHANG Zhichao，et al.Optimization on inlet deflectors structural parameters of a natural draft counter-flow wet cooling tower[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(11)：30-38.

[2]魏高升，陈林，李兵，等.板式蒸发式冷凝器热质传递过程模型分析[J].电力建设，2014，35(6)：18-21. WEI Gaosheng，CHEN Lin，LI Bing，et al.Model analysis on heat and mass transfer process in plate-type evaporative condenser[J].Electric Power Construction，2014，35(6)：18-21.

[3]程通锐，杜小泽，杨立军.直接空冷凝汽器空气侧热流性能的跨尺度模拟[J].电力建设，2015，36(8)：15-21. CHENG Tongrui，DU Xiaoze，YANG Lijun.Cross-scale simulation for air-side thermos-fluid performance of direct air-cooling condenser[J].Electric Power Construction，2015，36(8)：15-21.

[4]张延风，张洪仁，刘晓春，等.600 MW超临界机组冷却塔进风口固定式可调节挡风板改造[J].吉林电力，2013，41(5)：49-51. ZHANG Yanfeng，ZHANG Hongren，LIU Xiaochun，et al.Transform of suspension adjustable baffle plate on the cooling tower for 600 MW SC unit[J].Jilin Electric Power，2013，41(5)：49-51.

[5]赵振国.冷却塔[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2001：296-298.

[6]耿树青，徐平，管永庆，等.东北地区双机一塔防冻措施研究[J].能源与节能，2014(11)：189-192. GENG Shuqing，XU Ping，GUAN Yongqing，et al.Antifreezing measures for double machines one tower in northeast region[J].Energy and Energy Conservation，2014(11)：189-192.

[7]李永华，甄海军，潘昌远，等.横向风速影响下湿式冷却塔内温度场及防冻措施的数值研究[J].中国电机工程学报，2013，33(8)：58-64. LI Yonghua，ZHEN Haijun，PAN Changyuan，et al.Numerical study on the temperature field in wet cooling tower and the anti-icing measures under the influence of horizontal wind speed[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(8)：58-64.

[8]李永华，潘昌远，甄海军，等.不同环境温度下湿式冷却塔防冻规律的数值研究[J].华北电力大学学报，2013,40(6)：101-108. LI Yonghua，PAN Changyuan，ZHEN Haijun，et al.Numerical study on the anti-icing law of wet cooling tower under the influence of environment temperature[J].Journal of North China Electric Power University，2013,40(6)：101-108.

[9]李永华，甄海军，汤金明.湿式冷却塔加装挡风板的数值研究[J].动力工程学报，2012，32(5)：394-398. LI Yonghua，ZHEN Haijun，TANG Jinming，et al.Numerical study on thermal performance of a wet cooling tower with windshield board[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32(5)：394-398.

[10]张学军.电厂冷却塔防结冰分析[J].黑龙江电力，2012,35(5)：333-336. ZHANG Xuejun.Study on icing prevention for cooling tower in power plant[J].Heilongjiang Electric Power，2012,35(5)：333-336.

[11]郭民臣，马英，梅勇，等.快速喷雾结冰技术在循环冷却水塔中的应用[J].动力工程学报，2012，32(8)：629-633. GUO Minchen，MA Ying，MEI Yong，et al.Application of rapid spray-freezing technology in the anti-icing of circulation cooling towers[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32(8)：629-633.

[12]才延福，金丰，天罡，等.电站冷却塔随动堆积帘式节能防寒技术的研究与应用[J].黑龙江电力，2014，36(3)：266-268.

CAI Yanfu，JIN Feng，TIAN Gang，et al.Study and application of follow-up accumulated curtain-type energy-saving cold prevention technology of power station cooling tower[J].Heilongjiang Electric Power，2014，36(3)：266-268.

[13]周兰欣，蒋波，陈素敏.自然通风湿式冷却塔热力特性数值模拟[J].水利学报，2009，40(2)：208-213. ZHOU Lanxin，JIANG Bo，CHEN Sumin.Numerical simulation for thermal performance of natural draft wet cooling tower[J].Journal of Hydraulic Engineering，2009，40(2)：208-213.

