1 000 MW机组冷却塔加装导风通道的方法研究

周兰欣，郝 颖

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）

1 000 MW机组冷却塔加装导风通道的方法研究

周兰欣，郝 颖

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）

以冷却塔相关传热传质理论为基础，应用计算机模拟软件，建立了1 000 MW机组自然通风湿式冷却塔的三维模型。针对冷却塔中心区域换热效率低的问题，提出了在雨区加装导风通道的方案，通过导风通道，将塔外冷空气直接导入塔内中心区域进行换热，并对不同导风通道的结构尺寸及个数进行了计算和模拟。计算结果表明，加装优化后的导风通道，可降低冷却塔的出塔水温。

机组；冷却塔；导风；通道；模拟；计算；加装；方案

0　概述

自然通风湿式冷却塔是发电厂冷端系统中重要的热力设备［1］。评价冷却塔工作性能的主要指标就是出塔水温，经验表明：水温每降低1℃，凝汽器真空度提高1%［2］。

目前，许多冷却水塔的工作流程，是让环境冷空气进入冷却塔雨区后，沿径向向塔中心区域流动，在流动过程中，由于与水滴进行热质交换，使空气温度升高，湿度增大，流速降低。现提出在雨区加装导风通道的方法，简单易行，可使环境冷空气经导风通道，直接到达雨区的中心区域，改善中心区域的换热状况。通过对1 000 MW机组自然通风湿式冷却塔进行模拟计算，结果表明，出塔水温可降低0.66℃。

1　计算模型

对自然通风湿式冷却塔进行数值模拟，通常根据冷却水传热传质特点，对喷淋区、填料区、雨区三个区域进行模拟计算。在雨区和喷淋区采用离散相模型模拟气水间的相互作用，其中空气为连续相，水滴为离散相。填料区的气水间传热传质以及阻力计算，采用自定义函数添加源项的方法进行求解计算［3—4］。

1.1 连续相（湿空气）控制方程

描述湿空气的运动状态控制方程为质量、动量、能量及组分守恒方程。方程的通用形式［5］：

式（1）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为广义扩散源项。

1.2 离散相（水滴）控制方程

冷却塔内的冷却水以水滴形式下落，与空气进行传热传质，使用离散项模型，模拟和追踪水滴运动轨迹，通过水滴与空气间耦合计算热质传递［5］。水滴的温度变化为：

式（2）中：mp为液滴质量；Tp为液滴温度；T∞为湿空气温度；hfg为液滴的汽化潜热，h为液滴表面传热系数。

水滴的蒸发速率为：

式（3）中：Ap为气液接触面积；hd为表面传质系数；Cs为液滴表面蒸汽摩尔溶度；C∞为湿空气中蒸汽摩尔溶度；Mw为液滴摩尔质量。

1.3 填料区传热传质计算

填料区是冷却塔内进行热质交换的主要区域，作用是增加水滴和空气的接触时间和换热表面积。填料区结构紧凑且数量众多，精确模拟较难实现。因此，对填料区采用用户自定义函数添加源项的方法进行模拟［6］。

根据填料区结构特点，对该区域进行离散化，如图1所示。填料区径向离散为m个柱体，沿垂直方向离散为n层，整个区由此离散为m×n×1个网格，每个网格的循环水流动和换热情况，可用温度和质量流率进行描述。计算所得参数进入下一网格进行引导计算，以此计算后，得出填料区内的全部换热量。

计算填料区域内的传热传质情况时，以Poppe模型作为数学基础进行分析，单位高度的传质系数可由淋水密度和空气流率得出［7-8］。通过实验数据得出1.2m高度填料的传质系数表达式为：

