声屏障及填料和配水协同优化对湿式冷却塔热力性能的影响

步兆彬,夏友刚,孔凡新,江广旭,杨继冲,何锁盈,高 明,张政清

(1.山东华聚能源股份有限公司 赵楼综合利用电厂,山东 菏泽 274700;2.山东大学 能源与动力工程学院/高效节能及储能技术与装备山东省工程实验室,山东 济南 250061;3.山东交通学院 汽车工程学院,山东 济南 250357)

0 引 言

自然通风逆流式湿式冷却塔因结构简单、冷却效率高,常作为火力发电系统的冷却设备[1-2],对其强化增效的研究也一直受到广泛关注[3-4]。湿式冷却塔的填料区占全塔换热量的60%以上[5];而配水区的配水方式直接影响塔内循环水的分布形态,且对全塔气水比的分布起到决定性作用[6]。目前,对填料区而言,非均匀布置是主要的强化措施,包括非等高[7]和非等片距布置[8]。相比于填料的非等高布置,填料的非等片距布置可以避免因填料高度不同而带来的局部配水不均的问题,是更合理的一种填料布置方式[9]。SHAHALI等研究发现片距较小的填料热力性能较好但通风性能较差[10]。ZHANG等[11]、CHEN等[8,12]研究发现非等片距布置可有效强化冷却塔的换热,但需对填料的半径分割点进行优化设计才能达到较好的效果。

目前,分区配水方式是配水区最主要的性能强化方式[13-14],且二分区和三分区是最常用的分区方式。ZHOU等研究发现,适当减少内区配水量同时增加外区配水量,可有效增强全塔换热效果[15]。ZHANG等将分区配水和填料的非等片距布置进行耦合,形成了两区协同增效方案[11]。结果表明,填料和配水两区协同增效方案比单一方案具有更明显的增效效果。

此外,冷却塔雨区的水滴下落过程中冲击水面形成较大的淋水噪声,对周围环境产生严重影响。对冷却塔降噪的研究也一直受到研究人员的关注。周扬建立了淋水噪声计算模型,研究了冷却塔运行工况对淋水噪声的影响规律[16]。黄平等对淋水噪声进行了测试,发现湿式冷却塔的淋水噪声多为中高频且稳定的噪声[17]。目前,冷却塔的降噪措施主要是在冷却塔周围修建声屏障,阻碍噪声的传播[18]。声屏障的高度需要超过冷却塔的进风口,这势必对冷却塔的热力和通风性能造成影响[19]。无风工况下声屏障会影响冷却塔的正常进风,而侧风工况下又一定程度上起到防风墙的作用[20]。因此,声屏障对冷却塔性能的影响要视具体工况和运行条件而定,需深入研究。

随着技术的进步,涉及填料和配水的两区协同增效方案以及增设声屏障用以降低冷却塔噪声的方式在冷却塔的设计施工中已经被广泛应用。但是,声屏障对填料和配水协同优化的湿式冷却塔热力及通风性能影响的研究还未见报道。本文针对带有声屏障的两区协同增效冷却塔展开研究,基于数值计算的方法研究声屏障对填料和配水协同优化的湿式冷却塔热力及通风性能影响规律,为带有声屏障的两区协同增效冷却塔的设计提供理论基础和指导。

1 物理模型

1.1 几何模型及物性参数

本文以鲁西南地区某300 MW火电机组配备的湿式冷却塔为研究对象。该塔总高度141.7 m,喉部高度113.02 m,出口直径52.23 m,喉部直径47.5 m,进风口高度7.728 m,塔底直径92.842 m。该塔的名义淋水面积为5 500 m2,设计填料为高度1 m的S波填料,设计配水系统采用均匀配水方式。该塔设计的运行参数及气象数据如下:进塔水温45 ℃,循环水流量39 186 m3/h,环境干球温度28.3 ℃,相对湿度89%,大气压强99.6 kPa,累年平均风速2.5 m/s。

为了降低雨区淋水噪声对周围办公环境的影响,后续改造中,在办公区方向增设2部分相互垂直的声屏障(长度分别为105 m和54 m),声屏障的高度为12.4 m。

为了增强该塔的热力和通风性能,对冷却塔进行了涉及填料和配水的两区协同增效改造。如图1所示,冷却塔内区和外区分别采用30 mm和26 mm的填料,形成填料的非等片距布置方式,同时在总配水量一定的前提下增加外区配水、减少内区配水,形成冷却塔的分区配水模式。表1、2分别为所涉及填料的热力和阻力参数,其中A、m、A0和n0为性能实验拟合参数。

