填料非均匀布置耦合分区配水对湿式冷却塔热力性能的影响

步兆彬, 孙更生, 江广旭, 吕 赛, 杨继冲, 何锁盈, 高 明

(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,济南 250061)

根据国家统计局数据,2022年火力发电量为5.88×1012kW·h,占总发电量约67%,可见火力发电依然是我国的主要发电方式[1]。冷却塔是电厂冷端系统中重要的冷却设备,其对发电机组出力和安全运行具有重要影响[2-4]。配水区和填料区是冷却塔的主要传热传质区,针对此两区的节能增效技术及优化改进,国内外众多学者进行了相关研究[5]。

对于填料区的增效研究,主要包括填料本身的改进[6-7]以及填料布置方式的优化。Gao等[8-9]的研究结果表明,无风和侧风条件下非等高填料布置可增加空气流场分布的均匀性,提高换热性能。王淼等[10]研究发现填料非等高布置可使塔内气水比分布均匀,强化传热传质。此外,Chen等[11-12]和Yang等[13]发现填料非等片距布置可明显改善塔内流场及温度场的均匀性,增强全塔通风,缓解侧风的不利影响,有效提高了冷却塔冷却性能。

对于配水区的增效研究,许多学者发现分区配水可增强冷却塔热力性能[14]。Li等[15]研究了三分区配水形式对出塔水温的影响,结果显示水的温降最大可提升0.958 K。Zhou等[16]提出了一种新型的四分区配水形式,研究发现其可显著提高塔内区的传热传质性能。党志刚[17]、Zhang等[18]和王为术等[19]协同分析了非等片距填料与分区配水对冷却塔热阻特性的影响,结果表明全塔冷却性能可进一步提升。陈瑞等[20]发现侧风下非等片距填料和分区配水协同优化依然能有效提高全塔热力性能,并随风速的增大优化效果减弱。

通过上述分析,部分学者协同研究了非均匀填料布置和分区配水,但未考虑多工况下填料与配水参数耦合对全塔热力性能的影响。鉴于此,笔者基于数值方法,开展填料非均匀布置耦合分区配水研究,揭示不同工况下填料非均匀布置耦合分区配水对冷却塔热力性能的影响,获得各个工况下相对最佳的耦合方案,可为大型湿式冷却塔的性能优化以及工程改造提供指导。

1 物理模型

以某300 MW火力发电机组配备的大型湿式冷却塔为研究对象,该塔名义淋水面积为5 500 m2,塔顶标高为114.7 m,进风口标高为7.728 m,填料为片距30 mm S波填料,且高度为1 m。

本研究将填料区和配水区沿径向分为圆形内区和环形外区,填料内外区分别配置片距30 mm和26 mm的S波填料,重新分配配水内外区配水占比,进而形成填料非均匀布置耦合分区配水的节能增效模式,如图1所示。其中:R1为配水分区半径;R2为填料分区半径。S波填料的热力和阻力特性参数分别见表1和表2,其中A、m、A0和n0为填料热力特性及阻力特性实验参数;q为淋水密度,kg/(m2·s)。

图1 填料非均匀布置耦合分区配水示意图

表1 填料热力特性参数

表2 填料阻力特性参数

2 数学模型

2.1 空气侧控制方程

湿空气的运动、传热及组分变化由质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒方程来描述,并利用标准k-ε湍流模型对控制方程进行湍流封闭。以上守恒方程可采用以下通用形式[13]表示:

∇(ρavφ)=∇(Γφ∇φ)+Sφ

(1)

式中:ρa为空气的密度,kg/m3;v为空气速度,m/s;φ为通用变量,当φ=1时表示质量守恒方程,当φ为u、v和w时表示动量守恒方程,当φ=T时表示能量守恒方程,当φ=Yv时表示组分守恒方程,当φ为k和ε时表示湍流方程;Γφ为扩散系数;Sφ为控制方程源项。

2.2 循环水侧控制方程

循环水在配水区和雨区内以水滴形式与空气进行热交换,而在填料区内以液膜形式进行传热传质。配水区和雨区内水滴采用当量直径法来描述,且假设水滴为刚性球体,竖直下落。循环水的控制方程[13]如下:

(2)

(3)

(4)

式中:z为z向高度,m;Sm为质量守恒方程源项,kg/(m3·s);cw为循环水的比热容,J/(kg·K);tw为循环水温度,K;Swe为单位体积由循环水传递给空气中的热量(能量守恒方程源项),W/m3;vwz为循环水竖直下落速度,m/s;ρw为循环水的密度,kg/m3;fz为循环水所受的阻力,N;mw为单个水滴的质量,kg;g为重力加速度,m/s2。