图1　填料内热质传递简化模型

式（4）中：Mep为Merkel数；Lfill为填料高度；A为汽水接触面积；mw为淋水密度；ma为空气质量流率。传热系数与传质系数的关系由刘易斯关系式确定［］：

刘易斯数Lef可由Bosjnakovics公式得到［7］。

基于以上理论，得出第n层出口循环水质量流率为：

第n层的循环水出口温度为：

当空气达到饱和状态时，在第n层填料控制单元中，单位体积内的附加源项可通过式（8）描述，它通过用户自定义函数添加源项至控制方程来实现［9］。

式（8）、式（9）中：ΔLfi为当前填料层的高度，Cpw和Cpv分别为水的比热和饱和水蒸气的比热，ΔTnw、分别为第n层填料内水温变化量、水蒸汽冷凝量、质量源项和能量源项。

1.4 阻力计算

在冷却塔中包括了气水两相间的作用力，可通过离散项模型进行模拟。此外，还包括了结构阻力，该部分阻力，可通过自定义函数添加动量源项，利用控制方程的形式进行求解计算。

动量方程的一般形式为［10］：

式（10）中：Vp为空气通过几何边界面的垂直速度分量；K为压损系数，它是一个通过实验数据拟合得出的经验关系式［5，11］，表达式为：

式（11）中：mw、ma分别为水滴、湿空气的质量流量；L为填料高度。进风口、配水管路和收水器的压损系数，根据实验数据确定［12］，分别为Kjfk=0.5、Kgw=0.5和Kssq=3.5。

2　冷却塔热力特性模拟

2.1 几何模型及边界条件

以某1 000 MW机组为例，塔高165 m，顶部直径为80.08 m，进风口高度11.64 m，进风口上缘直径为123.942 m，进风口下缘直径为133.33 m，填料层直径为123.62 m，喉部直径为75.21 m，填料厚度为1.2 m，淋水面积为12 000 m2。考虑到周围环境对冷却塔换热的影响，建立了直径为500 m、高度为500 m的圆柱体计算区域，如图2所示。利用GAMBIT软件生成几何模型，采用四面体和楔形网格混合的方式，划分计算区域网格。对该模型进行网格无关性验证，最终确定网格总数为130万。

设置了物理边界条件，将环境区域外围侧面设为压力入口，环境区域顶面设为压力出口。离散相边界条件为：将水池面、地面设为逃逸面，冷却塔内壁设为反射面。

图2　计算边界

2.2 模拟结果分析

参考工况参数：进塔水量为21 503 kg/s，空气干球温度为29.96℃，相对湿度为70.3%，进塔水温为42.3℃，水滴当量直径为3 mm。

经计算得到冷却塔X—Y截面湿空气温度等值线分布图以及气流速度等值线分布图，如图3、图4所示。

图3　冷却塔X-Y截面湿空气温度分布

图4　冷却塔X-Y截面湿空气速度分布

从图3、图4可知，冷却塔内的气水流场为轴对称情况，在雨区进风口处的空气流速较高，温度最低。环境冷空气从冷却塔外围向中心区域流动，在此过程中，冷空气与水滴进行热质交换，流速降低，随着空气冷却能力的下降，使得空气温度沿径向逐渐升高。空气湿度增大，并在中心区域处达到最高值。通过对离散项水滴进行跟踪计算，最终得到出塔水温为30.62℃。

3　加装导风通道

3.1 模型概述

针对冷却塔中心区域换热效率较低的问题，提出加装导风通道的方案，管道一端布置在进风口处，另一端沿径向通向塔中心区域，通道内的新鲜空气未经过换热，温度和湿度都较低，具有较好的冷却性能。导风通道将空气直接引入塔中心区域进行换热，可提高中心区域的换热效果。初步设置了6个导风通道，长度为50 m，管道截面高5 m、宽5 m。导风通道的结构布置，如图5所示。

图5　冷却塔加装导风通道

3.2 模拟结果分析

加装导风通道后，X—Y截面空气温度分布和气流速度分布，如图6、图7所示。相比于原型塔的X—Y截面分布图，塔中心区域的空气温度降低约2℃，塔内空气流速更为均匀。

图6　加装导风通道后X-Y截面湿空气温度分布

图8、图9分别为原型塔与加入导风通道后的填料底部横截面温度分布。

从图8、图9可知，加装导风通道后，塔内中心区域的温度有所下降，靠近通道出口附近的温度下降较为明显，温度分布更为均匀，中心区域降温的最大值约4.5℃，冷却效果明显。

