进风调节装置对自然通风冷却塔的性能影响

李永华，杨少波，李 广，汤金明

（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003）

0 引言

自然通风冷却塔作为火电厂冷却系统的重要设备之一，冬季常常会出现结冰现象，严重影响冷却塔的安全运行；另外，在防止冷却塔结冰的同时，尽可能降低出塔水温、降低凝汽器真空，来提高机组运行的经济性，因此，加装一套进风调节装置，可以实现防冻降温一体化。以某600 MW 机组自然通风冷却塔为研究对象，分析采用进风调节装置在不同环境温度下的冷却塔性能，为完善冷却塔的设计提供参考。

1 数值模拟

自然通风逆流湿式冷却塔的冷却过程：循环水在填料层表面形成水膜，并沿着填料从上往下流动，与空气进行换热，循环水离开填料层后经过雨区落到集水池中[5]。因此，循环水采用离散相模型，在填料区则通过用户自定义函数来优化换热计算[6-8]。而空气侧的湍流模型采用稳定性较好、具有相当计算精度的标准k-ε 模型，并且添加浮力项的影响，压力和速度的耦合方法选用SIMPLE 算法，对流项的插值方法则选用对流动和四面体网格具有很好适应性的二阶迎风差分格式[9]。

1.1 气液耦合计算方法

循环水从喷水面射入，选用离散相模型进行离散相与连续相之间的耦合计算，其中，空气为连续相，采用欧拉法直接求解时均N-S 方程，水侧为离散相，采用拉格朗日法求解运动方程。FLUENT 按照亚松弛格式交替求解控制方程，将水侧控制体内的质量、动量、能量的变化值以源项形式传递给空气连续相控制方程，然后再计算连续相对离散相的影响[10-11]。

水侧控制体内的质量变化方程为：

式中，Δmp为控制体内离散相的质量变化，kg；mp0为离散相初始质量，kg；m.p0为离散相初始质量流率，kg/s。水侧控制体内的动量变化方程为：

水侧控制体内的热量交换方程为：

式中，ΔTp为离散相温度的变化值，K；hfg为汽化潜热，kJ/kg；Tp为离开控制体时离散相具有的温度，K；Tref为控制体内连续相的温度值，K为离散相平均质量，kg。

1.2 填料层简化处理

为将填料区膜状换热等效成水侧换热，通过给水侧添加体积力的方式来控制水侧液体下落速度，保持水测进出填料区时的下落速度不变，延长水与空气的接触换热时间。同时，考虑到填料区结构布置对空气流动的影响，用UDF 添加Y 方向（即竖直流动方向）上的动量源项，对于1 m 高的填料层，压力损失系数可按以下经验公式计算：

式中，mw为循环水质量流率，kg/(m2·s)；ma为进入冷却塔的空气流率，kg/(m2·s)。

1.3 几何模型及边界条件

以某600 MW 机组的自然通风逆流湿式冷却塔为研究对象，塔体为双曲线型结构。冷却塔高125 m，进风口高8 m，填料底标高9.2 m，填料层厚度1 m，喷水系统标高11.2 m，收水器底部标高13 m，喉部标高93.9 m，直径52.20 m，基环面直径106.42 m，进风口上沿直径96.42 m。环境体为高500 m，圆面直径500 m 的圆柱体结构。环境进口设为速度入口，环境出口为压力出口，塔壁面、地面、挡板均设置为无滑移壁面边界条件，收水器上面、基环面的离散相边界条件为逃逸。

2 模拟结果分析

2.1 模型正确性检验

为保证模型的准确性，将冷却塔不采用进风调节装置时的模拟结果与实际运行的出塔水温进行比较（表1）。可以看出，两种不同工况下，模拟计算得到的出塔水温与实际出塔水温分别相差0.28 K 和0.49 K，误差较小，说明模型结构及FLUENT 的模拟设置合理。

表1 正确性检验

2.2 冬季防冻效果分析

将挡风装置分为四层，挡板顶部距冷却塔进风口2.2 m，一、二层挡风板倾斜45°角纵向间隔布置，高度分别为2.12 m、2.88 m，三、四层竖直无间隙布置，高度分别为1.7 m、1.3 m，如图1 所示。

图1 挡板模型

环境温度分别取270.15 K、260.15 K、255.15 K、250.15 K，相对湿度26%，循环水入塔水温290.57 K，循环水量11 346.2 kg/s，横向风速为1.87 m/s，模拟关注3 个特征平面，即基环面、进风口上沿面、填料下面的结冰情况，模拟结果如表2 所示。

表2 不同挡板层数的最低水温变化

根据表2 数据可知，当环境温度为255.15 K 时，基环面最低水温将低于273.15 K，即出现结冰，安装两层挡风板后，基环面最低水温升高至275.51 K，可以认为冷却塔不出现结冰，当环境温度为250.15 K 时，在安装四层挡风板后，可以保证进风口上沿面和填料下面不出现结冰，但基环面最低水温仍然低于273.15 K，因此，应进一步减少进风量，此时，从结构顶部进风量占总进风量的70%，当把该结构顶层关闭时，可以使基环面最低水温达到280.12 K，能有效防止结冰。

2.3 春季降温效果分析

为实现该结构降低出塔水温的目的，需要将冬季搭建的一、二层挡风面积调节向塔内方向再倾斜40°，形成两层导流板结构，同时将底部三、四层挡风面积调整为零，结构如图2 所示。

图2 导流板模型

环境温度分别取275.15 K、285.15 K、295.15 K、300.15 K，相对湿度20%，循环水入塔水温306.75 K，循环水量10 679 kg/s，横向风速为6.5 m/s，模拟进风调节装置布置前后的冷却塔出塔水温，模拟结果如表3 所示，出塔水温随环境温度的变化曲线如图3所示。

表3 倾斜导流结构的数值模拟结果

图3 出塔水温随环境温度变化曲线

通过进风调节装置的导流效果，使进入冷却塔的自然风具有一个斜向上的速度，减小迎风侧漩涡的影响，增加进风量，可以不同程度的降低出塔水温。结合图3 和表3 数据可以看出，出塔水温与环境温度存在正相关关系，在其他条件相同，环境温度变化不大时，可近似为线性相关。同时，在所给的环境温度参数下，当环境温度低于295.15 K 时，该进风调节装置带来的降温效果较好，这是由于入塔水温与外界环境温度之间的温差较大，通过进风量的改变可以实现更好的降温效果，但当环境温度达到300.15 K 时，尽管进风调节装置可以使进入冷却塔的风量增加，但由于环境温度较高，入塔水温与环境温度相差不大，即换热温差太小，同时塔内外空气密度差减小，冷却塔引力作用减弱，导致空气对流作用降低，最终带来的降温效果与低环境温度相比有所减弱。

3 结论

对某电厂600 MW 机组的自然通风湿式冷却塔加装一种进风调节装置，建立冬季和春季三维模型并进行数值模拟，主要结论如下：

（1）在冬季典型工况，环境温度为255.15 K 时，调节封闭两层挡风面积可以不结冰；环境温度为250.15 K 时，调节封闭顶层和四层挡风面积可以不结冰。

（2）在春季典型工况，通过将挡风装置转变为导流装置可降低出塔水温，本次模拟方案可以使出塔水温最高降低0.8 ℃。

（3）对冬春季典型工况的模拟结果表明，进风调节装置如果调节合适，可以达到冷却塔冬季不结冰、春季降低出水温度的效果。