1. 引言
我国人均淡水资源较为缺乏,仅为世界平均水平的四分之一。而我国的火力发电站的用水量极大,严重影响居民生活用水。电站湿冷系统虽然散热效率高,但用水量也极高,是同规模空冷系统的3~5倍 [1]。所以采用空冷系统可以极大缓解当地用水紧张的情况。
国内外学者对空冷系统进行了大量研究。林闽城等 [2] 对空冷塔进行了数值模拟,研究了不同风速下空冷塔的通风量和散热量,结果发现:无风时空冷塔的通风量和散热量最大。Al-Waked等 [3] 对某285 MW机组空冷塔进行数值模拟,结果发现:当风速为10 m/s时,换热量比无风时降低了15%。张艾萍等 [4] 研究了挡风墙对空冷系统冷却性能的改善效果。王鉴 [5] 对机械通风空冷系统进行了数值模拟,研究其冷却性能随风速的变化情况。李金刚等 [6] 分析了间接空冷系统发生冻结的原因,并提出了改进方案和相关注意事项。
现有一660 MW机组的湿冷系统改造为空冷系统的方案,由于湿冷塔内空间较小,布置的空冷散热器无法满足冷却水所需的换热量,所以在空冷塔四周布置额外的机力通风冷却塔(下称机力塔)以补充换热面积。本文对机力塔进行数值模拟,研究环境风对其冷却性能的影响,为今后研究及应用提供参考依据。
2. 计算模型
2.1. 几何模型和网格
某型机力塔的设计参数如表1所示。该机力塔单侧进风,在进风口垂直布置4个冷却三角,在顶部出风口处水平布置了轴流式引风机,机力塔的三维模型如图1所示。整个计算域的长、宽、高分别为225 m、100 m、100 m。采用四面体非结构网格,网格数量为150万。风向用风向角来表示,西风的风向角为0˚,北风的风向角为90˚,其示意图如图2所示。
Table 1. Mechanical tower design parameters
表1. 机力塔设计参数
Figure 1. Three-dimensional model of mechanical tower
图1. 机力塔三维模型
Figure 2. Schematic diagram of wind direction angle
图2. 风向角示意图
2.2. 数值模型
计算域内的空气流动认为是不可压缩的定常流动,且涉及到热量交换,所以其满足的方程包含连续性方程、动量方程以及能量方程,如式(1)~(3)所示:
连续性方程:
(1)
动量方程:
(2)
能量方程:
(3)
式中:
——空气密度,kg/m3;t——时间,s;
——速度矢量,m/s;p——压力,Pa;
——动力粘度;
——单位质量力,m/s2;e——单位质量流体的内能,J/kg;
——应力张量,Pa。
计算时考虑重力的影响,空气物性采用不可压缩理想气体;湍流模型采用标准k-ε模型;采用radiator边界条件模拟散热器的换热及阻力特性;采用fan边界条件模拟风机的性能;其余各面均为wall边界条件。
3. 数值模拟结果分析
3.1. 环境风速对机力塔换热功率的影响
当环境温度为15.5℃时,机力塔换热功率随风速的变化曲线如图3所示,机力塔换热功率随风速的增大而增大,当风速为16 m/s时,机力塔的换热功率比无风时增大了28.0%。
Figure 3. Curves of heat transfer power of timing force tower with wind direction Angle of 0˚ changing with wind speed
图3. 风向角为0˚时机力塔换热功率随风速的变化曲线
图4是风向角为0˚时不同风速下z = 0截面(沿宽度方向的对称面)的速度矢量图,当风速为0时,机力塔迎面风速较低,出口气流无偏斜,随着风速增大,机力塔迎面风速也增大,受来流的影响,气流在机力塔出口处受到的阻力随着风速的增大而增大,所以出口气流的偏斜角度也随之增大。
(a) 0 m/s (b) 8 m/s (c) 16 m/s
Figure 4. Velocity vector diagram of section z = 0 when wind direction angle is 0˚
图4. 风向角为0˚时z = 0截面的速度矢量图
3.2. 环境风向对机力塔换热功率的影响
各风速下机力塔换热功率随风向角的变化如图5所示,当风速为0时,不同风向角下机力塔换热功率基本相等;当风速为8 m/s时,机力塔的换热功率随风向角增大而降低,风向角由0˚增大到90˚时,机力塔的换热功率降低了37.4%;当风速为16 m/s时,机力塔的换热功率随风向角增大而降低,且降幅更大,风向角由0˚增大到90˚时,机力塔的换热功率降低了54.3%。
Figure 5. Curve of wind direction angle of heat transfer power
图5. 换热功率随风向角的变化曲线
风速为8 m/s时,不同风向角在y = 25 m截面(散热器二分之一高处)的速度矢量图和压力云图如图6和图7所示,随着风向角增大,风向与机力塔迎风面的夹角越来越小,使得空气越来越难以进入机力塔;此外,当风向角增大到60˚时,空气在遇到机力塔壁后,在最北侧的散热器附近产生了绕流区,且风向角越大,影响的散热器数量越多;如图7(c)和图7(d)所示,绕流区的压力随风向角的增大而降低,从而使得散热器空气进出口的压差越来越小,由于机力塔的进风靠风机的抽吸力和散热器两侧的压差共同作用,所以随着散热器两侧的压差越来越小,机力塔的进风量也越来越小,机力塔的换热功率也随之降低;当风向角大于60˚时,机力塔内形成了明显的涡,使空气在塔内的流动阻力增大。
当风向角为0˚时,最北侧散热器的换热功率占机力塔总换热功率的25%,而当风向角增大到90˚时,最北侧散热器的换热功率仅占总换热功率的6%。风向角增大使得最北侧散热器冷却性能恶化严重。
(a) 0˚ (b) 30˚ (c) 60˚ (d) 90˚
Figure 6. Velocity vector diagram of different wind direction angles at the section y = 25 m when wind speed was 8 m/s
图6. 风速为8 m/s时不同风向角在y = 25 m截面的速度矢量图
(a) 0˚ (b) 30˚ (c) 60˚ (d) 90˚
Figure 7. Stress nephogram of different wind direction angles at the section y = 25 m when wind speed was 8 m/s
图7. 风速为8 m/s时不同风向角在y = 25 m截面的压力云图
4. 结论
对不同风速及风向角下的机力塔进行数值模拟得出以下结论:
1) 当风向角0˚,时机力塔的换热功率随风速的增大而增大,风速为16 m/s时比无风时,机力塔的换热功率增大了28.0%;
2) 当风速为0时,机力塔的换热功率随风向角的增大无明显变化;
3) 当风速为8 m/s和16 m/s时,风向角由0˚增大到90˚,机力塔的换热功率呈减小趋势,分别减小了37.4%和54.3%。