600 MW机组冷却塔防冻及防侧风一体化研究.pdf

收稿日期：2023-02-18作者简介：杨嘉森（1996-），男，江苏徐州人，硕士研究生。通讯作者：潘宏刚（1982-），男，辽宁沈阳人，副教授，硕士生导师，博士，主要从事旋转机械故障诊断及转子动力学方面的研究。600 MW机组冷却塔防冻及防侧风一体化研究杨嘉森1，潘宏刚1，陈平2，季爱宇3，赵帅1（1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136；2.中国华能北方联合电力有限责任公司达拉特发电厂 运行部，内蒙古 鄂尔多斯 014300；3.辽宁长鑫工程技术有限公司，辽宁 开原 112300）摘要：以北方某600 MW机组的自然通风冷却塔为研究对象，设计了一种新型进风装置，通过数值模拟的方法研究了该装置在不同季节环境下对冷却塔热力性能的影响。研究结果表明：在冬季，当风速为1.5 m/s，环境温度分别为266.15 K、261.15 K与258.15 K时，进风装置需要悬挂的挡风板层数分别为1、4与5，防止了塔底结冰的情况出现；在其他季节，将挡风板调节成具有导流效果的结构来防止侧风问题，可有效降低冷却塔的出塔水温，当环境温度为11 时，进风装置的降温效果达到最佳。关键词：冷却塔；进风装置；防冻；导流；侧风中图分类号：TK264.1文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0034-06DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.03.007第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）自然通风逆流湿式冷却塔作为火电厂中不可或缺的制冷散热设施，其冷却效率对发电厂的发电效率影响颇深1。以600 MW机组为例，出塔水温每提高 1，机组效率就会降低 0.23%，发电煤耗增加0.738 g/（kWh）2。我国北方地区冬季温度较低，风速较大，大多数发电厂所使用的双曲线湿式冷却塔容易受到寒风的侵袭，致使塔底进风口处、填料层、基环面产生挂冰现象，间接影响出塔水温，使塔内传热传质的效果恶化3-4。目前，对于此问题一般采用在塔底加装挡风板的方式来解决，当气温回暖后，需要及时卸下挡风板，这种方法不仅耗费人力，还易发生人身伤害事故5。文献 6-7分析了变工况（环境温度、环境风速）条件下采用不同层数挡风板的防冻效果，在横向分层悬挂时容易出现用时长、不安全等问题，只保证了冷却塔不结冰，没找到最佳挡风面积，不利于提升机组的经济性。文献 8 分析了改变挡风面积对出塔水温和特征平面最低水温的影响情况，在不同环境条件下，找出了防止塔底冻冰的最佳挡板数量，但悬挂过多的挡风板会导致煤耗增加，提高燃煤费用。文献9 采用“预热式”防冻系统，建立了1 000 MW机组的数值计算模型，利用凝汽器排出的高温循环水加热冷风，在能防止结冰的同时有效降低了出塔水温并对经济性进行了相应的探讨，结果表明：优化后发电热耗平均降低了60.70 kJ/（kWh），整个冬季的净收益为188.76万元，经济效益显著。此外，冷却塔还会受到环境侧风的不利影响。侧风总是破坏塔内空气流场，进而影响塔内空气与水之间的换热，降低冷却塔的整体换热效果。文献 10 建立了有横向侧风时冷却塔的传热传质模型，研究了环境侧风对冷却塔总体性能的影响机理，以及导流风板和十字隔墙在环境侧风存在时的工作机理，还通过试验分析了导流风板和十字隔墙共同使用时对冷却塔性能的影响。文献 11 分析了侧风下带有导风板的冷却塔的进风阻力计算及性能优化问题，总结了导风板数量和角度与通风量和出塔水温的关系，得出了关联方程式。文献 12-13 通过现场试验研究了环境侧风对高位集水冷却塔的热力性能的影响效果。综上所述，本文对防冻和防侧风问题进行一体化研究，在冷却塔外围安装一种进风装置，该装置既可以防止冬季塔底进风处冻冰，还能在其他季节有效改善侧风问题，提升冷却塔的换热性能。