四塔合一式间接空冷塔传热性能的数值研究

周二奇，陈 龙，郝 颖，侯艳峰，张 娜，赵晓莉，李红莉，李金海（．华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定07003；．河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050000）



四塔合一式间接空冷塔传热性能的数值研究

周二奇1，陈 龙1，郝 颖1，侯艳峰1，张 娜1，赵晓莉2，李红莉2，李金海2
（1．华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003；2．河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050000）

摘要：四塔合一式冷却塔是将脱硫吸收塔、湿式除尘器和烟囱布置在塔内的大型冷却塔。以河北电力勘测设计院承建的某2×660 MW电厂四塔合一式冷却塔为模型，通过CFD模拟，得到了冷却塔换热的温度场和空气流场，分析了脱硫除尘设备、自然风风速和烟囱排烟对冷却塔通风换热的影响。计算结果表明：无风时，塔内布置脱硫除尘设备对冷却塔通风量的影响小于0. 5%；烟囱排烟对冷却塔通风量的影响非常小；风速较大时烟气接触冷却塔的壳体，须做好塔体内外的防腐措施；有风时，脱硫除尘设备可以增大冷却塔的通风量，随风速变大，通风量增大幅度最高为11. 4%。结论可为这种复合式冷却塔的设计和优化提供参考。

关键词：间接空冷；四塔合一；脱硫塔；湿式除尘器；自然风；通风量

0 引言

在富煤少水的三北地区，建有很多空冷机组。将脱硫塔、湿式除尘器和烟囱布置在间接空冷机组的冷却塔内，构建四塔合一式冷却塔，能减少电厂占地面积、节省基建成本。

空冷塔流场的研究主要考虑自然环境对冷却塔换热的影响。翟志强［1，2］等分析了横风对自然通风干式冷却塔的内外空气流场；赵振国［3］通过风洞试验研究了改善大风天气对混合式间接空冷机组空冷塔不利影响的方法；石磊［4－7］等研究分析了间接空冷塔的空气流场和散热器的传热性能；黄春花［8－11］等通过冷态试验和计算对间接空冷塔的热力性能进行了分析研究；杨立军［12］等对间接空冷系统空冷散热器的运行特性进行了数值模拟。四合一式冷却塔的脱硫、除尘和排烟设备体积庞大，烟囱排烟散发热量，影响冷却塔的换热流场。因此，需要研究塔内设备和烟囱排烟及环境风对冷却塔换热流场的影响。

采用FLUENT软件，以在建660 MW机组的四塔合一式冷却塔为例，分别建立传统自然通风冷却塔的初始模型、塔内设备布置方式不同的卧式冷却塔模型和立式冷却塔模型。对间接空冷塔的内外空气流场进行模拟，分析了塔内设备、烟囱排烟和环境风对四合一间接空冷塔传热性能的影响。

1 冷却塔模型

1. 1 物理模型

以某2×660 MW超超临界间接空冷机组的间接空冷塔为模型，脱硫塔、烟囱和湿式除尘器布置在冷却塔内的空地上。散热器采用铝管铝翅片4排双流程塔外垂直布置的方式，散热器面积157 万m2。冷却塔基本参数如表1所示。

表1　冷却塔基本参数

1. 2 数值模型

冷却塔的空气流场同时涉及流动和换热，其中导热和对流为主要换热方式。换热方程由连续性方程、动量方程、能量方程、κ方程与ε方程等共同控制［13］，方程的通用形式如下：

式中：ρ为密度；uj为xj方向的速度分量；φ为通用变量，可以表示u，υ，ω，T等求解变量；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。

空冷散热器外形结构复杂、布置方式多样，数值模型需进行简化处理，采用多孔介质模型代替散热器的翅片管束。多孔介质模型将流过模型时的流动阻力作为动量控制方程的源项，分为粘性损失和惯性损失，对于各向同性介质，动量方程的源项用下式表示：

