1 000 MW机组间接空气冷却塔的三维数值模拟

王连接

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广东 广州510663)



1 000 MW机组间接空气冷却塔的三维数值模拟

王连接

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院，广东 广州510663)

传统的经验公式和二维计算方法无法预测复杂环境下空气冷却塔的性能，因此利用计算流体动力学软件包ANSYS Fluent 13.0，建立1 000 MW机组散热器塔外布置的大型空气冷却塔三维数值计算模型，获得了塔内外空气动力场、压力场以及进出塔冷却水温度的差值。研究发现：随着环境风速的增大，空气冷却塔的散热性能不断下降，当环境风速超过6 m/s时，环境风对空气冷却塔散热的不利影响趋于平缓；增设导风板可减缓环境风速对空气冷却塔的不利影响，环境风速越大，导风板的改善效果越显著。

间接空气冷却塔；数值模拟；环境风速；导风板

在中国，采用间接空气冷却(以下简称“空冷”)方式的发电厂一般都位于风速大、气温变化大等自然环境较为恶劣的地区，因而需要对各种间接空冷系统在复杂环境下的实际性能进行研究。空冷塔和散热器的不同工艺组合给间接空冷系统的冷端冷却性能预测增加了难度，传统的经验公式以及一、二维计算方法已经不适应复杂结构空冷塔的性能预测，因此开展三维数值计算十分必要。

现有的间接空冷塔三维数值模拟计算主要集中于环境风对空冷塔热力性能和表面风压的影响等方面。宫婷婷[1]采用Fluent软件对有、无导风板情况下散热器垂直外置的空冷塔进行了三维数值模拟，并提出热效能系数和热效能改进系数的概念，用于分析外界侧风作用时间接空冷塔的性能变化。石磊等[2]采用Fluent软件计算自然通风状态下600 MW表面式间接空冷机组的空冷塔空气流动和换热特性，得到了环境风影响下空冷塔的通风量和散热量。翟志强等[3]通过模型实验研究了横向风下空冷塔单塔与双塔的空气流场特征，揭示了横向风是影响空冷塔及塔群空气动力场的主要因素，并提出改善空冷塔流场的初步措施。唐革风等[4]用有限体积法对有横向自然风时空冷塔的三维湍流场和温度场进行了数值模拟，揭示了有风时空冷塔散热能力下降的主要原因。Wei等[5]通过现场测试和风洞实验研究了环境风对空冷塔冷却效率的影响，指出由于空冷塔进口的压力分布不合理、空冷塔出口热羽流状况的打破及边界层分离后空气进入空冷塔等原因，致使空冷塔在环境风的作用下冷却效率降低。Al-Waked和Behnia[6]通过计算流体动力学(computation fluid dynamics,CFD)模拟，研究了横向风作用下自然通风空冷塔的热性能，并提出采用挡风墙来削弱横向风的不利影响。文献[7]的研究表明，在环境自然风条件下，塔周空气近似作圆柱绕流运动，随着风速的增大，空冷塔背风侧会形成漩涡和二次流，并在塔底形成较大的回流区，降低了空冷塔进风口的有效进风速率。

上述研究都局限于1 000 MW以下机组，而针对1 000 MW机组间接空冷系统的研究目前还比较少。本文依托某电厂2×1 000 MW间接空冷式机组工程，利用高性能计算机和CFD软件包ANSYS Fluent 13.0，对1 000 MW机组散热器塔外布置的大型空冷塔进行三维数值模拟，研究环境风速、导风板设置等对空冷塔性能的影响以及相关参数的变化规律，并通过关键参数的对比验证所建立的三维热流体数学模型的可靠性和准确性。

王连接：1 000MW机组间接空气冷却塔的三维数值模拟

1　表面式间接空冷系统

1.1工作原理

表面式间接空冷系统的工作原理如图1所示，经散热器冷却后的低温冷却水在表面式凝汽器中，通过金属管壁与汽轮机排汽进行对流换热，水蒸气在金属管壁凝结后，凝结水汇集于凝汽器底部热井，由凝结水泵送回汽轮机回热系统。温度升高后的冷却水经循环水泵送入自然通风塔， 在空冷散热器中与空气对流换热， 冷却后的循环水再送回表面式凝汽器中冷却汽轮机排汽，完成一个闭路循环。

图1　表面式间接空冷系统工作原理

1.2工艺性能

本文依托某电厂一期工程(2×1 000 MW机组)开展间接空冷塔三维数值模拟计算。本工程位于宁夏回族自治区银川市所辖灵武市境内，场地自然标高为1 365～1 385 m。间接空冷塔采用散热器塔外布置、“一机一塔”的方案，单塔循环冷却水量为104 405 m3/h，主机冷却倍率取55。设计气温为14.5 ℃，设计背压为11 kPa；夏季满发气温为 30.45 ℃，夏季设计背压为28 kPa。在冷却塔0 m层以上离地10 m处，设计环境风速为4 m/s。每台机组设12 个冷却三角扇段，共240 个铝制冷却三角，每个冷却三角的长、宽、高均为2.6 m，三角的夹角约50°，冷却三角距离地面2.4 m。散热器翅片管束总面积约2 301 840 m2，冷却三角总迎风面积约27 600 m2。

