间冷塔散热器圆环布置对换热性能的影响

李慧君， 杨长根

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

在我国“三北”地区，为了解决富煤缺水矛盾，空冷发电机组得到了广泛地应用[1]。空冷技术分为直接空冷和间接空冷。间接空冷塔(简称间冷塔)因具有显著的节水优点，逐渐成为大型空冷机组的发展方向。由于间冷塔的冷却效率易受环境温度、环境风大小和方向等因素影响，越来越多学者对影响间冷塔的换热机理进行了深入的研究。

近几十年来，数值模拟研究[2]和实验研究[3]都得出了一个相似的结论，环境风能够降低空冷塔的冷却效率。杨立军等[4]研究了散热器翅片结构尺寸对间冷塔传热性能的影响；杜小泽等[5]通过CFD模拟了不同温度、不同风速和不同风向下间冷塔散热器的运行特性；忻炜等[6]通过对间冷塔内外空气流动和传热性能进行了研究，分析了不同环境风速下传热性能和机组背压的变化规律；席新铭等[6]通过数值模拟分析了环境风和烟塔高度对三塔合一间冷塔热力性能的影响；王蓝婧等[7]对660 MW SCAL 型间冷塔夏季安全运行改造方案进行了研究，并指出夏季环境风速为12 m/s时间冷塔的流动传热性能最差，机组发生大幅度降负荷和跳闸的可能性最大；Zhao等[9,10]通过分析了流经单个冷却柱、单个冷却三角和每个扇区的流量和静压变化，并计算了冷却柱的进口温度和出口温度变化，在此基础上又指出散热器外侧布置导流板可以有效改善空气流经散热器时的入流偏离角度，改善冷却三角内空气的流场分布；李岚等[11]以600 MW机组间接空冷塔为对象，研究了SCAL型间接空冷塔动态特性；Preez等[8]首次提出挡风墙的概念后众多学者对此展开研究；张艾萍等[9]分析了外围挡风墙的可能性；Zhai等[10]研究表明挡风墙应当被垂直于环境风向布置在间冷塔的侧边，并且挡风墙的宽度应当优化；Goodarzi[11]提出了一种新型空冷塔出口结构，以减弱侧风情况下冷却塔的缩喉效应。Wang等[12]研究了间冷塔在侧风下的配水方案，从而提高其换热性能。随着研究的深入，对传统间冷塔散热器的布置方案进行了研究。Preez等[13]发现了对于垂直布置的散热器环境风的影响要大于塔内部水平布置的散热器；2014年，Goodarizi等[18]在保持有效受热面积不变时，将圆形设置为椭圆型，并研究了三种短轴与长轴之比，分别为0.5、0.75和1时，其换热性能随环境风速的变化；Yang等[14]研究了间冷塔散热器沿等边三角形垂直布置对其换热性能的影响；Du等[15]研究了在间冷塔内部分别沿半径和方形水平布置散热器的流动特性和换热性能。

目前，由于对间冷塔散热器布置方案的研究还较少，故以某660 MW机组SCAL型间冷塔为研究对象，保持传统方案间冷塔(简称铁三角布置方案)铁三角的总体积和总散热面积不变，将散热器沿塔中心圆周垂直布置成一个圆环形，利用Fluent软件针对夏天最恶劣的气象条件，分别考虑塔周围有无建筑物的存在，对铁三角和圆环布置方案进行数值模拟，对两者进行分析对比，从而为间冷塔散热器的布置方案提供一定的参考。

1 数值计算方法

1.1 几何模型

本文选取某660 MW机组SCAL型间冷塔为研究对象，其相应设备的结构尺寸如表1所示。选取的计算域为500 m×500 m×500 m(X×Y×Z)并创建间冷塔的几何模型。散热器局部图如图1所示。将散热器分成24个扇区，如图2所示。考虑到实际电厂空冷塔周围有建筑物的存在，铁三角布置方案周围建筑物分布与圆环布置方案相同，如图3所示(1～9为建筑物)。

