张晓东 王清照
华北电力大学(北京) 北京 102206
0 引言
我国水资源相对贫乏，节约用水，保护水资源日益受到高度重视。在我国北方富煤贫水地区大力发展采用空冷技术的节水型发电机组，是我国合理利用能源，加快电力事业发展的一项重要内容。目前我国已有多家电厂投运了采用自然通风空冷塔的间接空冷系统，充分显示了空冷技术节水的优越性和广阔的使用前景。
与采用湿式冷却塔的常规冷却系统相比，空冷系统的冷却性能受环境条件的影响更大，对环境气温和自然风的变化更加敏感。空冷机组全年安全、经济运行，很大程度上受到了边界条件变化的制约。以国内某电厂的海勒式间接空冷系统为例，全年有将近2 500 h(年平均)， 因大风造成机组带负荷能力下降，占全年实际带负荷小时的一半以上。同时，由于侧风的影响随机性大、干扰因素多，给现场测量和数据整理工作带来极大的困难，目前还很难给出十分精确的计算公式。因此，研究侧风对自然通风空冷塔运行性能的影响，具有重大的现实意义。
本文以散热器塔外竖直布置的双曲线型自然通风空冷塔为主要研究对象(如图1所示)，采用起初三维数值模拟的方法，研究了空冷塔内外流场、空冷散热器的温降分布在侧风条件下的变化情况，初步总结了侧风影响空冷塔空气流量和散热性能的规律曲线和计算公式。
图1 空冷塔示意图
1 数值计算方法
1.1 控制方程和求解方法
对空冷塔运行的数值模拟是涉及到热量交换的具有复杂边界的三维流动问题，计算中认为塔内外的流场是统一的湍流流动，描述流动的方程是稳态不可压缩流体的湍流时均控制微分方程(连续方程、动量方程和能量方程)。湍流的计算采用了目前工程计算中应用广泛的K-ε双方程模型，所求解的微分方程的通用形式为：
div(ρuΦ-ΓΦgradΦ)=SΦ
其中ρuΦ表示对流输运，ΓΦgradΦ表示扩散输运，2项之和成为总通量。ρ、u、ΓΦ、SΦ分别是密度、速度矢量、扩散系数和单位容积内的源项，Φ、ΓΦ、SΦ的具体内容见表1。其中gj是体积力源项，本文主要考虑浮升力，fj为流动阻力。控制微分方程的离散化采用了有限容积公式法，其中对流项的离散采用了上风差分格式，并采且了交错的网格离散化动量方程。流场的计算采用了SIMPLE算法。代数方程组的求解采用迭代法，其中对于压力校正方程，应用混合法，即x?y平面上的逐面法和z方向的TDMA法相混合，其它变量则应用x?y平面上的逐面法求解。
1.2 网格的划分
海勒式空冷系统采用空冷散热器塔外竖直布置的方式，散热器部分形成圆柱面，其上的塔筒部分是以移轴双曲线为母线的曲面。计算中采用了非均匀、非正交的贴体坐标网格系统，并与直角坐标网格相对应。其中x为角度方向，单位为弧度，y沿半径方向，z沿高度方向，单位均为米。图2给出了定义塔壁形状的y网格面以及计算域底部、顶部和塔顶的z网格面。求解的区域为高315 m、半径242 m的半圆柱体。
表1 通用微分方程中各项的内容
方 程
Φ
Γ
S
连续性方程
1
0
0
动量方程
uj
μ+μt
gj+fj
焓方程
h
Sh
K方程
K
G+ρε
ε方程
ε
图2 网格划分示意图
1.3 换热及进塔阻力的计算
本文中参照海勒式空冷系统的热力计算和空气动力计算的方法来计算加热量和进塔阻力，其中通过冷却柱单位陷害风面积的空气流量L1由进塔风速V1按空冷塔入口的几何参数换算得出，换热的计算采用算术平均温压法，使加热源项具有负斜率的良好形式。在最后一次迭代计算时，取塔筒内某一水平截面，由各点的垂直流速和当地密度计算塔内的空气流量，同时根据该处的焓升值，计算加热量。在程序收敛时，这个加热量和空冷塔入口处空冷散热器的散热量一致。
1.4 程序的编制
计算程序的编制是在大型通用程序PHOENICS的基础上进行的。其中网格生成、密度计算、加热源项计算和进塔空气阻力源项计算部分的程序用FORTRAN语言编写，对问题的全面描述则采用PHOENICS的格式和输入语言PIL。
2 算例分析
2.1 计算条件
参照国内某空冷机组的运行参数的当地气候条件设置计算点如下：
环境大气干球温度 20.11 ℃
环境大气压力 87 840 Pa
环境大气焓值 20 206.5 J
环境大气密度 1.044 2 kg/m3
空冷塔进水温度 49.8 ℃
初始温差ITD 29.7 ℃
单柱循环冷却水流量 96.9 t/h
分别计算了风速为0、2.40、4.60、6.60和8.50 m/s的情况。计算中侧风的风速沿垂直高度循幂次律变化，风速值均指距地面10 m高度的水平风速。