1数值模拟方法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14。因此，循环水采用离散相模型，在填料区中采用用户自定义函数来模拟水滴的下落速度15-17。由于冷却水在塔内的流动具有多样性，流体不规则，故选用标准k-湍流模型。将稳态雷诺平均N-S方程和标准k-湍流模型组成封闭方程，进而对方程求解，在k和输运方程中均包含浮力项18。空气压力和空气速度的耦合方法选用SIMPLE算法。通过控制容积公式的方法来控制方程中的离散化，离散控制方程中的对流项选择二阶迎风格式19。1.1气液耦合计算方法在自然通风冷却塔中，离散相与连续相之间相互作用，这种相互作用在质量、动量、能量中得以体现。在控制方程中，离散相与连续相进行着交替求解，直至收敛。质量源项是指在连续相与离散相之间存在质量的变化，质量的变化符合守恒定律，总量不变20-21。质量侧方程如下：M=mpmp0mp0（1）式中，mp为颗粒在控制体内的质量变化；mp0为颗粒初始质量；mp0为颗粒初始质量流率。动量源项是指离散相粒子在连续相的作用下动量发生一定的变化，但两者的动量总和不变，符合动量守恒定律。动量侧方程如下：F=18CDRe()-p24pd2p+Fothermpt（2）式中，mp为颗粒质量流率；为流体动力粘度。能量源项：在连续相与离散相之间的传热传质过程中，热量的传递符合守恒定律。能量侧方程如下：Q=m pcpTpmp0+mp()-hfg+TrefTpcpdTmp0mp0（3）式中，m p为颗粒平均质量；Tp为离散颗粒温度的变化值；hfg为汽化潜热；Tref为与焓值对应的温度值。1.2填料层简化处理在填料层传热传质的求解过程中采用UDF函数。在冷却塔内部，空气压力因液滴向下的力而减小，当空气流过的填料区域相等时，将源项添加到动量方程中，以校正压力降低导致的动量降低，每个区域中动量源项的方程为Svj=-kv2j2（4）式中，vj为竖直方向上的速度分量；k为压力损失系数。关于填料体方面，压力损失系数可按以下经验公式计算：k0.9m=()1.561 219m1.276 792wm-3.931 459a+16.173 258m0.287 875wm0.011 599aLfi（5）k1.2m=()3.859 49m0.782 298wm-2.119 42a+15.295 976m0.215 311wm0.080 546aLfi（6）第 3 期杨嘉森，等：600 MW机组冷却塔防冻及防侧风一体化研究35第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）k1m=k0.9mf+k1.2m()1-f（7）f=()1.2-Lfi0.3（8）式中，f为光滑因子。1.3几何模型与边界条件以北方某600 MW机组的双曲线自然通风逆流湿式冷却塔为研究对象，冷却塔的几何数据如表1 所示。整个计算范围是长 600 m、宽 400 m、高400 m的立方体区域。表1冷却塔几何数据m参数塔高塔出口处直径进风口高度喉部标高喉部直径基环面外侧直径收水器高度填料层顶面高度填料层底面高度填料层厚度数值11554.507.89251.8491.5211.51091存在环境风时，设定立方体外流域迎风面和相邻两侧为速度入口，背风面和立方体外流域顶部成压力出口，冷却塔塔壁与地面为无滑移壁面。在离散相模型中，设定塔壁面为反射面，基环面、收水器上平面、环境地面为逃逸面。2模拟结果分析2.1模型验证为验证模型的准确性，比较冷却塔不采用进风装置时的模拟出塔水温与实际运行的出塔水温，结果如表2所示。在两种不同环境条件下测得的实际循环水温与模拟循环水温分别降低9.48 K与11.31K，实际出塔水温与模拟出塔水温差值分别为0.05K与0.04 K，误差率分别为0.52%与0.35%，说明所建模型及模拟设置是正确可行的。