2.3 控制方程源项

循环水和空气之间的交互作用采用方程源项来处理,其中包括质量、动量和能量守恒方程源项。

基于对流传质的单膜理论,质量守恒方程的源项[2]如式(5)所示:

Sm=Ka(χ″-χ)

(5)

式中:Ka为传质系数,kg/(m3·s);χ″为饱和湿空气的含湿量,kg/kg;χ为湿空气的含湿量,kg/kg。

循环水和空气能量守恒方程的源项(即单位体积由循环水传递到空气中的热量以及空气侧吸收水侧的热量),如式(6)和式(7)[2]所示:

Swe=Ka(tw-Ta)+Smrw

(6)

Sae=(Kh+Smcv)(tw-Ta)

(7)

式中:rw为循环水的汽化潜热,kJ/kg;Sae为空气侧吸收水侧的热量,W/m3;Kh为传热系数,kW/(m3·K);cv为水蒸气的比热容,J/(kg·K);Ta为空气温度,K。

Ka和Kh的具体计算方法分别见文献[5]和文献[13]。

填料区的动量方程源项可表示为单位体积填料内湿空气的z向阻力Fz,用压降形式[20]表示:

(8)

(9)

式中:Δp为压降,Pa;Hf为填料高度,m;vz为湿空气的z向速度,m/s;A0和n0为不同填料的阻力特性参数,见表2。

配水区和雨区的阻力Fi主要来自于水滴下落对空气的阻碍作用,由式(10)和式(11)计算[20]:

(10)

(11)

式中:i为x、y和z方向;dw为水滴的当量直径,m;fi为单个水滴i方向所受的阻力,N;Cd为空气与水滴之间的阻力系数;Red为湿空气的雷诺数;μ为空气的动力黏度,Pa·s。

2.4 计算域和边界条件

建立了直径800 m和高度600 m的圆柱形计算区域,计算域和边界条件如图2所示。计算域顶部为压力出口,地面和塔壁设置为壁面边界类型,无风时圆柱侧面为压力进口,侧风时迎风面为速度进口、背风面为压力出口。侧风廓线函数表示风速与高度之间的对应关系,如式(12)所示。

(12)

式中:vz-a为塔外z高度处的环境空气流速,m/s;vref为zref高度处的空气流速,m/s。

图2 计算域和边界条件Fig.2 Computational domain and boundary conditions

2.5 网格划分和计算方法

采用Solidworks和ICEM软件分别进行几何建模和网格划分,如图3所示。整体计算域包括外界计算域和冷却塔部分,两者单独进行六面体结构化网格划分,同时对冷却塔主要传热传质区进行网格加密,然后合并成整体计算域网格系统。

利用Fluent软件进行模拟计算。定义用户自定义变量(UDS)和编写用户自定义函数(UDF),用于计算循环水的控制方程,空气和循环水的交互作用通过控制方程源项来实现。采用Simple算法来耦合压力和速度。当能量残差小于10-6,其他项残差小于10-4,且连续迭代100次所监测的水温值基本不变时,认为迭代收敛。

(a) 整体计算域网格

(b) 冷却塔网格图3 网格划分Fig.3 Meshing

2.6 模型验证

2.6.1 网格独立性验证

通过网格加密分别建立了网格数量为115万、140万、188万和196万的4套网格系统,在设计工况下进行网格独立性验证,计算结果如表3所示。随着网格数量的增加,模拟所得出塔水温值逐渐接近设计值,相对误差越来越小。综合考虑计算精确度和经济性,选择网格数量为188万的网格系统(G-3)进行后续研究。

表3 网格独立性验证

2.6.2 模型准确性验证

参考文献[2]和文献[5]的验证方法,根据湿式冷却塔塔内的热力和阻力平衡方程,并结合经验系数,通过迭代计算得到不同工况下的设计值。基于网格系统G-3,选择4种不同运行工况用于验证模型的准确性,计算结果见表4。模拟值与设计值之间最大相对误差为3.53%,小于5%,表明所建立的三维数值模型满足准确性要求,可用于后续研究与模拟计算。

表4 模型准确性验证

3 结果与分析

首先研究填料分区半径对冷却塔热力性能的影响,进而优化得到相对最佳的填料分区半径。接着,基于优化的填料分区半径,通过改变配水分区半径,重新分配配水内外区配水占比,研究不同工况下分区配水参数对冷却塔热力性能的影响。最后,经过分析得到各个工况下优化的耦合增效方案。