1.3间接空冷塔

本工程间接空冷塔采用钢筋混凝土高耸薄壳双曲线型自然通风冷却塔型式，各部位的标高和直径见表1。

表1空冷塔各部位的标高和直径

部位标高/m直径/m地面处0.0189.70进风口顶部28.585.16喉部154.4100.00出口193.0103.75

2　数值模型及边界条件

描述空冷塔内外空气流动和换热的连续性方程、动量方程、能量方程，以及描述空冷塔混凝土壁面导热的微分方程可以统一写成以下通用形式：

式中：ρ为密度，t为时间，φ为通用变量，Γφ为广义扩散系数，Sφ为广义源项，v为速度矢量。

动量方程采用考虑浮力效应的标准k-ε双方程湍流模型，并考虑由于温度变化而导致的空气密度变化和浮升力的影响。

模型采用如下简化处理：空冷塔的壁厚相对于空冷塔尺寸较小，建模时将空冷塔简化成无限薄的曲面；翅片散热器的厚度相对于冷却三角尺寸较小，建模时将翅片散热器简化成无限薄的曲面。

为了节省计算时间，采用分块非均匀网格进行区域离散，空冷塔内部网格划分较细，周围空间网格划分较粗。为了满足计算精度和计算时间的要求，确保网格质量，采用不同的网格数目进行模拟计算，检验计算结果的网格无关性。计算网格采用非结构四面体网格，在冷却三角及散热器附近加密网格，共计4 233 990个计算单元。

本项目采用有限体积法进行计算，先是一阶迎风格式计算，然后是二阶迎风格式计算。地面为固体壁面边界条件，环境风速采用速度入口边界条件，其他边界取压力出口边界条件。间接空冷散热器采用Radiator边界模型，在Radiator边界条件上给定阻力系数、传热系数。百叶窗采用多孔介质阶跃边界条件，在此边界上给定多孔介质厚度和压力阶跃系数。

3　结果及分析

3.1静风工况下模型验证

模型验证只针对静风工况，结果如图2至图5所示。

图2　流线(从1号扇区和7号扇区流向塔内)

图3　对称面流速矢量图

图4　对称面压力分布

图5　标高5 m处的压力分布

由图2至图5可以看出：三维数值计算结果符合空冷塔自然对流流态，空气动力场、流速场、压力场分布合理。空冷塔主要性能参数的计算结果见表2，由表2可得冷却三角出口空气密度、散热器阻力、抽力与阻力平衡值的计算相对误差分别为0.92%、16.3%、2.21%。

表2静风工况下物性参数验证

计算方式冷却三角出口空气密度/(kg·m-3)散热器阻力/Pa抽力与阻力平衡值/Pa模型1.08652.51120.15经验公式1.07661.10117.49

间接空冷热力阻力经验公式只适用于静风工况，在环境风的作用下，空冷塔三维动力特性在不同扇区是不一样的，其物性参数的分布也不均匀。

3.2环境风速对空冷塔性能的影响

当环境温度为14.5 ℃时，给定进塔水温为44.22 ℃，循环水量为104 405 m3/h，获得出塔水温随环境风速变化的计算结果(见表3)。由表3可知：在给定进塔水温的工况下，空冷塔的通风量和散热量随环境风速的提高而降低，出塔水温随环境风速的提高而升高，说明环境风的存在对间接空冷塔的热力性能产生不利的影响。

表3无导风板时环境风速对空冷塔散热性能的影响

环境风速/(m·s-1)通风量/(kg·s-1)散热量/MW出塔水温/℃循环水温降/℃0492591184.634.489.742472921048.335.618.61445112969.636.267.96641699893.436.687.33838293870.637.077.141035843848.237.257.24

在常规的经验计算及一、二维设计中，未考虑环境风速对空冷塔三维空气流场的影响，因此计算结果与实际存在一定的误差。

3.3导风板对空冷塔散热性能的影响

为改善环境风速对空冷塔散热的不利影响，采用增设导风板的方式改善空冷塔的空气动力场。考虑间接空冷塔附近的空间和常年主导风向，在长年主导风向的下风向-90°～90°的范围内，每隔60°均匀布置1个导风板，共设置了4个导风板，其中1—4号导风板与x轴正向的夹角分别为135°、75°、-75°和-35°。导风板长8 m，厚1 m，高27.5 m，距离散热器3 m。

对间接空冷塔设置导风板时的工况进行模拟，计算结果见表4。

表4有导风板时环境风速对空冷塔散热性能的影响

环境风速/(m·s-1)通风量/(kg·s-1)散热量/MW出塔水温/℃2486211077.235.374456471011.135.91641589934.936.34840112940.436.491040007945.036.46