1.2 网格划分、边界条件和收敛准则

间冷塔散热器和内外流体区域采用Map和Cooper方式生成网格。选取铁三角布置方案且塔周围无建筑物，环境风速为5.5 m/s进行网格无关性验证。

表1 间冷塔和散热器的结构尺寸

图1 散热器局部图

图2 散热器分区示意图

图3 圆环方案周围建筑物布置图

取网格数为257万、335万和421万进行数值计算。结果表明：间冷塔出口质量流量偏差小于2.6%，符合工程实际要求。因此，铁三角布置方案有无建筑物的网格数为374万和335万；同理圆环布置方案有无建筑物的网格数为296万和288万。

边界条件设置：进口为velocity-inlet，出口为outflow。间冷塔迎风面不同高度处风速采用幂指数规律变化函数，风速的计算公式为：

(1)

式中：ν0为离地面10 m高度处的环境风速，m/s；z为距地面的高度，m。

收敛准则：本文选取可实现(Realizable)k-ε湍流模型；环境风密度仅考虑温度的影响，采用Boussinesq近似假设；在对控制方程离散化时采用一阶差分迎风格式，为保证计算结果的准确性，收敛精度除能量离散方程残差控制在10-6以下，其他方程残差控制在10-4以下。

1.3 数值模型

对间冷塔各计算区域建立质量守恒、动量守恒、能量守恒、湍动能和湍动能耗散率等方程。采用换热器中的简单效能模型及多孔介质模型来模拟水和空气的换热过程。在换热器模型中，换热器区域总的换热量为：

(2)

式中：qmacro为单个macro的换热量，W。

换热器模型为整个换热器的核心区域提供了更接近实际的换热量的分配方法。

1.4 数值模型验证

夏季工况间冷塔设计参数，如表2所示。对该设计工况进行模拟计算，结果如表3所示。因此，所建数值模型是符合要求的。

表2 间冷塔设计参数

表3 数值模拟验证结果

2 影响间冷塔换热性能的因素分析

对于沿间冷塔圆周垂直布置的散热器，影响其换热性能的主要因素有风速、散热器布置方式及建筑物等。

选取环境风速为0 m/s、5.5 m/s、8 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s和20 m/s，分别对不同方案进行模拟分析。

2.1 风速对间冷塔换热性能的影响

当环境风速为12 m/s时，选取铁三角布置方案且无建筑物。结果表明：迎风区通风量最大，背风区次之，侧风区最小。这是因为环境风流经间冷塔时，做“圆柱绕流”流动(该绕流的结果使塔外的压力低于塔内，同时使塔背风面的压力下降)，减小了背风区和侧风区的通风量，如图4所示。

图4 12 m/s无建筑物时z=7.5 m截面速度场

而这种影响随风速的增加而增强，使背风区和侧风区的通风量进一步减少。环境风通过侧风区散热器时，因切向风速大、压力低，故流入塔内的通风量减小。此时，侧风区部分扇区出现“穿堂风”，虽风量不大，但换热性能变差。因迎风区通风量大于背风区，故进入塔内的气流相遇后，在塔底形成涡流场并且影响塔内上升气流流动和塔底侧风区和背风区空气的流入。

在环境风的作用下，塔出口处形成“风阻”效应，如图5所示。在一定范围内随着风速的增大，该“风阻”效应越来越明显，即α越来越小，使塔内气流的有效通流面积变小，但同时由于风速过快造成对塔内空气的吸力加强，在两者相互作用下，导致塔出口质量流量下降。

图5 12 m/s无建筑物时y=0 m截面速度场

不同环境风速下，单位扇区通风量变化如图6所示。当无环境风时，由于在塔吸力作用下，塔四周空气与散热器对流换热后均匀的进入到塔内，故使得塔各扇区通风量和换热量基本相等；迎风区换热性能随着环境风速的增加而提高；当环境风速为8 m/s时，侧风区出现“穿堂风”，且在一定范围内随着风速的增加，形成“穿堂风”的扇区数量增多；当环境风速不超过12 m/s时，侧风区由于“穿堂风”量增加使得通风量减小，换热性能下降，当环境风速超过12 m/s时，“穿堂风”量的增加反而使得侧风区换热性能略提高；背风区通风量随着环境风速的增加而减小，换热性能下降。