3.1 填料非均匀布置对冷却塔热力性能的影响

以设计工况下无风时为例,分析不同填料分区半径对冷却塔热力性能的影响。图4为冷却数和体积传热系数随填料分区半径的变化曲线。由图4可知,随着填料分区半径R2的增大,冷却数和体积传热系数均先增大后减小。当R2=25 m时,冷却数和体积传热系数最大,冷却塔热力性能最优。与原始塔(片距30 mm的S波填料均匀布置且均匀配水)相比,冷却数和体积传热系数分别增大了0.07 W/(m3·K)和7.92 W/(m3·K)。因此,设计工况下无风时,相对最佳的填料分区半径为R2=25 m。

图4 冷却数和体积传热系数随填料分区半径的变化曲线

根据上述研究思路,同样优化得到设计工况下侧风v=2.5 m/s以及春夏秋冬季典型工况下(运行和环境参数见表5)相对最佳的填料分区半径,分别为15 m、10 m、20 m、7.5 m和2.5 m。经以上分析,得到了各个工况下相对最佳的填料分区半径,为后续填料非均匀布置耦合分区配水研究奠定了基础。

表5 不同工况下运行参数和环境参数

3.2 填料非均匀布置耦合分区配水下塔内温度场和气水比场

以设计工况下无风和侧风(v=2.5 m/s)时为例,分析塔内温度场和气水比场。无风与侧风时,填料区分别以优化的R2=25 m和R2=15 m进行分区,配水区分别以R1=25 m和R1=15 m进行分割,并改变内外区的配水占比,P表示内区配水占比。

图5和图6分别为无风和v=2.5 m/s时不同内区配水占比下Y=0 m截面的空气温度场。图7和图8分别为无风和v=2.5 m/s时不同内区配水占比下填料底面的气水比场。

图5 无风时不同内区配水占比下Y=0 m截面的空气温度场

由图5可知,无风条件下,塔中心温度高,外围温度较低,温度场呈现左右对称分布。与均匀配水P=37.69%相比,P=35%时,雨区低温区面积增加,塔中心高温区面积显著减小,分布更趋于均匀;P=45%时,内区配水量增加,导致塔中心传热传质集中,温度剧烈上升。

图6 v=2.5 m/s时不同内区配水占比下Y=0 m截面的空气温度场

由图6可知,由于侧风影响,塔内温度场对称分布被破坏,塔高温区向迎风侧偏移,背风侧出现低温区。侧风下,与均匀配水P=12.85%相比,P=10%时,塔中心的高温区显著减小,但当P=15%时,塔中心温度升高,热质传递恶化。

图7 无风时不同内区配水占比下填料底面的气水比场

由图7可知,在设计工况下(无风),当均匀配水P=37.69%时,塔内气水比分布呈现内区低外围高的特点,这是由于塔内部气体流速低,流量小,且内外区配水密度一致,因此内部的气水比偏低。减小内区配水量,即当P=35%时,塔中心区低气水比面积显著减小,全塔气水比分布更趋于均匀。增加内区配水量,即当P=45%时,塔中心区域气水比降低,空气质量流量减小,传热传质性能恶化,但外围区域气水比有一定幅度增加。

由图8可知,侧风下,迎风面出现部分低气水比区域,背风面出现小面积的高气水比区。与均匀配水P=12.85%相比,当P=10%时,塔中心的低气水比区消失,但外围气水比有所下降;当P=15%时,与P=10%相反,内区气水比急剧下降,外区有所增大。

3.3 填料非均匀布置耦合分区配水对冷却塔热力性能的影响

设计工况下无风时,填料区以优化的R2=25 m进行分区,改变配水分区半径R1和内区配水占比P,研究不同填料非均匀布置耦合分区配水方案下冷却塔的热力性能。

图9为不同配水分区半径下热力性能指标随内区配水占比的变化曲线。由图9可知,不同配水分区半径下冷却数和体积传热系数均随内区配水占比的增大先增大后减小,当配水分区半径R1为15 m、20 m、25 m、30 m、35 m和40 m时,相对最佳的内区配水占比分别为10%、20%、35%、45%、69%和92.5%,与原始塔相比,冷却数分别增大0.07、0.08、0.09、0.08、0.08和0.07,体积传热系数分别增大12.2 W/(m3·K)、13.5 W/(m3·K)、17.0 W/(m3·K)、16.9 W/(m3·K)、14.5 W/(m3·K)和8.3 W/(m3·K)。当R1为15～35 m时,适当降低内区配水占比,而当R1=40 m时,适当增大内区配水占比,均可提高冷却塔整体热力性能。因此,无风时,当R1=25 m且P=35%时,冷却塔热力性能相对最优。

