自然通风冷却塔变工况下防冻的数值优化设计
李永华，刘娟
（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）
数，论文建立了600MW机组自然通风逆流湿式冷却塔的传热传质模型，利用FLUENT软件模 摘要：为了找到我国北方冬季冷却塔交工况运行时防止塔内结冰的最佳格风板悬挂层拟并分析了在循环水量不同的工况下，未加装档风板以及加装不同层数挡风板时塔内最低水滴温度的变化规律.结果表明：（1）随着挡风板层数的增加，塔内不同特征面上最低水滴温度均升高，填料层下平面空气温度梯度逐渐变小，降低了塔内结冰的可能性；（2）在环境温度为时，防止塔内结冰的最佳格风板层数分别为5层、3层、3层和1层，这不仅对火电机组的节能降耗具有一定的实际意义，也为指风板的优化设计提供了理论依据.
关键词：冷却塔；数值模拟：热力特性；防结冰：挡风板
中图分类号：TK264文献标志码：A文章编号：1009-3230（2015）08-0024-06
Numerical OptimizationDesign onNaturalDraftCoolingTower Anti-icingat Off-designOperatingConditions
LI Yong hua LIU Juan(School of Energy Power and Mechanical Engineering North China Electric Power University Baoding 071003 Heibei Province China)
Abstract: In order to find the optimal layers of windshield boards at off design operating conditions ofcooling tower in winter in the north of China. A heat and mass transfer model of a natural draft counterflow wet coling tower for a 600 MW themal power unit is established. By using the FLUENTsoftware the changing regularity of the minimum water droplets temperatures in the coling tower with no windshield boards installed and with diferent layers of windshield boards installed under differentcirculating water mass flow rate conditions is simulated. The results indicate that: (1) with theincreasing layer of windshield boards the lowest water droplets temperatures at different characteristicthus reducing the icing probability. (2) when the circulating water mass flow rales are 9 011 kg/s planes will ll increase and the air temperature gradient at the bottom surface of fill zone bees little 11 830 kg/s 13 863 kg/s and 17 329 kg/s respectively at the armbient temperature of 253. 15 K and thecrosswind velocity of 7 m/s the optimal layers of windshield boards to avoid water freezing in the towerare 5 layers 3 layers 3 layers and 1 layer which has some practical significance to the energy saving of thermal power units and provides theoretical evidence for optimum design of windshield boards.
Key words; Cooling tower; Numerical simulation; Themodynamic properties; Anti icing; Wind-shield board
用，它的主要作用是冷却循环水.由于我国北方地区冬季温度较低，风速较高，冷却塔在运行时会出现结冰现象，造成冷却塔内部设施损坏，影响冷
0引言
自然通风逆流湿式冷却塔在火电厂中广泛应
万方数据
却塔的安全运行1.结冰的主要原因是：冷却塔流模型，在输运方程中考虑了浮力项，控制微分方制方程的对流项采用二阶迎风离散格式，流场的计算采用典型的SIMPLE算法，Fluent求解器采用分离隐式.
塔筒内壁下缘处经常淋不到热水，从填料中溅出程的离散化采用有限差分法中的控制容积法，控的水沿塔简内壁流到这些部位，与进塔的冷空气换热，当水滴温度降到冰点以下时，在填料层下平面、进风口上沿面和基环面等处出现结冰现象²-，目前，在冷却塔的进风口处加装挡风板是防止塔内结冰的常见方式（1.
1.1连续相控制方程
在喷淋区和雨区，湿空气为连续相，湿空气的流动采用欧拉法求解，通用控制方程如下“：
在电厂实际运行时，冷却塔的运行状况受环境条件、机组负荷以及据环冷却水量等因素的影响面长期处于变工况运行状态”，由于不能很好地根据工况的变化面及时调整挡风板的数量，常会过量悬挂挡风板，使得循环水温度高于经济温度，造成机组真空和机组经济性降低（.考虑到在影响冷却塔变工况特性的因素中，循环冷却水量对出塔水温的影响较为明显-)，因此，文中主要研究当循环冷却水量不同时，填料层下面、进风口上沿面和基环面上的最低水滴温度的变化规律，进一步模拟加装不同层数挡风板后塔内空气温度场和最低水滴温度的变化规律，进面找到循环冷却水量不同时防止塔内结冰的最佳挡风板层数，这对火电机组节能降耗具有一定的实际意义.