式中：Si为动量方程的源项；μ为动力粘度；ρ为流体密度；vj为j方向的速度；vmag为速度大小；α为渗透率；C2为惯性阻力系数。

根据空冷散热器进出口压差与迎面风速u的经验公式，结合实验数据，拟合得到散热器压降与速度的关系式如下：

计算多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为195 423和2. 040 8，根据散热器结构参数，计算多孔介质的孔隙率为0. 711。

自然风的速度为幂指数风速廓线计算公式编写的UDF函数，迎风面的风速分布用下式表示：

式中：u0为距地面10 m高度的风速；y为所求点的高度。

数值模型与物理模型体积1∶1进行建模，计算域为边长500 m的立方体。计算域的边界设置：迎风面为速度入口，地面和塔筒设置为壁面，其他面为压力出口。利用Gambit生产网格，通过计算验证，网格数量大于80万后，网格数量对冷却塔通风量影响小于0. 5%，网格数量大于140万后，通风量变化幅度变小，最终确定网格数量132万。

图1为传统的冷却塔模型。排烟、脱硫和除尘设备在冷却塔内的布置方式分卧式和立式两种，如图2和图3所示。卧式模型是将烟囱、除尘器和脱硫塔在塔内分开布置；立式模型是将烟囱、除尘器和脱硫塔组合成一体在塔内放置；初始模型是没有布置脱硫、除尘和排烟设备的冷却塔。

参照设计图纸和实际施工情况，塔内排烟、除尘和脱硫设备的外形尺寸如表2所示。

图1　初始模型

图2　卧式模型

图3　立式模型

表2　塔内设备参数

2 计算结果分析

2. 1 脱硫除尘设备对冷却塔流场的影响分析

研究工况为夏季TRL工况，环境温度32℃，859 hPa，相对湿度0. 55，无自然风，暂不考虑烟囱排烟。

在冷却塔的抽力作用下，进入冷却塔的空气被加热以后从冷却塔的出口流出。图4（a）、（b）、（c）分别是初始模型、卧式模型和立式模型冷却塔流场的速度云图，对比三种模型的速度云图可知塔内设备对冷却塔温度场和速度场的分布无明显影响。表3给出了三种模型冷却塔的通风量、换热量和散热器迎面风速的情况，由表可知，塔内布置脱硫除尘设备后，冷却塔的通风量和换热量影响都小于0. 5%。

图4　Z＝0截面速度云图

表3　TRL工况下冷却塔换热情况比较

2. 2 烟囱排烟对四合一冷却塔流场的影响分析

研究工况为夏季TRL工况，环境温度32℃，859 hPa，相对湿度0. 55，烟囱排烟，无自然风。

表4为烟囱排烟时冷却塔的通风换热情况，数值计算结果表明：烟囱排烟时，卧式模型冷却塔通风量增大0. 12%，换热量增大0. 17%；立式模型冷却塔通风量增大0. 3%，换热量增大0. 2%。比较表3和表4可知，烟囱排烟引起冷却塔通风量、换热量和散热器迎面风速的变化非常小。

表4　烟囱排烟时冷却塔通风换热量

2. 3 自然风对冷却塔流场的影响分析

研究工况为夏季TRL工况，环境温度32℃，859 hPa，相对湿度0. 55，烟囱排烟，有自然风。

图5（a）是风速8 m／s时初始模型塔内外空气温度分布图，随自然风速增大，进风穿透散热器，塔内温度分布变的不均匀，高温区向背风面偏移。图5（b）和（c）是风速8 m／s时卧式模型和立式模型冷却塔温度场的分布云图，冷却塔内的部分高温区由背风面转移到了迎风面。

如图5（b）和（c）所示，卧式模型和立式模型冷却塔烟囱排烟，烟气温度大于同高度空气的温度，由于扩散效应，烟气与塔内空气混合换热后流出冷却塔。风速为8 m／s时，混合烟气接触到上部塔筒和冷却塔出口外沿。

图6为风速变化对冷却塔通风量的影响。随风速增大，三种冷却塔模型通风量下降趋势相同。风速小于6 m／s时，塔内设备对冷却塔的通风量影响较小；风速8 m／s时，相对于初始模型，卧式模型冷却塔通风量增大4. 7%；风速达到了12 m／s后，相对于初始模型，卧式模型和立式模型冷却塔通风量增大了11. 4%和9. 5%。

