某工程的间接空冷塔三维数值模拟计算xmg.doc

某工程的间接空冷塔三维数值模拟计算
赵顺安[1]、徐名徐明[2]、张宏伟[1]、郭富民[1]
1、中国水利水电科学研究院，北京，100038
2、西南电力设计院，成都，610021
内容提要：间接空冷塔相邻布置距离和自然风对其热力阻力特性的影响是设计所关注的问题，本文采用FLUENT软件和散热器模型对间接空冷无自然风时不同布置间距对热力特性影响及有自然风时对间接空冷的运行水温的影响进行数值模拟研究，结果分析表明：自然风对双塔性能的影响随风向不同而有显著差异，风向平行于塔连线时，迎风塔所受影响大，背风塔受影响小，风向垂直于塔连线时，两塔所受影响基本一致，且与风向平行连线时的迎风塔所受影响相近；间接空冷塔的塔距越小，对塔的阻力热力性能影响越大，建议塔间距不宜小于50m。可为其他工程设计提供参考和依据。
关键词：间接空冷、数值模拟、三维、空冷塔布置
1．问题的提出
间接空冷塔是我国三北地区火力发电的主要冷端设备设施，空冷塔一般为自然通风的方式，散热器的布置有两种方式，一种是将散热器水平布置塔壳内的进风口上；二是将散热器垂直布置冷却塔的进风口的四周。前者要求冷却塔壳走直径大，且径向散热器布置方式有一部分面积无法利用，后者虽较好地克服前者的缺点，但进风口的高度相对而言要比湿冷高的多。按冷却塔进风的要求，多塔布置时，塔与塔的间距，塔与建筑物的间距要求也较大，对于才老厂改造或占地有要求的厂址，往往要打破规范要求的距离。对各间距的确定就成了设计首先遇到的问题。也就是说各间距对空冷塔的运行产生多大影响，就是这此些间距确定必须要考虑的因素，特别是要考虑有自然风时相互间的影响。
现行的常规空冷塔热力设计计算方法，无法对自然风条件下这该空冷塔的气流运动和热交换进行模拟计算，也不能对周围建筑物的影响进行分析评价。当今数值模拟计算技术发展很快，我们可通过三维数值模拟计算,来分析研究自然风条件下空冷塔的阻力热力特性，同时可评价塔距及周边建筑对冷却塔阻力热力性能的影响，为冷却塔设计布置提供技术支持，具有重要的工程实际意义。
本文以某一工程为例，给出了以三维数值模拟方法进行空冷塔热力阻力特性及其与建筑物的布置相互影响的模拟结果，可供其它工程参考。
2．数学模型及数值方法
2.1 流动与传热模型
为了分析外界风及周边建筑物对冷却塔内外流场、温度场的影响，需要对冷却塔进行三维数值模拟，空冷塔如图1所示。
假设流动为准稳态，空气为完全气体，流动马赫数较小，不考虑可压缩性，则冷却塔稳态流动传热控制方程如下：

图1 间接空冷塔三维模型示意图

假设流动为准稳态，空气为完全气体，流动马赫数较小，不考虑可压缩性，则冷却塔稳态流动传热控制方程如下：
连续方程

(1)
动量方程
(2)
(3)
能量方程
(4)
空气状态方程
(5)
上式中为密度，为速度矢量，为应力，为压强，为湍流粘性系数，为焓，为空气温度，为湍流Prandtl数，为能量方程源项，为气体常数。
湍流模型采用双方程湍流模型，方程如下：
湍动能方程：
(6)
湍动能耗散率方程：
(7)
(8)
上式中为湍动能，为湍动能耗散率，分别为由速度梯度和浮力引起的湍动能生成项，分别为和的湍流Prandtl数，模型常数分别取1.44、1.68、0.0845。在FLUENT中按下式计算：，其中分别为方向速度分量。湍动能耗散率方程中的附加项按下式计算：
(9)
式中。
2.2 换热器耦合换热模型
在冷却塔进风口，风与循环冷却循环水通过换热器进行热交换。空气流经换热器的能量交换与阻力损失按下式计算：
(10)
(11)
式中为换热器压差损失，为空气进过换热器微元单位面积所获得的热量，为流动方向换热器微元投影面积，为换热器阻力系数，为换热器换热系数，为冷却循环冷却水温度，为空气温度。
进风口换热器垂直布置，循环水自顶端底端联箱进入接入换热器，从底部顶部联箱流出接出只有单流程布置的才是这样的。如果是双流程，则循环水是从换热器下联箱一端进入，经过内侧冷却管束上行至顶部联箱后再经外侧冷却管束下行至下部联箱另一端出水。目前工程采用双流程居多，因换热效率高。
。受空气冷却，循环水温度沿流向逐渐降低，假设进风口来风温度为常数，则沿高度方向是变化的，同样空气经过换热器后温度升高也是沿高度变化的。在空气与循环冷却水的耦合换热分析中，采用对数温差进行计算，即：
(12)
对于交叉流式换热器，平均温差按可按下式计算：
(13)
式中是将给定的冷热流体进出口温度布置成逆流式的对数平均温差，是小于1的修正系数。按下式计算：
(14)
修正系数取决于两个无量纲参数P、R，其定义如下：
(15)
式中表示热流体进出口温度，表示冷流体进出口温度。
2.3 数值方法
本研究采用商用计算流体软件FLUENT 对冷却塔流动传热三维数学模型进行求解，并对不同外界风条件、建筑物布置等多种工况进行数值模拟。
冷却塔内空气流动属于浮力驱动的自然对流，为稳态不可压流。其控制方程的离散采用有限体积法，离散后N-S方程的求解采用基于压力修正的SIMPLIC算法，速度与能量方程中对流项的离散格式采用QUICK格式。
换热器的流动与换热采用多孔介质模型模拟，利用FLUENT软件提供的二次接口，编写UDF实现。
计算范围：对于单塔，x、y、z方向均为500m；对于双塔，平面方向按塔中心距延长，高度z方向不变。
边界条件：四周为压力进口，顶部为压力出口。考虑来风的条件下，来风向边界设置为速度进口。
3．计算结果及分析
3.1 工程简介
某火电工程，拟建设2×660MW两台燃煤机组，配套两座自然通风间接空冷塔。主要参数如为：环境空气温度14.5℃，大气压力855.8 hPa，外界10m高处平均环境风速4m/s，每台汽轮机组THA工况总排热量827MW，每台汽轮机组循环水量69710m3/h。空冷塔散热器外沿直径155m，空冷塔高度173m，出口直径91m,，进风口高度30m，散热器高度297m通常进风口高30m，底部管廊及电缆托架占了2.2m，散热器顶部密封板托架占0.8m左右，因此只有27m的散热器高度。
,，迎风面积23396㎡。