表2计算模型数据参数环境干球温度/K环境风速/（m s-1）循环水质量/（kg s-1）进塔水温/K运行出塔水温/K计算出塔水温/K实际工况273.361.617 359296.05286.57286.52模拟工况238.231.217 228297.18285.87285.832.2冬季防冻效果模拟分析冷却塔进风口高度为7.8 m，将进风装置按进风口高度分为6层，每一层挡板的长度为1.3 m，最上层为第1层，最下层为第6层。为确保冷却塔始终有稳定的进塔空气，将第6层作为进风口，如图1所示。进风口上沿面第一层挡风板第二层挡风板第三层挡风板第四层挡风板第五层挡风板基环面底部进风区域图1分层悬挂挡风板设 进 塔 水 温 为 298.15 K，循 环 水 量 为 10167.28 kg/s，横向风速为1.5 m/s，环境温度分别为266.15 K、261.15 K和258.15 K，通过数值模拟对结果进行处理，如表3所示。表3最低水滴温度变化与挡风板层数的关系K环境温度266.15261.15258.15挡风板的层数012034045填料层下平面277279280275278283267278290进风口上沿平面275277278273277281265277289基环面27327427526827227826127228236由表2可知：当环境温度为266.15 K且未悬挂挡风板时，只有基环面出现冻冰情况，进风口上沿平面和填料层下平面未出现冻冰情况，在加装1层挡风板后，3个特征面没有出现冻冰情况；当环境温度为261.15 K且未悬挂挡风板时，基环面与进风口上沿平面均出现了冻冰情况，在悬挂3层挡风板后，在基环面处仍有冻冰情况存在，为了保证冷却塔稳定运行，挡板层数需加至4层；当环境温度为258.15 K时，3个特征面均出现了冻冰情况，在挡板层数加至5层后，3个特征面不再出现冻冰情况。2.3变工况下挡风板层数的变化规律对变工况条件下挡风板层数进行模拟，通过改变环境温度及横向风速得出变工况下挡风板层数的变化规律。变工况下挡风板层数的变化规律如图2所示。a 挡风板层数与环境温度的变化关系b 挡风板层数与横向风速的变化关系图2变工况下挡风板层数变化规律由图2可以看出：当环境风速为2 m/s，环境干球温度分别为266.15 K、261.15 K、258.15 K时，加装挡风板的最佳层数分别为1、2、3；当环境风速为4 m/s时，其工况特殊，所以在环境干球温度分别为266.15 K、261.15 K 时不需要加装挡风板，只需在环境干球温度为258.15 K时加装1层挡风板；当环境风速为 5.5 m/s，干球温度分别为 266.15 K、261.15 K、258.15K时，加装挡风板的最佳层数分别为2、3、4；当环境风速为6.5 m/s，干球温度分别为266.15 K、261.15 K、258.15 K时，加装挡风板的最佳层数分别为3、4、5。综上所述，在变工况条件下，为防止冷却塔受到寒风侵袭可调整挡风板的层数，当环境侧风风速不发生变化时，为了能有效避免塔内各特征面上出现挂冰情况，挡风板层数应随着温度的降低而增大。由于临界风速的特殊性，当外界温度不变，横向风速不断增大时，挡风板的层数先减小后增大。当环境温度变化且临界风速为4 m/s时，所需要的挡板层数最少。由此可见，挡风板层数的变化规律对冷却塔进风调节装置系统的设计具有重要的参考意义。2.4其他季节防侧风效果模拟分析将装置中第1、2层挡板向塔芯方向进行旋转，再倾斜较小的角度，使其具有导流效果。另外，由于第 3、4、5 层挡板的结构安装高度不高，拆卸方便，可以直接拆除。第1、2层导流板均与进风口水平面形成5夹角，让进塔空气形成向上流动的趋势，极大地缩短了迎风面空气与背风面空气的接触时间，使冷却塔塔内的流场近似地呈现对称性，优化塔内的换热效果。此外，还需在导流板之间留有一定间距，防止倾斜的导流板阻碍进风效果，保证进风的稳定性，如图3所示。根据北方某省7月上旬的环境状况，设入塔循环水的水温为312.17 K，循环水流量为15 2