[14]AL-WAKED R.Crosswinds effect on the performance of natural draft wet cooling towers[J].International Journal of Thermal Sciences，2009，49(1)：218-224.

[15]黄东涛，杜成琪.逆流式冷却塔填料及淋水分布的数值优化设计[J].应用力学学报，2000，17(1)：102-109. HUANG Dongtao，DU Chengqi.Numerical optimization design of the fill and water spray distribution in counter-flow cooling tower[J].Chinese Journal of Applied Mechanics，2000，17(1)：102-109.

[16]周兰欣，马少帅，弓学敏，等.自然通风湿式冷却塔加装斜面挡风墙的数值研究[J].动力工程学报，2013，33(1)：47-52. ZHOU Lanxin，MA Shaoshuai，GONG Xuemin，et al.Numerical study on natural draft wet cooling tower fixed with tilted windbreak walls[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33(1)：47-52.

[17]周兰欣，刘正良，弓学敏.湿式冷却塔加装导风管的数值研究[J].华北电力大学学报，2011，38(6)：96-100. ZHOU Lanxin，LIU Zhengliang，GONG Xuemin.Numerical study on wet cooling tower with catheter pipes[J].Journal of North China Electric Power University，2011，38(6)：96-100.

[18]AL-WAKED R，BEHNIA M.CFD simulation of wet cooling towers[J].Applied Thermal Engineering，2006，26(4)：382-395.

[19]周兰欣，吴瑞康，杨新健，等.核电机组巨型冷却塔进风口高度优化的三维数值研究[J].汽轮机技术，2014，56(3)：171-175. ZHOU Lanxin，WU Ruikang，YANG Xinjian，et al.Three-dimensional numerical study for optimization for the inlet height of nuclear power plant cooling tower[J].Turbine Technology，2014，56(3)：171-175.

[20]WILLIAMSON N，ARMFIELD S，BEHNIA M.Numerical simulation of flow in a natural draft wet cooling tower-The effect of radial thermofluid fields[J].Applied Thermal Engineering，2008，28(2-3)：178-189.

(编辑 蒋毅恒)

Numerical Simulation on Influence of Windshield Boards Installed at a Regular Longitudinal Spacing on Wet Cooling Tower Thermal Performance

LI Yonghua1, LIU Juan1,TANG Jinming2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. Inner Mongolia Datang International Togtoh Power Generation Co., Ltd., Hohhot 010206, China)

In the north of China, water freezing phenomenon occurs easily during the operation of natural draft counter-flow wet cooling towers in winter. It is necessary to install windshield boards at the air inlet of cooling tower. During the actual operation of power plants, it often appears the situation that the number of windshield boards is over large in order to avoid water freezing in cooling tower, which decreases the economics of unit. In order to improve the feasibility of installing windshield boards to avoid water freezing, we propose a new installation method of spaced longitudinal windshield board, and establish a heat and mass transfer model of cooling tower in a 600 MW unit. With using Fluent, we simulate and analyze the influence of the installing area of windshield boards on the minimum water droplet temperature on different characteristic planes after windshield board installation, and find the optimal installing area of windshield boards at different ambient temperatures. The results indicate that, the lowest water droplet temperature in the tower increase with the installing area increase of windshield boards; when the ambient temperatures are 264.15 K, 261.15 K and 258.15 K respectively; the cooling tower can avoid water freezing with windshield boards installed at a regular longitudinal spacing at the first layer with 45 longitudinal air inlets, the first two layers with 72 longitudinal air inlets and the first three layers with 90 longitudinal air inlets respectively, the corresponding optimal installing area of windshield boards are 848.95 m2, 1578.79 m2and 1864.16 m2respectively.

cooling tower; numerical simulation; thermodynamic performance; anti-freezing; installing area of windshield boards

TM 621.7

A

1000-7229(2016)01-0119-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.018

2015-08-25

李永华(1961)，女，教授，主要从事火电机组节能理论及节能技术研究工作；

刘娟(1989)，女，硕士研究生，研究方向为湿式冷却塔防冻；

汤金明(1986)，男，工程师，主要从事汽轮机及附属设备检修管理工作。