(1)
式中：p为湿空气密度，kg/m²；μ为速度矢量，m/s：为通用变量，分别表示温度，K、流动能，m/、瑞流扩散率，m²/、水蒸气体积浓度，m/m以及x、y、方向的速度分量，m/s；r.为广义扩散系数；S.为广义扩散源项.
1.2离散相控制方程
在喷淋区和雨区，采用拉格朗日法计算水滴的轨迹，并通过相间耦合计算水滴与空气之间的热质交换.水滴的温度变化关系式如下：
m c△T =hA（T-T.）h_A（C -C）hu (2)
式中：T、T.、A.、m，分别为控制单元内气相干球温度，K、水滴温度，K、水滴表面积，m和水滴流量，kg/s；c.为控制单元内水滴的平均比热容，J/（kgK）；4T.为控制单元内水滴温度变化量，K；C.为含1kg干空气的湿空气中水滴表面所含水燕汽的质量；C.为含1kg干空气的湿空气中所含水蒸汽的质量：A为传质系数，kg/（m²s）：h为传热系数，W/（m'K）；h为淋水蒸发潜热，J/kg
1数值模拟方法
自然通风逆流湿式冷却塔中水和空气的热交换方式是：流过水表面的冷空气与水直接接触，通过接触散热和蒸发散热，把水中的热量传给空气.冷却塔内循环冷却水在不同的区城流态也不相同，在喷淋区和雨区为液滴状，面在填料区多为液膜的形式.针对冷却塔内介质的流动特性，在喷之间的相互作用-²].填料区由于分布致密、采用外接自定义函数求解，选用标准k-e猫125m，基环外侧直径106.42m，塔盆直径
淋区和雨区，采用离散相模型来模拟水滴和空气1.3边界条件
以北方某电厂600MW机组的自然通风逆流水膜流动复杂，其对气水流场的影响被当做源项湿式冷却塔为例，其几何边界条件如下：塔高
96.42m，塔出口直径57.01m，碳部直径52.2m，填料厚度1m，进风口高度8m.计算区域为高度为500m、直径为500m的圆柱体.
使用Gambit软件生成冷却塔的几何模型以及计算网格，由于不同区域的网格精度要求不同，塔内传热传质区域和进风口区域网格划分得较密集，塔筒区域和塔外环境区域网格则相对稀疏.经过网格无关性验证后，确定网格总数约为96万个.
当有环境侧风时，进口为速度边界条件，出口为压力边界条件，地面、塔壳壁面和挡风板为无滑移壁面边界条件.计算中考虑重力和浮力的影响，离散相边界条件在基环面、收水器、计算区城进出口等边界均为逃逸，在冷却塔壳壁面为反射.计算边界示意图如图1所示.
图1计算边界示意图
2计算结果分析
对进塔水温为300.07K，空气干球温度为253.15K，横向风速为7m/s的工况进行模拟，模拟计算的结果如下：
2.1未加装挡风板时仅循环水量变化对塔内最
低水滴温度的影响
参考北方某电厂600MW机组的自然通风递流湿式冷却塔冬季实际运行时的循环冷却水量，选取循环冷却水质量流量分别为9011、11830、
13863和17329kg/s的四个工况点进行模拟计算，得到循环冷却水质量流量与填料下面、进风口上沿面和基环面三个特征面上最低水滴温度的关系见表1和如图2所示.
表1循环水量不同时三个特征面上的最低水演温度
循环水质量流量填料下面最低水上沿面最低水基环面最低水/（kg.) 1106 澳温度/K 258.13 滴温度/K 256.30 清温度/K 254.1311 830 897 260.83 257.6313 863 268.07 264.90 260. 276.09 272.25 266. 94
图2插环水质量流量与特征面上最低 水演温度的关系
由表1和图2可知，随着循环冷却水质量流量的增加，填料下面、进风口上沿面和基环面上的最低水滴温度均升高.原因是当循环水质量流量增加时，单位体积控制体内水滴数量增加导致气水比降低，与单位表面积水滴接触的冷空气量减少，传热传质减弱，特征面上的最低水滴温度升高.
