三塔合一间接空冷塔烟气流动特性研究_李金芳.pdf

Zhejiang Electric Power第 42 卷 第 2 期2023 年2 月Vol.42，No.02Feb.25.2023三塔合一间接空冷塔烟气流动特性研究李金芳1，韩高岩2，谢娜1，张晓晴3，王智3（1.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；3.华北电力大学（保定）动力工程系，河北 保定 071003）摘要：由于不同机组负荷会影响三塔合一间接空冷系统的流动换热特性和烟气扩散效果，对某1 000 MW机组三塔合一间接空冷塔进行了数值研究。结果表明：随着负荷增加，三塔合一间接空冷塔的抽力和通风量在100负荷时分别是50负荷时的1.47倍和1.3倍，同时高负荷运行的空冷塔冷却能力更强；增加负荷会减少SO2在空冷塔内壁上的浓度，增加烟气的抬升高度，相对于50负荷，在100负荷时SO2浓度减少了4.55 mg/m3，烟气最大扩散高度最多时提升了16.72 m。关键词：数值模拟；变负荷；烟气扩散；三塔合一；间接空冷塔DOI:10.19585/j.zjdl.202302014 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Characteristic study on flue gas of a“three-in-one”indirect air cooling towerLI Jinfang1，HAN Gaoyan2，XIE Na1，ZHANG Xiaoqing3，WANG Zhi3（1.E Energy Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.Research Institute，Hangzhou 310014，China；3.Power Engineering Department，North China Electric Power University（Baoding），Baoding，Hebei 071003，China）Abstract:Different unit loads affect the flow heat transfer characteristics and flue gas diffusion of a“three-in-one”indirect air-cooling system.A numerical study is carried out on the tower of a 1 000 MW unit.The results show that as the load increases，the extraction effect and ventilation capacity of the tower at 100%load are 1.47 and 1.3 times higher than those at 50%load，respectively.Moreover，the cooling capacity of the tower is larger at higher loads.Load increase can reduce the concentration of SO2 on the inner wall of the air-cooling tower and raise the lift height of flue gas.At 100%load，the SO2 concentration is reduced by 4.55 mg/m3，and the maximum flue gas diffusion height is raised by up to 16.72 m compared to 50%load.Keywords:numerical simulation；variable load；flue gas diffusion；“three-in-one”tower；indirect air-cooling tower0引言三塔合一系统1-2是将脱硫塔、烟囱内置于间接空冷塔3-4内，通过间接空冷塔内的空气稀释并抬升烟气5-6。三塔合一系统节省了烟囱的造价，并且能提升烟气的扩散高度，具有很大的环保优势。三塔合一系统通常采用湿法脱硫，经过湿法脱硫后的烟气温度较低，需要借助间接空冷塔内空气的热量提升扩散高度，在无风或者风速较小的环境下，三塔合一系统可以将烟气抬升至较高的高度，减少对周围环境的污染7。但是由于三塔合一系统的抗风能力弱，在环境风增大时，烟气会向背风侧下洗，造成对塔壁和环境的污染。烟气中含有SO2气体，SO2受环境湿度的影响会对空冷塔造成不同程度的腐蚀8-9，如混凝土剥落、钢筋锈蚀等问题，给空冷塔运行带来极大的安全隐患，所以有必要研究三塔合一系统烟气的扩散规律。浮杰10使用CFD（计算流体动力学）软件研究了三塔合一塔内流场的特点，结果表明：烟气排放可以增大冷却塔的抽力，冷却塔高径比越大，其排放效果越好。席新铭11对三塔合一进行数值模拟，获得了不同风温、风速以及烟囱高度等关键参数对间接空冷塔流动和传热性能的影响规律。基 金 项 目：杭 州 意 能 电 力 技 术 有 限 公 司 科 技 项 目（EERD2021-03）第 2 期李金芳，等：三塔合一间接空冷塔烟气流动特性研究崔克强12等采用S/P模式开展了不同大气稳定度条件下、不同风速时烟气抬升对比的计算，并与烟囱排放烟气进行了对比，结果表明：在弱风情况下，冷却塔排烟高度远大于烟囱，但当风速大于4.5 m/s时，烟囱排放烟气高度高于冷却塔排放烟气抬升高度。王康慧13等采用不同方法计算了冷却塔下风向空腔区的范围，并研究了空腔区对污染物落地浓度的影响，结果表明：污染物浓度在空腔区内呈现增大趋势，污染物在远离空腔区时大致稳定或存在小幅波动。蒋晓峰14等对污染物扩散进行了研究，并对冷却塔进行了结构优化。