图2 冷却塔及周边建筑物布置示意图
3.2 空冷塔的间距
如图2所示，两塔的间距设为L1，分别取L1为25、50、75、100m进行空冷塔的数值模拟计算比较，计算结果如图3所示，各计算工况下冷却水出口温度与单塔布置时冷却水出口温度相比的增幅随塔间距的减小而升高，但升高幅度不大，大于50m后升高的速度变小，所以，塔的间距不宜小于50m。出口水温升高的原因是两塔间距变小后，会相互影响进风条件，塔内的通风量将会减小。

图3 塔间距对冷却水出口温度增幅的影响

图4 双塔间距75m时高度15m的速度矢量图（单位：m/s）
3.3 自然风对空冷塔的影响比较
对与两塔连线平行与垂直的2个不同风向自然风和2个不同风速（5m/s、10m/s）进行模拟计算比较，计算结果见表1(各计算工况下的冷却水出口温度的增幅均以单塔无风时的冷却水出口温度33.40℃为参考基准)。自然风条件下空冷塔及周边流场矢量图、压力分布及温度分布见附图。
表1 不同风速风向对冷却塔阻力热力性能的的影响
风向
平行塔连线风向
垂直塔连线风向
10m高空处风速（m/s）
5
10
5
10
1#塔
2#塔
1#塔
2#塔
1#塔
2#塔
1#塔
2#塔
总通风量
（kg/s）
45346
40292
44923
30094
39918
40002
29872
29872
空气温升
（℃）
18.16
20.43
18.33
27.36
20.62
20.58
27.56
27.56
冷却水出口温度
（℃）
33.29
34.66
33.39
39.18
34.78
34.75
39.32
39.32
冷却水出口温度增幅（℃）
-0.11
1.26
-0.01
5.78
1.38
1.35
5.92
5.92
结果表明：当风向垂直塔中心连线时，风对两个塔的影响基本一样，即在风力作用下，冷却塔的总通风量明显减小，空气温升增大，冷却水出口温度提高。风速5m/s时冷却水出口温度增幅达1℃以上，风速10m/s时更是高达5℃以上。
当风向平行于塔中心连线时，对迎风塔即2#塔而言，风的影响比较明显，与风向垂直于塔中心连线吹来时所受影响接近。而对背风塔即1#塔而言，风的影响明显较迎风塔要小。其主要原因是风力受迎风塔出口上浮热气流的冲击顶托作用，在背风塔顶部时显著降低，对背风塔热气上浮运动影响很小。同时在塔底进风区域，受迎风塔绕流和两侧建筑物缩窄风通道的作用下，风速5m/s时背风塔的进风还略有增强的趋势，导致背风塔通风量增大，空气温升降低，循环冷却水出口温度下降。
无论是风向垂直于塔中心连线还是平行于塔中心连线，对各塔而言，进风最不利的位置是沿风向来看，塔的两侧及其下游一定的范围。该部位接近圆柱绕流分离区，切向速度大，法向速度小，压力低，且有分离的趋势，进风量小，空气温升大，从图5中水平切面的矢量图和温度分布图可清楚的看出上述特征。
风吹过塔体的运动属于圆柱绕流，在塔体下游伴随涡旋产生、脱落、迁移和消散，此外塔体非简单圆柱体，与半径相比其高度也有限，同时还受地面建筑物的影响，因此风绕塔体的运动十分复杂，实质为三维非稳定流。计算过程也明显存在解的震荡现象，表1中的参数近似为其平均值，图5为瞬时分布。

图5 风向平行塔连线、风速10m/s时的温度（单位：℃）分布图

4． 结论
本文建立了间接空冷塔的热力阻力计算模型并与液体计算软件结合，对间接空冷塔的不同布置方式进行了数值模拟计算。计算结果表明间接空冷塔的塔距越小，对塔的阻力热力性能影响越大，建议塔间距不宜小于50m；自然风对双塔性能的影响随风向不同而有显著差异。风向平行于塔中心连线时，迎风塔所受影响大，背风塔受影响小。迎风塔受风影响抽力降低，通风量减小，空气温升增加，循环冷却水出口温度升高。风向垂直于塔中心连线时，两塔所受影响基本一致，且与风向平行连线时的迎风塔所受影响相近。
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