图 1 非等片距和分区配水协同增效Fig.1 Synergistic enhancement scheme of non-equidistant fillings and non- uniform water distribution

表 1 填料的热力性能参数

表 2 填料的阻力性能参数

1.2 简化假设

对冷却塔的几何结构及其内部气水流动做如下简化假设,在此基础上,对气水流动过程进行建模计算。

1) 气体为理想气体,满足气体状态方程;

2) 忽略塔内细节结构,以阻力源项对其产生的气动阻力进行计算;

3) 气水流动皆处于稳定状态;

4) 塔内水滴为刚性球,只在z向运动。

2 数学模型及其离散化

2.1 控制方程

对湿空气运动描述的控制方程为通用形式,并已经有广泛的应用[5, 21],此处不再赘述。

根据守恒原理推导得出的循环水运动的控制方程如式(1)～(3)所示[5]。

(1)

(2)

(3)

式中:g为当地重力加速度,m/s2;ρw为循环水的密度,kg/m3;ρ为湿空气的密度,kg/m3;vw,z为循环水水滴在竖直方向上的速度,m/s;mw为单个水滴的质量,kg;fz为单个水滴收到的来自气流的阻力,N。

2.2 计算域及边界条件

为了充分考虑外界环境对冷却塔内部气水流动状态的影响,本文计算过程中采取的计算域为高600 m、直径800 m的大圆柱空间区域,冷却塔置于圆柱空间区域的底部中心。计算域及对应的边界条件类型如图2所示。

图 2 计算域及边界条件类型Fig.2 Calculation domain and boundary conditions

在无风工况下,整个计算域的出口条件为压力出口,入口边界条件为压力入口;在侧风环境下,计算域出口为压力出口,入口为速度入口。外部空间区域与冷却塔内部区域以交界面边界类型连接。假设声屏障为实体墙,其边界条件为壁面。为了模拟实际状态下的侧风环境,在侧风工况下进口风速大小与高度呈风速廓线关系,如式(4)所示[22]。

(4)

式中:vref为参考位置的环境风速,m/s;vz为高度z处的环境风速,m/s;z表示位置高度,m。

2.3 计算方法

以Fluent软件中集成的气体流动模型计算湿空气运动过程,编写UDF程序计算循环水控制方程。以用户自定义标量UDS计算循环水控制方程中的参数。气水运动的相互作用,包括传热、传质和动量交换等过程,以气水控制方程的源项实现[23-25]。

以残差和出塔水温、出塔气温等关键参数的变化为依据判断控制方程计算的收敛性。当能量方程残差小于10-6,其余残差小于10-4,且塔内关键参数不发生变化时,判断计算过程收敛。

2.4 模型验证

首先验证网格的独立性,其次验证模型计算的准确性。基于ICEM CFD进行网格划分。分别创建了网格数量为115万、140万、188万和196万的4套网格系统,以设计工况为计算工况进行计算,用以验证网格的独立性。计算结果如表3所示。综合考虑计算精度和计算资源,本文选择188万的网格系统进行后续计算研究。

表 3 网格独立性验证

出塔水温的设计值是基于能量守恒和质量守恒原理,并结合修正系数综合计算得出,在工程实践中被证明和初建冷却塔的实测值较为一致,常作为模型验证的数据[3,26]。另外,本文研究对象已运行多年,填料面临老化等问题,出塔水温的实测值与最初的数据出现较大偏差,已不适合用于模型的验证,因此本文将计算值和设计值进行比较,验证模型的准确性。在网格独立性基础上,对不同运行工况进行计算,比较计算值和设计值以验证模型准确性。如表4所示,本文模型最大误差为3.53%,符合计算精度要求。

表 4 模型准确性验证

3 结果与讨论

侧风是影响冷却塔运行的重要变量。本文重点研究侧风工况下声屏障对填料和配水协同优化的湿式冷却塔热力性能的影响。首先分析声屏障和两区协同增效方案对塔内温度场、速度场和水蒸气组分分布的影响,在此基础上定量分析声屏障和两区协同增效方案对热力和通风性能的影响。

3.1 塔内物理场演变规律

本文所涉及冷却塔的累年平均风速为2.5 m/s,在此侧风工况下研究冷却塔内各物理场的演变规律才具有实际意义,包括温度场、空气速度场和水蒸气质量分数分布。为了充分对比,本文给出3种结构下冷却塔的计算结果,即未经任何改造的原始塔、增加声屏障的原始塔以及增加声屏障及两区协同增效改造的冷却塔。