图7　加装导风通道后X-Y截面湿空气速度分布

图8　未装导风通道填料底面温度分布

图9　加装导风通道后填料底面温度分布

3.3 导风通道结构优化

3.3.1 导风通道结构尺寸优化

进入塔中心区域的空气量与导风通道的横截面积有关，同时，也会影响冷却塔的冷却效果及出塔水温。因此，选择合理的导风通道尺寸，可使加装导风通道冷却塔的换热效果达到最优。设置管道个数为6个，确定管道高度为5 m、分别取管道宽为2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m，管道长为30 m、35 m、40 m、45 m、50 m进行模拟。模拟计算的结果，如表1所示。

表1　不同尺寸导风通道模拟结果比较℃

由表1可知，当导风通道的宽度为10 m、长度为45 m时，出塔水温最低，比不加导风通道时下降了约0.48℃。

3.3.2 导风通道个数优化

导风通道的数量同样影响进入塔中心区域的空气量，数量过少，从导风通道进入的空气量就较少，使换热效果不明显，数量过多，将影响周围雨区的换热。因此，确定管道高为5 m，取管道宽为2.5 m、5 m、7.5 m、10 m、12.5 m，管道长为30 m、35 m、40 m、45 m、50 m，管道个数分别设为8个、10个、12个，分别进行模拟。模拟的结果，如表2、表3、表4所示。

表2　8个导风管道的模拟结果℃

表3　10个导风管道的模拟结果℃

表4　12个导风管道的模拟结果℃

由表2～表4可知，当导风通道的长度为45 m、通道个数为8个时，出塔水温最低，比不加导风通道时下降了约0.53℃。

3.3.3 导风通道长度配置优化

为了使换热更加均匀，得到更好的换热效果，可选取不同长度的管道进行混合布置，使塔内不同半径上的空气质量均有所改善，混合布置方案，如表5所示。

表5　导风通道长度混合布置方案

当导风管的长度取35 m、45 m进行混合布置，且管道数为10个时，出塔水温较低。加装优化后的导风通道的模拟结果，如图10、图11所示。

图10　X-Y截面湿空气温度分布

图11　填料底面温度分布

通过模拟可知，选取导风通道的管长为35 m、45 m进行混合布置，出塔水温为最低，比长度相同导风管降低了0.13℃。因此，采用不同长度的导风通道布置，可获得较低的出塔水温。

4　结语

建立了比较完整的自然通风湿式冷却塔模型，分析计算了1 000 MW机组的热力特性，提出了在雨区加装导风通道的方案，以提高中心区域换热效率。同时，对导风通道的主要参数进行了优化。

（1）通过加装导风通道，直接将低温空气引进冷却塔中心区域，模拟分析了改进后的冷却塔热力特性，得到了最优结果，使出塔水温下降了0.53℃。

（2）采用不同长度的导风通道布置，以改善冷却塔不同半径处的换热效果，使换热更均匀。计算结果表明，选用通风管道长度为35 m、45 m进行混合布置，可使冷却效果最佳，进一步降低了出塔水温约0.13℃。

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Method Study on the Installation of Catheter Channels in the Cooling Tower of a 1 000 MW Power Unit

ZHOU Lan-xin，HAO Ying
（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Based on the relative theories of heat and mass transfer in the cooling tower，a three-dimension model of the natural draft wet cooling tower of a 1 000 MW power unit has been built with computer simulation software. Considering the low heat transfer efficiency of the central region，this paper proposes the solution of installing several catheter channels in the rain zone.The outer cold wet air can transfer heat in the central region directly through the catheter channels.This paper also simulates different structure size and number of catheter channels.Calculation shows that outlet water temperature drops with the installation of catheter channels.

unit；cooling tower；catheter；channel；simulation；calculation；installation；plan

TK264.1

A

1672-0210（2016）01-0015-06

2015-12-08

周兰欣（1956-），男，教授，主要从事电厂冷端设备的节能与系统优化方面的研究工作。