超大型高位集水冷却塔的三维数值模拟研究

高德申，郭富民，宋小军

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

高位集水冷却塔出现于20世纪80年代法国1300MW核电机组，因其具有高效、节能、低噪等明显优势，经过多方面比较是一种新型节能冷却塔［1-2］。与常规塔相比，高位塔在淋水填料下部增加了高位集水装置，如图1所示。由于集水装置的存在，一方面可以有效抬高前池水位，节约水泵扬程；另一方面，减小了高位塔雨区高度，雨区阻力减小，填料进风更为均匀。受厂址地质条件限制，我国在20世纪90年代在陕西的蒲城电厂两台机组采用该类型塔［3］。目前，在国内新建的百万机组火电工程以及内陆核电工程中，高位集水冷却塔也得到了较好的应用。虽然高位集水冷却塔的结构特点比较明显，且有较多工程应用，但国内对于高位冷却塔的技术研究较少，高位冷却塔有何特性，与常规冷却塔相比有何不同，是中国电力工程设计、运行人员所关注的问题［4］。

图1 常规冷却塔和高位集水塔内部结构布置对比

本文通过对某超大型高位集水冷却塔的热力、阻力三维数值模拟，揭示高位集水冷却塔的塔内空气流动特性、高位塔的热力阻力特性以及与常规塔的区别。

2 数学模型

2.1 空气流场控制方程自然通风逆流式冷却塔在机组负荷、气象条件及循环水量稳定运行时，塔内外空气流场可以按三维稳态计算。空气流场的通用控制方程可表示如下：

连续方程：

动量方程：

能量方程：

气体状态方程：

k方程：

ε方程：

组分输运方程：

式中：ρ为密度（kg/m3）；为速度矢量（m/s）；Sm为质量源项（kg/（m3·s））；p为压强（Pa）；为应力（Pa）；g为重力加速度；为侧体力（例如粒子项）（N）；h为焓（kJ/kg）； μt=ρCμk2/ε 为湍流黏性系数（kg/（m2·s））；σ为湍流Prandtl数；T为当前开尔文温度（K）；hj为j组分的焓（kJ/kg）；为j组分的扩散通量；Sh为能量源项（J/（m3·s））；R为气体常数；Yj为j组分的质量分数；Mw，j为j组分的分子量；k为湍流动能；μ为气体动力黏系数（kg/（m2·s））；σk为k方程的湍流Prandtl数；Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力引起的湍流动能；ε为湍流动能耗散率；σε为ε的湍流Prandtl数；Sj为组分源项（k/（m3·s））；C1ε、C2ε、Cμ、Ck和Cε均为湍流常数；其取值见表1。

表1 湍流模型常数

2.2 阻力模型阻力模型分为填料区和淋水雨区两部分，填料采用多孔介质模型，淋水雨区采用离散项DPM模型，模型中的雨滴当量直径由系列模拟试验结果给出［5-6］。

2.3 热质交换模型采用Merkel模型分析填料和雨区的热交换过程。根据Merkel理论，单位体积内冷空气与热水之间的热交换量为：

式中：Q为换热量（kJ/（h·m3））；V为气相体积（m3）；βxv为体积散质系数（kg/（h·m3））；i″为水温对应的饱和焓（kJ/kg）；i为空气的焓（kJ/kg）。单位体积内热水的蒸发量：

式中：W为热水蒸发量（kg/h）；V为气相体积（m3）；X″为水温对应的饱和含湿量（kg/kg）；X为气相内水蒸气的含湿量（kg/kg）。

2.4 边界条件计算区域分为冷却塔内和外两个区域。对于塔外区域的边界，底部为绝热边界，其他面的边界为压力出口边界。塔壳的外壁设置成绝热边界。当采用标准k-ε湍流模型时，还需设定k和ε的边界。通过编写自定义函数（UDF）将压力出口的k和ε边界设置为第二类边界条件，形成如下：

式中：n为边界面的法向，其他符号同前。塔内区域，塔壳的内壁边界条件为绝热墙壁。进风口和塔的出口都设置成内部边界。填料区域设置成多孔介质区域，且根据相关试验数据设定阻力系数。喷淋区的顶端设置为雨滴发射面。在雨滴射入设置中，设定淋水总量、水温、雨滴当量直径以及初始速度。

3 计算与分析

3.1 高位集水冷却塔建模与网格划分本文针对某16 000㎡高位集水冷却塔进行数值模拟，该高位集水冷却塔中集水装置平行布置，在不考虑自然风影响时，塔内流动呈扇区对称性，只模拟一个扇区即可。计算域取为300 m×300 m×600 m，如图2所示，其中计算中采用的最小网格体积尺寸为0.6 m3，最大网格体积为1 670 m3，网格数量约200万。

图2 网格划分立体图

淋水填料选用S波，其热力性能参数公式为：

阻力试验给出阻力系数公式如下：

式中：N为冷却数； λ为汽水比；A=4.557×10-4q2+1.62×10-2q+0.728，M=3.27×10-6q2-1.086×10-2q+1.92，q为淋水密度（kg/m2·s）；A和M为试验获得系数与指数公式，其他符号同前。

