自然通风湿式冷却塔防冻数值研究

2012-07-28李永华李燕芳魏杰儒潘昌远

应用能源技术 2012年6期

李永华，李燕芳，魏杰儒，潘昌远

(华北电力大学能源与动力工程学院，保定 071003)

0 引言

冷却塔作为电厂重要的冷端设备之一，其正常运行对电厂至关重要。由于我国北方冬季气温较低，风速较高，容易使冷却塔进风口及填料下面等部位结冰。冷却塔结冰直接影响塔的热力性能，导致其使用寿命缩短，同时也增加了维修费用［1－2］。目前，北方电厂采用加装挡风板是防止冷却塔结冰的常见方式。

但是由于实际冷却塔尺寸较大以及内部流场分布复杂，对其内部热力性能的分析很难采用现场试验测量的方法。随着CFD软件技术的发展，许多复杂的物理模型可以利用FLUENT软件模拟分析。

文中利用FLUENT6.3软件对某电厂600 MW机组自然通风逆流湿式冷却塔进行数值模拟研究。通过模拟冷却塔在不同工况下(进塔水温分别为17.80 ℃，21.95 ℃，26.77 ℃，30.04 ℃时)的塔内流场，分析得出进塔水温对塔内不同特征面水温的影响规律，并进一步模拟加装不同层数挡风板后冷却塔内的流场的变化，找到进塔水温和加装挡风板最佳层数的关系。从而为优化冷却塔的防冻装置设计和电厂变工况运行加装最佳挡风板层数提供了一定的理论依据。

1 计算模型

1.1 模型选择与设置

在自然通风逆流湿式冷却塔实际运行中，传热和传质过程同时进行，而且水向空气散热主要是接触散热和蒸发散热，辐射散热量很小，因此可忽略不计。根据冷却塔介质的流动特性和 FLUENT软件模型的特点，对冷却塔计算模型作如下设置［3－8］:

1)冷却塔的雨区和喷淋区由于水汽体积比＜10%，因此采用离散相模型。其中空气为连续相，采用欧拉法求解;水滴为离散相，采用拉格朗日法计算。

2)冷却塔内填料区由于分布致密，结构复杂，因此需要采用自定义函数UDF对其质量、动量和能量交换进行求解。

3)采用稳态雷诺应力平均 N－S方程，选用标准湍流模型，其中在输运方程中考虑浮力项。

4)计算中，控制微分方程的离散化采用了有限差分法中的控制容积公式法，控制方程的对流项采用二阶迎风离散格式。

5)流场计算采用SIMPLE算法，FLUENT求解器采用分离隐式。

6)能量方程的收敛精度为10－6，其余方程的收敛精度为10－5。

1.2 离散相模型

1.2.1 连续相控制方程

机组在稳定工况运行时，冷却塔内部和外部流场可按定常流动进行计算。故连续相的控制方程如下［9－10］:

质量守恒方程:

式(1)中:ρ—湿空气密度，kg/m3;ui—i向速度矢量;源相Sm—由于水滴蒸发从离散相加到连续相的质量。

动量守恒方程:

式(2)中:P—空气静压，Pa;τij—应力张量;ρgi—i向重力体积力;F—i向外部体积力;ui，uj—i，向速度矢量。

1.2.2 离散相控制方程

在自然通风逆流湿式冷却塔的喷淋区和雨区，循环冷却水以水滴的形式自由下落，下落过程中以对流散热和蒸发散热为主。离散相应用拉格朗日法计算，空气与水滴的热质交换通过相间耦合求解。水滴的温度变化如下［3］:

式(3)中:Mp—水滴质量，kg;cp—水滴比热，kJ/(kg·K);Tp—水滴温度，K;Ap—水滴表面积，m2，设定水滴形状为球形;hfg—水滴蒸发潜热，kJ/kg;Tadb—控制体内空气干球温度，K;h—汽水间传热系数，W/m2·K。

1.3 边界条件

1.3.1 几何边界条件

根据北方某火电厂600 MW机组的自然通风逆流湿式冷却塔的实际情况，塔体模型的有关几何尺寸如下:冷却塔塔高125 m，环基外侧直径106.42 m，塔盆直径 96.42 m，喉部直径 52.2 m，塔筒顶部直径57.01 m，进风口高度8 m，填料厚度1 m，进风口处悬挂6层高度为1.33 m挡风板。塔外环境体计算区域为直径为500 m、高度为500 m的圆柱体。

通过Gambit软件建立冷却塔的几何模型并生成总网格数大约为83万的计算网格。其中根据模拟计算精度要求及冷却塔结构特点，对冷却塔塔内计算区域采用结构化网格划分，对塔外环境计算区域采用非结构化网格划分。