2.2加装不同层数挡风板对塔内空气温度场的 影响规律
在进风口处加装挡风板，可以减少进塔的空气量以及循环水和空气之间的换热量，从面提高塔内温度，防止结冰.加装挡风板后进风口的布置如下：每层挡风板高1.33m，将进风口平均分
为6层，从上到下按层数依次加装挡风板，将第6层留作进风，不悬挂挡风板.
平面空气温度梯度很大，温度分布不均导致循环水和空气之间换热不均，从而导致塔内最低水滴温度偏低.加装挡风板以后，随着挡风板层数的增加，填料层下平面空气温度梯度逐渐变小，空气温度分布均匀性得到改善，降低了塔内结冰的可能性.
以循环水质量流量为11830kg/s工况为例，未加装挡风板和加装不同层数挡风板后填料下面空气温度场如图3所示.
从图3可以看出，未加装挡风板时填料层下
图3填料下面空气温度场
2.3循环水量和挡风板层数对塔内最低水滴温数，选取循环水质量流量分别为9011、11830、 度的影响规律
13863和17329kg/s的工况进行模拟计算，得到为了防止冷却塔结冰而悬挂过多层数的挡风挡风板层数和填料下面、进风口上沿面和基环面
板会导致出塔水温升高，降低机组的热经济性.三个特征面上最低水滴湿度的关系见表2.为了找到循环水量不同时加装挡风板的最佳层
疆环水质量流量不网时挡风板层数与特征面最低水滴温度的关系
表2
循环水质量说量/（kg-） 1106 11 830 13 863 65 41挡风板层数/层 .45.2，.2，.，填料下面景低水滴湿度/K258.13280.45283.01263.48278.38281.61268.07282.06285.30 276.09282.90上沿面最低水满疆度/K256.30278.13281.30260.83276.09279.03264.90279.76282.85272.25281.82基环面最低水滴疆度/K254.13271.35274.89257.63270.69275.10260.94272.63277.21266.94275.65
9011kg/s未加装挡风板时，填料下面、进风口上板后，三个特征平面上最低水滴温度均大于沿面和基环面处最低水滴温度均小于273.15K.说明此时三个特征平面上水滴均已产生结冰现时，在进风口处悬挂3层挡风板刚好可以防止塔象，在进风口处悬挂4层挡风板后，基环面处最低水滴温度为271.35K，仍然无法防止基环面处水滴结冰，在进风口处悬挂5层挡风板后，三个特征平面上最低水滴温度均升高到273.15K以上，说明当循环水质量流量为9011kg/s时，在进风口处悬挂5层挡风板刚好可以防正塔内结冰.（2）当循环水质量流量为11830kg/s未加装挡风板时，填料下面、进风口上沿面和基环面处均已产生结冰现象，在进风口处悬挂2层挡风板后，基环面处最低水滴温度为270.69K，仍然无法防止基环面处水滴结冰，在进风口处悬挂3层挡风板后，三个特征平面上最低水滴温度均升高到273.15K以上，说明当循环水质量流量为11830kg/s时，在进风口处悬挂3层挡风板刚好可以防止塔内结挡风板时，填料下面、进风口上沿面和基环面处均已产生结冰现象，在进风口处悬挂2层挡风板后，加装挡风板和加装挡风板后的热力过程进行了数基环面处最低水滴温度为272.63K，仍然无法防值模拟，计算了不同循环水质量流量对应的防止
从表2可以看出：（1）当循环水质量流量为止基环面处水滴结冰，在进风口处悬挂3层挡风273.15K，说明当循环水质量流量为13863kg/s内结冰.（3）当循环水质量流量为17329kg/s未加装挡风板时，进风口上沿面和基环面处产生结冰现象，在进风口处悬挂1层挡风板后，三个特征平面上最低水滴蕴度均大于273.15K，说明当循环水质量流量为17329kg/s时.在进风口处悬挂1层挡风板刚好可以防正塔内结冰.
由此可见，填料下面、进风口上沿面和基环面三个特征平面上最低水滴温度随挡风板层数的增加面升高.在环境温度为253.15K，7m/s的横向风速下，当循环冷却水质量流量分别为9011、11830、13863和17329kg/s时，防止冷却塔内结冰的最佳挡风板层数分别为5层、3层、3层和1层.防止塔内出现结冰现象的最佳挡风板悬挂层数随循环冷却水质量流量的增加而减少.
冰.（3)当循环水质量流量为13863kg/s未加装3结束语
文中对600MW自然通风逆流湿式冷却塔未