图5　Z＝0截面温度云图（K）

图6　风速变化对冷却塔通风量的影响

冷却塔通风换热对机组经济性的影响表现在机组的运行背压上。通过换热量的变化计算得到汽轮机排汽压力随环境风速变化的曲线如图7所示。风速从0增大到12 m／s时，初始模型汽轮机排汽压力升高4. 5 kPa，卧式模型和立式模型汽轮机排气压力升高3. 5 kPa。

图7　风速对机组背压的影响

3 结论

（1）无风时，脱硫除尘设备对冷却塔通风量和换热量的影响都小于0. 5%，对散热器的迎面风速基本无影响。

（2）排烟使冷却塔通风量和换热量的变化小于0. 3%，对冷却塔换热性能的作用可忽略。

（3）风速小于8 m／s时，四合一和初始冷却塔的通风量、换热量及汽轮机排汽压力没有明显差别，风速大于8 m／s时，四合一冷却塔换热抗大风能力优于初始模型冷却塔，因为塔内设备起到挡风墙的作用。要注意的是，自然风达到8 m／s时，烟气在塔筒内外扩散接触到塔筒壁和外沿，塔筒内外壁面需进行防腐蚀处理。

参考文献：

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［2］唐革风，苏铭德．横向风影响下空冷塔内外流场的数值研究［J］．空气动力学学报，1997，（3）：328－336．

［3］赵振国，石金玲，魏庆鼎，等．自然风对空冷塔的不利影响及其改善措施［J］．应用科学学报，1998，16 （1）：112－120．

［4］石磊，石诚，汤东升，等．间接空冷散热器及空冷钢塔流动和传热数值研究［J］．华东电力，2014．40 （4）：663－666．

［5］刘志云，王栋，林宗虎．侧向风对自然通风直接空冷塔性能影响的数值分析［J］．动力工程学报，2008，28 （6）：915－919．

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［8］黄春花，赵顺安．间接空冷阻力特性试验研究［J］．中国水利水电科学研究院学报，2011，9（3）：195 －199．

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［11］STASTNY M，TAJC L，KOLAR P，et al．Effects of inlet swirl on the flow in a steam turbine exhaust hood［J］．Journal of Thermal Science，2000，9（4）：327－333．

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［13］陶文铨．数值传热学：第2版［M］．西安：西安交通大学出版社，2001：1－5．

Numerical Research on Heat Transfer Performance of the Four in One Type Indirect Air Cooled Tower

ZHOU Erqi1，CHEN Long1，HAO Ying1，HOU Yanfeng1，ZHANG Na1，ZHAO Xiaoli2，LI Hongli2，LI Jinhai2
（1．School of Energy and Power Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071000，China 2．Hebei Electric Power Design＆Research Institute，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：The four in one type indirect air cooled tower puts desulfurization tower，wet precipitator and chimney inside．Taking the four in one type indirect air cooled tower of a 2×660MW unit built by HEPD as a studying ob⁃ject，the flow and temperature fields of the cooling air are presented by CFD simulation．The influences of desulfu⁃rization devices，wind speed，chimney smoking on ventilation and heat transfer of the tower are investigated in this paper．The simulation results show the influence of desulfurization devices on ventilation quantity is less than 0. 5% without wind，as well the influence of chimney smoking on ventilation quantity is less than 0. 5%．Anticorrosion measures are necessary as flue gas touching the shell of the tower while the wind speed increasing，and desulfuriza⁃tion devices could increase ventilation quantity as wind speed increasing，whose growth rate can reach 11. 4%．The conclusion can provide reference for the design and optimization of the tower．

Keywords：indirect air cooling；four in one type tower；desulfurization tower；wet precipitator；wind；ventilation

作者简介：周二奇（1988－），男，硕士研究生，主要从事间接空冷机组节能研究，E⁃mail：15733221415＠163. com。

收稿日期：2015－11－03。

中图分类号：TK264. 1

文献标识码：A

DOI：10. 3969／j. issn. 1672-0792. 2016. 01. 003