2.2 塔内外压力差的变化
环境空气在流经空冷散热器进入空冷塔时被加热，密度减小，受浮升力的作用而向上流动，从而在塔内形成低压，空冷散热器两侧的压力差成为空气入口的抽吸力，将塔外冷空气吸入塔内。计算结果显示，当环境侧风风速加大时，空冷塔内外的压力场均受到影响，特别是塔外压力场变化明显。塔内的压力随着侧风风速的加大而略有降低，塔外则在迎风侧和背风侧压力略有升高，而在侧区压力显著降低，形成塔外负压区。当风速小于4.0 m/s时，负压区相对压力不低于-20 Pa，与塔内负压在-80 Pa左右相比，影响尚不大；当风速达到8.5 m/s时，则塔外最低负压达到-60 Pa以下，使大部分空冷散热器两侧的压差小，吸气能力减弱(图3所示)。
图3 空冷散热器两侧的压差图
图4 空冷塔空气流量和散热量随侧风风速的变化
2.3 空气流量的变化
由图4可以看出，侧风的存在对空冷塔内的空气流量影响很大，特别是当风速大于4.0 m/s的时候，空冷塔内的空气流量随着环境风速的增大而减幅明显。风速在4.0 m/s以下时，空气流量的变化也较慢些，空冷塔的运行较为平稳。
2.4 散热量的变化
计算表明，在较大的环境侧风条件下，空冷塔的运行性能受到很大的影响。当风速在4.0 m/s以下时，空冷塔散热量的减少不足5%，运行比较平稳，对运行性能的影响不大。风速在4.0 m/s以上时，空冷塔散热量减幅明显。当环境风速达到6.6 m/s时，散热量减少近10%；而当风速达到8.5 m/s时，散热量减少近25%。
3 计算公式的整理
传统的空冷系统设计计算中，主要以环境温度做为设计计算的依据，即以曲型年的气温统计资料为依据，采用一种计算方案，得出一个设计气温。这种方法不利于体现环境温度的变化。一种更为详细的方法是以大气温度及其持续时间做为优化设计的依据，对不同的温度值分段考虑。这些设计方法并没有在设计计算中，具体引入环境风的影响，特别是对于那些全年风速统计中，风速在4.0 m/s以上占有较长时间的地区，会带来较大的偏差。
考虑风速的影响必须知道空冷塔的运行参数与环境风速的关系。这种对应关系应以现场实测数据做为导出和检验的依据。但由于环境风变化多端，干扰因素较多，目前还很难做到。参考现场数据校正计算模型，对结果数据进行最小二乘法曲线拟合，可以得到空冷塔的通风量和散热量随侧风风速的变化关系为(环境温度20 ℃时，空冷换热器塔外竖直布置)：
其中x为侧风速(10 m高度水平面上的风速值)，y1为通风量的百分数，y2为散热量的百分数，分别以无风时的通风量和散热量为基准。
对于那些大风天气较多的地区，在空冷系统的设计计算中，应该考虑大风的影响。计算时应结合环境温度的分布进行，对温度分段考虑，对每一段温度所对应的时间中的风速分布也进行分段计算，修正通风量和散热量的数值。这种优化设计的计算很大，必须借助于计算机进行。
4 结论
通过数值模拟的方法研究了侧风对空冷塔内外的压力场、各散热段的水温降以及空冷塔空气流量和散热量的影响，计算获得的结果与原型塔的部分实测资料基本吻合。计算结果表明，当风速较小时(在4.0 m/s以下)，侧风对空冷塔散热性能的影响不明显，空冷塔能够保持平稳运行。而在较大风速时，空冷塔的散热能力明显下降。侧风影响的主要体现是使散热器两侧的压差发生变化，特别是侧后区压差降低，进气流动减弱，使空冷散热器各扇段水温降发生变化，侧后区散热能力降低。
根据计算结果，可以得到空冷塔通风量和散热量随温度变化的计算公式，可供空冷系统的设计计算和运行时参考。在经常出现大风天气的地区采用空冷系统，应该在优化设计中考虑大风的影响。
5 参考文献
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2 丁尔谋.发电厂空冷技术.北京：水利电力出版社，1992
3 张洪坚.空冷发电厂冷却系统优化设计的一个方法.中国电机工程学报，1993(7)
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7 Du Preez and D.G.Kroeger. Effect of Wind on Performance of A Dry—cooling Tow-er. Heat Recovery System & CHP, 1993,13(2)：139～146
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