图6 单位扇区通风量随环境风速变化

2.2 散热器布置方式对间冷塔换热性能的影响

散热器为铁三角布置时，迎风区每个铁三角内的两个散热器换热面与环境风向形成的夹角近似相同，故通风量近似相等且较大，使得铁三角单元的换热性能较好。

图7为散热器与风向的关系。侧风区每个铁三角内的两个散热器的通风量相差较大，是因为环境风向与散热器迎风面所形成的夹角不同，如图7(a)所示。即散热器2和4的夹角α1较大，散热器1和3的夹角α2较小。因此，散热器2和4的通风量大，其换热性能较好，而散热器1和3的通风量小，其换热性能较差，使得铁三角单元的换热性能变差。从迎风区到侧风区这种现象越来越明显，即相当于有效换热面被减少，使得换热效果变差。故铁三角布置散热器时，相当一部分的散热器的换热面积没有被充分利用，降低了间冷塔的换热能力。

图7 散热器与风向的关系

对于圆环布置方案，在相同条件时，一定环境风速范围内可以较好地避免有效换热面积被减少的现象，如图7(b)所示。但风速较小时，散热器的布置方式对其换热能力的影响有限。当风速在一定范围内增大，迎风面圆环布置的有效换热面积大于铁三角布置，因此，换热能力也高于铁三角布置。

塔周围无建筑物且环境风速为12 m/s时，铁三角和圆环布置方案在z=15 m时温度场分布，如图8所示。圆环布置方案迎风区和部分侧风区平均温度要略低于铁三角布置方案，但其背风区平均温度要高于铁三角布置方案。

图8 12 m/s无建筑物时z=15 m截面温度场

取环境风速为5.5 m/s、8 m/s和12 m/s，铁三角布置方案和圆环布置方案其单位扇区通风量随环境风速变化如图9所示。当环境风速从5.5 m/s增加到12 m/s时，圆环布置方案1到5扇区和20到24扇区通风量均大于铁三角布置方案，故该扇区换热性能提高；当环境风速为8 m/s时，圆环布置方案相比铁三角布置方案：形成“穿堂风”的扇区数量增多，使得侧风区换热性能下降，而背风区换热性能也下降，由于换热性能下降的幅度大于其上升的幅度，故塔整体换热性能下降；当环境风速为12 m/s时，圆环布置方案相比铁三角布置方案：侧风区换热性能提高，但其背风区换热性能下降且幅度较大，故塔整体换热性能仍下降。

图9 单位扇区通风量随环境风速变化

2.3 建筑物对间冷塔换热性能的影响

当环境风速为12 m/s时，选取铁三角布置方案且塔周围有建筑物时，间冷塔截面速度云图分布，如图10所示。环境风流过建筑物时，由于塔外通流面积减小，其流速大小和流向都将发生改变，并在建筑物的背面形成涡流。

选取环境风速为5.5 m/s、8 m/s和12 m/s，铁三角布置方案有无建筑物其单位扇区通风量变化如图11所示。相同条件下塔周围有建筑物相比无建筑物：迎风区通风量略有增加，换热性能变好；侧风区形成“穿堂风”的扇区数量增加；10、11、12和13扇区通风量减小，而14和15扇区通风量增加。扇区通风量增加幅度略大于其下降幅度，故最终使得塔整体换热性能略提高。

图10 12 m/s有建筑物时z=7.5 m截面速度云图

图11 单位扇区通风量随环境风速变化

3 不同风速及方案对换热性能的影响

本文针对间冷塔散热器圆环布置方案对换热性能的影响进行了研究。首先，分别建立不同的几何模型，并对网格划分、边界条件、收敛准则和数值模型进行了详细介绍，又对数值模型进行了验证，结果满足了工程要求。然后，对影响间冷塔换热性能的各因素进行了分析。其次，以通风量和换热量为评价指标，对不同风速及布置方案对间冷塔换热性能的影响进行了分析。最后，通过通风量改变度和换热量改变度来描述圆环布置方案相比铁三角布置方案的改善效果。结论如下：