(a) R1=15 m

(b) R1=20 m

(c) R1=25 m

(d) R1=30 m

(f) R1=40 m图9 不同配水分区半径下热力性能指标随内区配水占比的变化曲线Fig.9 Variation curves of thermal performance with water distribution percentage in the inner zone and partition water distribution radius

结合第3.2节塔内温度场和气水比场的分析,当配水分区半径R1较小时,减小内区配水量,可降低内区的通风阻力,增大空气流速,强化传热传质,缓解此区域的高温高湿现状,但同时也增大了外区的进风阻力。随着R1的增大,外区覆盖面积越来越小,增加此部分配水量,将会导致其淋水密度很大,严重影响进风效果,降低通风性能,进一步恶化传热传质性能,此时增加P可改善此情况,提高热力性能。因此,可通过合理配置内外分区半径和配水量,使全塔内外区的热力性能达到最优。

设计工况下侧风v=2.5 m/s时,填料区以优化的R2=15 m进行分区,同样改变配水分区半径R1和内区配水占比P,研究侧风下不同填料非均匀布置耦合分区配水方案下冷却塔的热力性能。

图10为设计工况下侧风v=2.5 m/s时不同配水分区半径下冷却数随内区配水占比的变化曲线。由图10可知,设计工况下侧风v=2.5 m/s时,不同配水分区半径R1下,冷却数均随内区配水占比P的增大先增大后减小。当R1=10～40 m,优化的P分别为5%、10%、20%、30%、69%和92.5%时,与侧风v=2.5 m/s下的原始塔相比,冷却数分别增大了0.06、0.06、0.08、0.07、0.07和0.06。因此,设计工况下侧风v=2.5 m/s时,优化的耦合方案为R2=15 m、R1=20 m、P=20%。与设计工况下无风时的优化方案相比,冷却数低0.01。

图10 设计工况下侧风v=2.5 m/s时不同配水分区半径下冷却数随内区配水占比的变化曲线

由于侧风影响,塔内流场变得混乱,且高温高湿区向迎风侧移动,物理场分布极不规律,导致传热传质恶化,侧风下填料非均匀布置耦合分区配水的增效程度低于无风下的增效程度。

3.4 不同季节典型工况下耦合优化增效方案

以春季典型工况为例,分析不同季节典型工况下的耦合优化增效方案。图11为春季不同配水分区半径下冷却数随内区配水占比的变化曲线。由图11可知,春季典型工况不同配水分区半径R1下,冷却数均随内区配水占比P的增大先增大后减小。以R1=15 m为例分析以上变化趋势,当内区配水占比较小时,大部分的循环水分布在外区,造成进风阻力较大,进而影响内部的热质传递;随着内区配水占比的增大,外区通风阻力减小,空气更容易进入塔内部,全塔的热力性能提升,当P=10%时,冷却数最大,热力性能最优,此时内区配水占比低于外区;继续增大内区配水占比到均匀配水(P=12.85%)时,内外区淋水密度一致,内区呈现高温高湿现状,换热效果变差,热力性能开始下降;内区配水占比继续增大时,内区的配水量逐渐增加,传热传质将急剧恶化,热力性能减弱。

当R1=10～40 m,优化的P分别为1%、5%、10%、30%、70%和91.5%时,与该工况下原始塔相比,冷却数分别增大了0.10、0.11、0.12、0.11、0.10和0.10。因此,春季时,当R1=15 m且P=10%时,冷却塔的热力性能相对最优。

图11 春季典型工况不同配水分区半径下冷却数随内区配水占比的变化曲线

根据上述春季工况研究思路,改变环境参数和运行参数,分别对夏季、秋季和冬季典型工况下的耦合增效方案进行优化研究,考虑到篇幅,不再一一描述,耦合优化增效方案具体见表6。

表6 春夏秋冬四季典型工况下的耦合优化增效方案

4 结 论

(1) 设计工况下无风时随着填料分区半径的增大,冷却数和体积传热系数均先增大后减小,相对最佳的填料分区半径为R2=25 m。

(2) 与均匀配水相比,适当减小内区配水量时,雨区低温区面积增加,塔中心高温区面积减小,温度场分布更趋于均匀,同时可显著提高内区的气水比。

(3) 设计工况下,不同配水分区半径R1时冷却数和体积传热系数均随内区配水占比P的增大先增大后减小。当R1=15～35 m时适当降低P,而当R1=40 m时适当增大P,均可提高冷却塔的整体热力性能。当R1=25 m、P=35%时,冷却塔热力性能相对最优,与原始塔相比,冷却数增大了0.09,体积传热系数增大了17.0 W/(m3·K)。给出了设计工况侧风v=2.5 m/s和春夏秋冬四季典型工况时的耦合优化增效方案。