王梦洁15研究了脱硫塔、烟囱在塔内不同偏心距离对三塔合一系统热力特性的影响，并且建立了数值模拟的迭代流程，分析了环境对机组背压的影响，为发电厂实际运行调节提供依据。焦庆雅16对三塔合一内部流场进行了分析，并使用挡风板对内部流场进行优化，结果表明：挡风板在无风或者低风速时会使通风量降低，大风工况时则可以大大改善流场。赵文升17等通过数值模拟研究结构参数对三塔合一系统热力性能的影响，并以通风量和冷却水出口水温为标准获得了最优参数。孔德满18等基于CFD方法研究了三塔合一系统脱硫装置对进风量的影响和不同风速下的烟气扩散能力，结果表明：脱硫装置对空冷塔的进风量和散热量几乎无影响，并且随着风速增大，烟气扩散高度呈现先降低后不变的趋势。刘昆19分析对比了不同工况下烟气流动特性，并提出了采用加高烟囱和加装风机来进行流场调控的方案，结果表明：当负荷降低时，间接空冷塔的流动换热恶化，随着风速增大，换热也会恶化，并且风速过大时环境风会穿透冷却塔，不利于冷却塔安全运行；加装风机可以改善塔内流动换热特性，并且在有环境风的条件下风机能很好地促进烟气流动；加高烟囱可以使烟气偏折程度降低，并使气流受横风的抑制降低。Yang Shuo20等使用数值模拟研究了三塔合一系统内部流场随喉部变化的规律，研究结果表明：喉部越短，烟气和进塔气流混合越剧烈。Takenobu21等使用风洞试验的方法对三塔合一进行了研究，使用示踪气体记录气体的流动，最终得到了烟气的扩散区间。环境风速、温度以及空冷塔的几何参数均会对三塔合一系统的性能造成不同程度的影响22-24，负荷变化也会影响三塔合一系统的性能。但是以往对于三塔合一系统的研究，缺少负荷变化对烟气扩散影响的研究，所以本文建立了三塔合一系统变负荷模型，计算并研究了不同负荷下烟气的扩散规律，并对冷却塔在不同负荷下的冷却效果进行了分析。1数值模型1.1模型和计算方法使用Gambit软件建立三塔合一间接空冷塔的模型，并进行了网格划分，采用流体计算软件Fluent 2021 R1进行计算。三塔合一系统如图1所示，其参数如表1所示，扇区划分如图2所示，其中扇区1、2、11、12为迎风扇区，扇区3、4、9、10为侧风扇区，扇区5、6、7、8为背风扇区。近年来中国多年平均风速为2.14 m/s，三北地区年平均风速最大，为3 m/s25。5 m/s的风速虽然在全国发生的概率在0.05以下26，但此风速会发生腐蚀并且发生概率相对其他更大风速要大。图1 三塔合一系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the three-in-onetower system图2 扇区划分示意图Fig.2 Schematic diagram of sector division107第 42 卷而三塔合一系统在无风或风速较小时，其空气对烟气包裹性较好，并且在环境中抬升较高，不会对塔壁以及环境造成影响。因此，选择距离地面10 m处环境风速为5 m/s作为计算条件，该模型采用幂指数风廓线来模拟环境风速，风速表示为：u=u10（y/10）0.2（1）式中：u10为高度10 m处环境风的风速；y为相应点的高度；u为对应高度的风速。幂指数风廓线随高度的变化如图3所示。本算例参考21 000 MW发电厂的模型，设置两个间接空冷塔，其中一个为普通间冷塔，另一个间冷塔内放置脱硫装置和烟囱，烟囱排放两个机组烟气。选定20 （春秋季节）作为环境风的温度，环境出口设置为压力出口，烟囱出口设置为速度入口，烟气速度设置为28 m/s，烟气温度设置为47。采用Fluent组分运输模型模拟烟气的流动，烟气组分如表2所示，重力加速度设置为9.8 m/s，湍流模型选择Realizable的-模型，对于能量方程的残差设置为10-7，其他方程均设置为10-4，压力离散格式选择PRESTO！，其他选项设置为二阶迎风格式进行计算。对模型做出以下假设：气体为理想不可压缩气体，换热与流动为定常条件，冷却塔壁面、烟囱壁面、脱硫塔壁面以及地面均设置为绝热条件，且为无滑移壁面，散热器简化为多孔介质。散热器尺寸为28 m2.6 m0.199 5 m，两片散热器形成一个冷却三角，模型如图4所示，其尺寸为28 m2.815 m2.772 m。对于简单均匀的多孔介质：Si=-(vi+12C2|v vi)（2）式中：Si为动量方程源项；为速度；为渗透率；C2为惯性阻力系数；为动力粘度。对散热器进行建模及数值模拟，使用最小二乘拟合法将模拟所得散热器进出口压差p与迎面风速的关系拟合成表达式：p=6.626v2+9.108v-7.435（3）由式（3）求得粘性阻力系数为2 564 782，惯性阻力系数为48.535 9，同时求得简化后散热器的孔表1三塔合一系统基本参数Table 1Basic parameters of the three-in-onetowers systemm名称地面0米直径进风口高度进风口直径喉部高度喉部直径参数值015131.5132.915796名称塔出口直径塔高度脱硫塔高度脱硫塔直径烟囱高度烟囱直径参数值10020440202010图3 幂指数风廓线随高度变化示意图Fig.3 Schematic diagram of exponential wind profile changing with height图4 冷却三角模型示意图Fig.4 Schematic diagram of the cooling triangle model表2烟气组分Table 2Flue gas components组分质量分数/SO20.01NOX0.03H2O12.02O26.2CO211.77N269.97108 第 2 期李金芳，等：三塔合一间接空冷塔烟气流动特性研究隙率为0.72。假设多孔介质为恒定温度，其温度值等于出口、入口水温的算术平均值。假定每个扇区的冷却三角具有相同的出口、入口水温和循环水流量，同一负荷下冷却塔的散热量等于循环水在凝汽器的吸热量，并且换热