比较表3和表4可以看出：当风速为2～4 m/s时，增设导风板对空冷塔散热有一定的改善，但效果不是很明显；当环境风速为6～8 m/s时，导风板能较好地增大空冷塔的通风量和散热量，从而降低空冷塔的出塔水温；当环境风速为10 m/s时，导风板的作用已经十分明显，出塔水温相对于无导风板降低了0.79 ℃。因此，当环境风速大于6 m/s时，导风板可以使塔内迎面风速得到明显的削减，显著地改善空冷塔的流态，使得流速更加均匀。

4　结论

本文采用经过大量工程验证的商用CFD软件ANSYS Fluent 13.0建立了1 000 MW机组散热器塔外布置的大型空冷塔三维数值计算模型，获得了间接空冷塔内外空气动力场、压力场以及进出塔冷却水温度的差值，得到以下结论：

a)采用间接空冷热力阻力的经验公式间接验证三维数值模型计算结果，证实了利用Fluent软件建立的间接空冷塔模型及相关输入参数的可靠性，表明所建间接空冷塔热力性能三维数值计算程序可正确计算间接空冷塔的热力性能。

b)环境风的存在会对空冷塔热力性能产生不利的影响，环境风速越高，空冷塔的通风量和散热量越低，出塔水温越高。

c)在常规的二维设计中，未考虑环境风速对空冷塔三维空气流场造成的影响，应根据设计风速考虑适当的设计余量。

d)增设导风板可以增加空冷塔的通风量和散热量，降低循环水出塔水温，减弱环境风速对空冷塔的不利影响。环境风速越大，改善作用越明显，当环境风速大于6 m/s时，导风板的改善作用比较显著。

e)导风板设置形式多样，为了取得更好的改善效果，下阶段可进一步开展导风板的优化设置工作。

[1] 宫婷婷. 侧风对于间接空冷塔性能影响的实验研究及数值模拟[D].济南：山东大学，2012.

[2] 石磊，石诚，余喆，等.间接空冷散热器空冷塔流动和传热的数值研究[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2011，48(4)：535-540.

SHI Lei,SHI Cheng,YU Zhe,et al. Numerical Research on Flow and Heat Transfer Characteristics of Air Cooling Tower with Surface Indirect Air Cooled Radiator[J].Journal of Xi’an University of Architecture & Technology(Natural Science Edition),2011,48(4):535-540.

[3] 翟志强,唐革风,符松,等. 横向风对自然通风干式冷却塔运行性能影响的实验与数值研究[J]. 热力发电,1997(3):3-7，31.

ZAI Zhiqiang,TANG Gefeng,FU Song,et al. Experimental and Numerical Study of the Influence of Cross Wind on the Performance of Natual Draft Dry-Cooling Tower[J].Thermal Power Generation,1997(3):3-7,31.

[4] 唐革风,苏铭德,符松. 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.

TANG Gefeng,SU Mingde,FU Song. Numerical Study on Flow Field of a Dry-Cooling Tower in a Cross Wind[J]. Acta Aerodynamica Sinica,1997(3):328-336.

[5] WEI Q D，ZHANG B Y，LIU K Q，et al. A Study of the Unfavorable Effects of Wind on the Cooling Efficiency of Dry Cooling Towers[J]. Journal of Wind Engineering，2006(26):1008-1017.

[6] AL-WAKED R, BEHNIA M. The Performance of Natural Draft Dry Cooling Towers Under Crosswind:CFD Study[J].International Journal of Energy Research，2004(28):147-161.

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(编辑李丽娟)

3D Numerical Simulation on Indirect Air Cooling Tower of 1 000 MW Unit

WANG Lianjie

(Guangdong Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510663,China)

Traditional empirical formula and 2D calculation method can not forecast performance of air cooling tower in complex environment, therefore this paper uses computational fluid dynamics software package ANSYS Fluent 13.0 to establish a 3D numerical calculation model for large-scale air cooling tower arranged outside heat radiator of the 1 000 MW unit and obtains air dynamic field and pressure field inside and outside the tower and difference values of cooling water temperature of import and export tower. Research discovers with increase of environmental wind speed, heat dissipation performance of the air cooling tower gradually decreases, and when environmental wind speed exceeds 6 m/s, negative influence of environmental wind speed on heat dissipation of the air cooling tower becomes flat. In addition, it is able to slow down negative influence of environmental wind speed on the air cooling tower. The larger environmental wind speed is, the more obvious improvement effect of wind deflector is.

indirect air cooling tower; numerical simulation; environmental wind speed; wind deflector

2016-04-18

2016-06-20

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.003

TK212.3

B

1007-290X(2016)09-0013-04

王连接(1988)，男，福建晋江人。工程师，工学硕士，主要从事空气冷却系统模拟及优化的研究工作。