1.3.2 物理边界条件

冷却塔模型物理边界条件设置为［3］:圆柱体左侧为速度入口，右侧为压力出口，圆柱体上面为压力出口。塔壁面和地面为无滑移壁面边界条件。模型过程中考虑重力和浮力的影响，离散相边界条件在进出口、进风口、水池地面、收水器等边界均为逃逸，在冷却塔壳壁面为反射。边界工况参数设置如下:空气干球温度为－17℃，风速为6 m/s，大气压力为100 kPa，循环水质量流率为11 829.7 kg/s，水滴当量直径为3 mm。物理边界设置如图1所示。

图1 物理边界

2 计算结果分析

2.1 进塔水温对塔内不同特征面最低水温的影响

冷却塔循环冷却水进塔温度，在机组运行时不是一个独立变量，它受到凝汽器热负荷、循环水质量流率以及凝汽器总体传热系数等因素的影响，不同工况对应不同的进塔水温。以上述理论为基础，对进塔水温分别为17.80℃、21.95℃、25.97℃、30.04℃的4个工况点进行模拟计算，得出进塔水温与塔内不同特征面最低水温关系如图2所示:

图2 进塔水温与不同特征面最低水温的关系

由图2分析得出，在其他因素不变的情况下，当进塔水温升高12.24℃，填料下面和进风口上沿面水温升高9℃，基环面水温升高8℃。塔内不同特征面的最低水温升高幅度小于进塔水温升高幅度。这是由于进塔水温升高，水滴表面与湿空气的蒸汽压力梯度增加，蒸汽扩散系数增加，传质系数增加，蒸发速度加快，换热量增加。另外，塔内空气温度和湿度增加，空气密度减小，因此冷却塔内空气的浮力增加，空气质量流量增大，传质系数增加，汽水有效接触面积增加。

2.2 加装挡风板对塔内空气场分布的影响

在冷却塔的进风口处加装挡风板，将进风口部分或大部分面积封闭，留一部分面积进风，减少进入塔的空气量，使得冷却塔内空气和水滴换热量减少，提高塔内温度，防止结冰。以进塔水温度为21.95℃工况为例，来说明加装挡风板对冷却塔内空气温度场分布和速度场分布的影响。图3为填料下面空气温度场分布，图4为进风口上沿面空气速度场分布。

由图3(a)和图4(a)可以明显地看出，在未加装挡风板的情况下，冷却塔内填料层下面空气温度场和进风口上沿面空气速度场分布非常不均匀，这就进一步导致汽水换热不均，从而导致塔内温度偏低，在冬季就会出现冷却塔内结冰现象，影响到冷却塔的冷却效率，严重时产生结冰破坏，威胁到冷却塔安全运行。

进一步对比图3(b)、(c)、(d)和图4(b)、(c)、(d)可以明显看出:随着挡风板层数的增加，填料下面空气温度场和上沿面空气速度场分布逐渐趋于均匀。这是由于加装挡风板后，使得进风口面积减小，进入冷却塔的空气量减少，塔内填料下面和上沿面没有受到进入塔内冷空气侵袭，其温度场和速度场分布较为均匀，改善了保温条件，使得塔内水温不迅速下降。因此，根据填料下面空气温度场和上沿面空气速度场分布，在进风口处加装相应合适层数的挡风板可以有效防止冷却塔冬季结冰。

2.3 挡风板对塔内水温的影响

进塔水温对于挡风板加装的最佳层数有一定影响，为了找到机组变工况下加装挡风板的最佳层数，分别选取进塔水温为17.80℃、21.95℃、25.97℃、30.04℃这四种工况进行数值模拟，得到的挡风板加装层数与特征面最低水温关系如下表所示。

表1 挡风板加装层数与特征面最低水温关系

根据上表可得，当进塔水温分别为17.80℃，21.95 ℃，26.77 ℃，30.04 ℃ 时，在未加装挡风板情况下，填料下面、进风口上沿面、基环面的水滴最低温度均在0℃以下，这三个特征面水滴均产生结冰现象。(1)当进塔水温为17.80℃时，在进风口处加装4层挡风板后，这三个面的水滴最低温度分别升高到11℃、9℃、3℃，能够有效地防止塔内结冰。(2)当进塔水温为21.95℃时，在进风口处加装3层挡风板后，这三个面的水滴最低温度分别升高到8℃、7℃、1℃，能够有效地防止塔内结冰。(3)当进塔水温为25.97℃时，在进风口处加装2层挡风板后，这三个面的水滴最低温度分别升高到11℃、8℃、1℃，能够有效地防止塔内结冰。(4)当进塔水温为30.04℃时，在进风口处加装1层挡风板后，这三个面的水滴最低温度分别升高到9℃、7℃、0℃，能够有效地防止塔内结冰。

综上所述，在进风口处加装挡风板的层数随进塔水温升高而减少。当进塔水温分别为17.80 ℃、21.95 ℃、25.97 ℃、30.04 ℃ 时这四种工况下，分别加装4层、3层、2层、1层为防结冰的最佳挡风板层数。