图3(a)为塔内温度场云图。由于侧风会诱导进风口上沿气流紊乱,故3种结构下在进风口的迎风侧都会出现小范围的高温区。增加声屏障会在一定程度上缩减迎风侧进风口上沿的高温区范围,此时声屏障起到挡风墙的作用。另外,由于外界冷风不易进入冷却塔中心,导致原始塔塔心出现明显的高温区。对比发现,增加声屏障会减小塔心高温区的范围。在增加声屏障的基础上,实施填料和配水的协同优化措施会进一步减小迎风侧进风口上沿和塔心区域的高温区范围。从温度云图的对比可知,在本文研究工况下,声屏障和两区协同增效方案都对塔内温度场的均匀分布产生有利影响。

图3(b)为冷却塔内空气流速分布云图。在2.5 m/s侧风风速下冷却塔内部空气流速呈非对称性分布特征,在进风口迎风侧附近以及背风侧出风口附近都出现小范围的高流速区。另外,空气绕流导致的旋涡现象致使进风口上沿出现低风速区,但迎风侧的低风速区范围明显高于背风侧。增加声屏障和实施两区协同增效方案会使迎风侧进风口附近的高风速区在一定程度上减小,但对塔内整体的空气流速分布影响并不明显。

图3(c)为水蒸气质量分数分布云图。与塔内温度场分布类似,由于空气的绕流作用在进风口上沿的迎风侧附近空气流速变慢,出现水蒸气质量分数较高的区域。另外,塔心区域空气流速较小,气水传质充分,出现水蒸气质量分数较高的区域。对比可知,增加声屏障后塔心区域的水蒸气质量分数明显减小,而实施两区协同增效方案后塔心区域的水蒸气质量分数进一步减小。

(a) 冷却塔内温度场云图

(b) 冷却塔内速度场云图

(c) 冷却塔内水蒸气质量分数云图

3.2 热力性能变化规律

循环水温降和冷却数是评价冷却塔热力性能最常用的2个参数[27-28],其中循环水温降是冷却塔热力性能最直接的体现。水温降随环境风速的变化如图4所示。可以看出:水温降的变化趋势在6 m/s风速处存在临界点。对比可知,在仅增加声屏障这一改造下,冷却塔的水温将会略有减低。这可能是由于声屏障在一定程度上对冷却塔的进风产生了削弱作用。但是,增加两区协同增效方案后冷却塔的循环水温降又有明显的提高。这说明两区协同增效方案可以有效抵消声屏障的不利影响。定量计算可知,声屏障结合两区协同增效方案后水温降平均增加了0.06 ℃,在降低噪声的同时保证了冷却塔的正常运行。由于冷却塔的循环水量巨大,较小的温降即可引起较大的全塔散热量变化。以本文冷却塔39 186 m3/h循环水量计,0.06 ℃的温降增量可引起每小时约9 875 MJ散热量的变化。

图 4 循环水温降随侧风风速的变化Fig.4 The variation of circulating water temperature drop with crosswind

图5为冷却数随侧风风速的变化。可以看出:与循环水温降的变化规律类似,冷却数随侧风风速的增加也是先减小后增大。在无风工况下增加声屏障前后冷却数相差不大,在侧风工况下声屏障使冷却数减小。但增加两区协同增效方案后,冷却数明显增加。这说明,增加两区协同增效方案可抵消声屏障对冷却数的不利影响。定量计算可知,声屏障结合两区协同增效方案可使冷却数平均增加3.8%。

图 5 冷却数随侧风风速的变化Fig.5 The variation of Merkel number with crosswind

3.3 全塔通风性能

冷却塔通风量随环境风速的变化趋势如图6所示。可以看出:随着环境风速的不断变大,通风量变化趋势也存在临界点,同样出现在6 m/s风速处。通过对比发现,在各个侧风风速环境下原始塔的全塔通风量都是最大的。这是由于采用声屏障会在一定程度上影响冷却塔的正常进风;另一方面在冷却塔内增加小片距填料也会形成更大的通风阻力,最终导致全塔通风量的减小。虽然在经过改造后,冷却塔的全塔通风量有所减小,但是一方面填料的非均匀布置在塔内形成了更为合理的空气动力场分布,另一方面增加了整个填料区的热力性能。

图 6 全塔通风量随侧风风速的变化Fig.6 The variation of ventilation with crosswind

4 结 论

1) 在本文研究工况条件下声屏障和两区协同增效方案可均匀塔内温度场、空气流速分布和水蒸气质量分数分布。

2) 两区协同增效方案可在一定程度上削弱声屏障的不利影响,使循环水温降和冷却数比原始塔分别平均增加了0.06 ℃和3.8%。

3) 虽然通过改造后全塔通风量有所减小,但空气动力场分布更为合理,最终使冷却塔热力性能有所增加。