3.2计算结果与分析针对无风时淋水密度为7、10及13 t/（h·m2）3种淋水密度，气象条件按冬季、年均及夏季3种气象条件共9个工况，淋水填料高度1.50 m。高位集水冷却塔的空气流场、压力分布、温度分布见图3，从静压强分布来看，与常规冷却塔相仿，填料顶面处压强为负压且数值达到最大，然后压强从填料顶部向上逐渐增大，直至在塔出口附近与环境大气压相等；出口处的总压大于环境总压，即总压为正压，该能量属于出口损失总能量；从流线图可知，在无考虑逆温和自然风时，空气从周围流向冷却塔时，其中一部分气体从进风口流入塔内，一部分气体沿塔体外壳向上流动。

图3 高位集水冷却塔主要参数分布图

图4 高位集水冷却塔中填料断面风速分布情况

高位集水冷却塔集水装置在高处将雨滴收集，与常规塔比，占有较大比重的雨区部分的阻力大大降低，塔内气流流速分布更趋均匀，将明显改善塔内气流分布的均匀性，淋水密度为10 t/（h·m2）时，不同气象条件下、径向无量纲的填料断面风速分布情况见图4。可以看出，与常规塔相比，不同气象条件下高位集水冷却塔的填料断面风速更为均匀，造成其阻力更低，在相同条件下，其通风量更大，有利于其冷却性能的提高。

高位集水冷却塔的空气阻力主要包括淋水填料区域、集水装置区域（即集水装置和雨滴区）、进风口气流转向区和塔出口等部分，将各部分的阻力系数进行整理汇总，如表2所示。

常规冷却塔的空气阻力主要包括淋水填料区域、雨区、进风口气流转向区和塔出口等部分，将各部分的阻力系数进行整理汇总，如表3所示。

从表2和表3可知：对两种塔型，淋水填料、转向与出口处的阻力系数相差不大，但高位塔的集水装置与常规塔的雨区阻力系数相差较大，造成常规塔阻力系数较高位塔大很多，且差值随淋水密度的增大而变大，以淋水密度10 t/（h·m2）、平均气象条件为例，高位塔与常规塔的整塔阻力系数分别为42.1和68.1。从各区域所占整塔阻力系数的比重看，高位塔的区域比重相对稳定，填料区与集水装置区域占整塔阻力的比重，分别在60.5%和24.5%左右；而常规塔的区域比重偏差较大：以雨区阻力系数比重为例，随淋水密度增大，所占比重从最小值43.1%增加至最大值62.2%，与平均比重值52.9%相差较大；而填料区的阻力系数比重则从44.9%降低至31.0%。

在冷却塔数值模拟中，出塔水温是电力设计最关心的结果。本文对淋水面积16 000 m2的常规塔和高位塔，在3种气象条件、3个淋水密度情况下，对其出塔水温差（常规塔减高位塔）进行比较分析，详见图5。可以看出：相同条件下，高位塔的出塔水温较常规塔低，冷却效果更好，且其优势随淋水密度的增加而变大，这与前述的阻力特性分析是一致的。最大出塔水温偏差可达1.45℃，这是由于高位塔进风更为均匀、常规塔内侧配风相对较差所致。同时，从另一角度看，高位塔在较高淋水密度下更有优势。

表2 高位集水冷却塔中各部分阻力系数汇总

表3 常规冷却塔中各部分阻力系数汇总

4 结论

通过对某16 000 m2的超大型高位集水冷却塔进行的热力阻力数值模拟，分析了空气流场、压力分布、温度分布、填料断面风速分布，以及塔内空气阻力分布，得出结论如下：

第一，与常规冷却塔相比，高位集水冷却塔填料断面风速分布更为均匀，填料与配水采用全塔均匀配置方案为佳。

第二，高位集水冷却塔增加了集水装置，虽然对塔内气流形成阻力，但与常规塔比，由于雨区阻力的减少，冷却塔的整体阻力相对较小，以某一工况为例，整塔阻力系数分别为42.1和68.1。同时，高位塔各区域所占整塔阻力系数的比重相对稳定，填料区比例在平均数60.5%左右，而常规塔的区域比重随不同气象条件、不同淋水密度的变化较大，填料区比例从44.9%变化至31.0%。

第三，从出塔水温对比分析看，高位集水塔的冷却效果更好，最大出塔水温偏差可达1.45℃，且由于其进风更为均匀，高位集水塔在较高淋水密度下更有优势。

图5 出塔水温差随气象条件与淋水密度变化趋势图

［1]JEAN-CLAUDE.Principle of a general hydraulic circuit in atmospheric cooling towers with a water recovery sys⁃tem［C］//Proceedings of 3th IAHR cooling tower workshop symposium ，Budapest，Hungary，October，1982.

[2 ]VAUZANGES M E，RIBIER J G.Cooling towers with cooled water collectors［C］//Proceedings of 3th IAHR cool⁃ing tower workshop symposium，Budapest，Hungary，October，1982.

[3]金禧卿，谢化一，倪季良，等.高位收水冷却塔的设计［J］.中国电力，1993（6）：39-43.

[4]王成立，张东文.内陆核电超大型冷却塔的选型及配置［J］.山东电力技术，2011（3）：51-53.

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[6]赵顺安.海水冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

[7]MERKEL F.Verdunstungsku blung［J］.VDI-Zeitchrift，1925（70）：123-128.