不同环境风速下各方案通风量和换热量变化如图12和13所示。不同方案其通风量和换热量均随环境风速先减小后增加，均在12 m/s处为最小值。这是因为迎风区、背风区和侧风区通风量的增减幅度不同造成，换热量变化也是如此。相同条件下，同种布置方案塔周围有建筑物相比无建筑物时，塔的换热性能略有提高。

图12 通风量随环境风速变化

图13 换热量随环境风速变化

当环境风速为12 m/s时，不同方案换热量比较如表4所示。该风速下塔周围无建筑物时，圆环布置方案相比铁三角布置方案塔的通风量虽然增加，使得迎风区和侧风区换热量均增加，但由于背风区通风量较小，换热量减小幅度较大，故塔的换热量仍下降，塔的换热性能也下降。该风速下塔周围有建筑物时，圆环布置方案相比铁三角布置方案，塔的换热性能变化也是如此。当环境风速超过12 m/s后，圆环布置方案相比铁三角布置方案，背风区“穿堂风”量增加，故塔的换热性能有所改善。

表4 12 m/s不同方案换热量比较 MW

4 改善性能分析

为了更完整地描述圆环布置方案相比铁三角布置方案的改善效果，引入通风量改善度M和换热量改善度Q。

M定义为：圆环布置方案的通风量Mcir与铁三角布置方案的通风量Mtrad之差与铁三角布置方案的通风量Mtrad之比；Q定义为：圆环布置方案的换热量Qcir与铁三角布置方案的换热量Qtrad之差与铁三角布置方案的换热量Qtrad之比。即：

(3)

(4)

有无建筑物时圆环布置方案相比铁三角布置方案通风量和换热量的改善度M和Q随环境风速的变化，如图14所示。

图14 M和Q随环境风速变化

塔周围无建筑物时，M和Q分别在20 m/s和15 m/s时最大，分别约为7.52%和3.28%；塔周围有建筑物时，M和Q均在15 m/s时最大，分别约为3.97%和3.92%；塔周围有无建筑物时，M和Q在无环境风时均约为0，则说明圆环布置方案在该风速下对其换热性能几乎无影响。Kong等[16]对两个相邻铁三角之间的夹角进行了研究，当两个相邻铁三角之间的夹角为180°时，该布置方案在约8 m/s到14 m/s范围内时，其换热性能不如相邻铁三角之间夹角为60°时的布置方案。该圆环布置方案一定程度上是相邻两个铁三角夹角为180°的特殊情况，但又与相邻两个铁三角夹角为180°的铁三角布置方案略有不同。Q在8 m/s和12 m/s时均小于0，则说明圆环布置方案在该风速下换热性能不如铁三角布置方案，该结果较好地吻合了Kong等[16]的结果。

5 结论

(1)铁三角和圆环布置方案出现“穿堂风”时对应的环境风速均为8 m/s；相同条件下，圆环布置方案迎风区和侧风区的换热性能高于铁三角布置方案；塔周围有建筑物相比无建筑物时，塔的换热性能略增加。

(2)随着环境风速的增加，铁三角和圆环布置方案间冷塔换热性能均先下降后提高，均在12 m/s处为最小值。当环境风速为8 m/s和12 m/s时，铁三角布置方案间冷塔换热性能优于圆环布置方案；其它环境风速下圆环布置方案间冷塔换热性能优于铁三角布置方案。

(3)塔周围无建筑物时，圆环布置方案相比铁三角布置方案M和Q分别在20 m/s和15 m/s时最大，分别约为7.52%和3.28%。塔周围有建筑物时，M和Q均在15 m/s时最大，分别约为3.97%和3.92%。