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1、内置脱硫装置内置脱硫装置的的对对自然通风间接空冷塔自然通风间接空冷塔热力热力特性特性影响的影响的数值模拟数值模拟研究研究内置脱硫装置的间接空冷塔传热特性的数值模拟内置脱硫装置的间接空冷塔传热特性的数值模拟赵顺安 黄春花 张宏伟 （中国水利水电科学研究院，北京，100038）摘摘 要：要：环境风是影响自然通风间接空冷塔热力特性的重要因素，对于内置脱硫装置的自然通风间接空冷塔，环境风还影响其塔内烟气的扩散本文以某 2600MW 发电厂为例，应用本文基于计算流体软件FLUENTFluent 对其对某内置脱硫装置的间接空冷塔传热特性进行了建立了三维数值模拟。计算模型，分析研究了工况设定为 THA 运行
2、工况，外界风速分别设定为 0、2、4、6、8m/s，分析了相应不同自然风风速对其空冷塔传热特性以及对脱硫装置排放的烟气扩散的影响。计算结果表明，随自然风风速的力增大，其对冷却塔传热特性及脱硫装置排放的烟气扩散的影响显著增强，该结果对于掌握内置脱硫装置的自然通风间接空冷塔运行规律和提高空冷塔传热效率具有一定意义，可为其它工程设计提供参考和依据。 。本文的结果对掌握空冷塔运行规律和提高空冷塔传热效率具有一定意义。关键词：关键词： 空冷塔、 ；传热特性、 ；烟气扩散、 ；脱硫装置1 1、引、引 言言由于空冷系统节水效果显著，近年来在我国富煤贫水地区得到迅猛发展，机组容量越来越大。环境风是影响自然通风
3、间接空冷塔热力特性的重要因素，进而影响空冷系统的安全性和经济性；在散热器垂直布置在空冷塔外部的间接空冷系统中，为了充分利用其内部空旷的场地，脱硫装置将被放置于空冷塔内部，对于这样的空冷塔，自然风不仅仅影响其热力特性，还对塔内的烟气扩散产生影响。空冷系统发展的几十年以来，正在以其节水的优势逐步占领世界各地缺水地区的巨大市场。据我国“十二五”规划，在我国西部“富煤缺水”地区拟建的火电厂中，绝大部分均筹划采用空冷系统作为其循环水的冷却方式。空冷系统的大力推进和应用，带来了一系列的空冷性能的研究，其中传热性能是各项研究中一项重点目标。空冷塔的传热性能优劣对空冷系统的安全性和经济性都有重要影响。环境风影
4、响下的冷却塔气流运动为完全三维运动，模型网格比较复杂，完全靠编程来实现难度较大，目前的研究主要是以托商业软件 FLUENT 来完成，本文以某 2660MW 机组为例，在FLUENT 软件的基础上，通过建立换热器耦合换热模型、换热器耦合换热模型，并利用 FLUENT软件提供的二次接口来编写 UDF，在散热器垂直布置在空冷塔外部的间接空冷系统中，为了充分利用其内部空旷的场地，脱硫装置将被放置于空冷塔内部。本文以内置脱硫装置的间接空冷塔为例，在不同环境风速下，对空冷塔内气体流动进行三维数值模拟，研究分析了环境风对内置脱硫装置的自然通风间接空冷塔的其传热性能及塔内烟气扩散的影响。2 2、空冷塔的数学模
5、型、空冷塔的数学模型2.1 基本方程基本方程内置脱硫装置的自然通风间接空冷塔在机组负荷、气象条件及循环水量稳定运行时，塔内外空气流场可以按三维稳态计算。空气流场的通用控制方程可表示如下 : 假设流动为准稳态，空气为完全气体，流动马赫数较小，不考虑可压缩性，则传热控制方程如下：连续方程 0)(V(1)动量方程 (2) gpVV)()(能量方程 (3) htSTVh )(r空气状态方程 pRT（4） (4)湍动能方程 (5)k bk ktGGkVk )(湍动能耗散率方程 (6)kCGCGkCVbkt2211)( 式中：为密度，kg/m3；为速度矢量，m/s；为应力，Pa，V；为压强，Pa；为湍流粘
6、性系数，N/( m2s)；， IVVVT t32pt；为焓，kJ/kg；为空气温度，；为湍流 Prandtl 数；为能量方程源2kCthThS项；为气体常数；为湍动能；为湍动能耗散率；分别为由速度梯度和浮力引起的湍RkbkGG 、动能生成项；分别为和的湍流 Prandtl 数；模型常数分别取、kk、kCCC211.44、1.92、0.09、1.0、1.3；，其中分别为方向速度分量。 223C vuwthwvu、zyx、2.2 换热器耦合换热模型换热器耦合换热模型在空冷塔的进风口处，空气与循环水通过换热器进行热交换。空气流经换热器的能量交换与阻力损失按下式计算：(7)2Vp(8)dAThdQ式中
7、：为换热器压差损失，pa；，为空气经过换热器微元单位面积所获得的热量，pdQkJ；为流动方向换热器微元投影面积，；，为换热器阻力系数，为换热器换热系数dAhW/(m2K)；，为冷却循环水温度，。 。2.3 烟气扩散模型烟气扩散模型不考虑烟气的颗粒特性，烟气扩散可用以下浓度方程描述：(9)ctScDDVc式中：为烟气浓度，分别为分子和湍流质扩散系数，为湍流质扩散系数，ctDD、tt tScDtSc为源项。cS2.4 计算方法计算方法数值方法数值方法本文采用商业计算流体软件 FLUENT 进行三维数值模拟计算。冷却塔动量方程中，浮力是一项主要作用力，空气流动、传热与烟气扩散需耦合求解。离散方程的求
8、解采用分离变量法，速度与压力的解耦采用 SIMPLEC 算法。速度和温度场的离散格式采用高精度 QUICK 格式。进风口空气经过换热器与冷却循环水的耦合换热，利用 FLUENT 软件提供的二次接口，编写UDF 实现。换热器的阻力与换热特性采用多孔介质模型来模拟，在空气与循环冷却水的耦合换热分析中，采用对数温差进行计算，即：(10)mQhA T对于交叉流式换热器，平均温差按可按下式计算：(11)mmctfTT式中是将给定的冷热流体进出口温度布置成逆流式的对数平均温差，是小于 1 的修mctfT正系数。按下式计算：mctfT(12)maxminmaxminlnmctfTTTT T 2.5 边界条件
9、边界条件本文的计算域为 500m500m500m（xyz） 。地面和塔体取为壁面边界。无风时四周为压力进口，顶部为压力出口。考虑自然风的情况，来风向边界设置为速度进口，其余边界为压力出口。压力进口及速度进口的温度取环境气温值，烟气浓度取为 0。3 3、计算结果及分析、计算结果及分析3.1 基础资料及计算工况基础资料及计算工况本文是以某 2600MW 超临界燃煤空冷汽轮发电机组电厂为例，该电厂冷却系统采用表面式凝汽器间接空冷系统，空冷散热器垂直布置在自然通风塔外部，同时电厂的脱硫装置布置的塔内，布置见如图 1 所示。机组的运行工况主要有：THA 工况、TMCR 工况、TRL 工况及阻塞背压工况四
10、种，各工况的运行参数见表 1。本文主要介绍 THA 运行工况下，外界风速分别为0、2、4、6、8m/s 的条件下，空冷塔的热力传热特性及烟气扩散情况。图 1 内置脱硫装置的间接空冷塔布置示意图表表 1 各工况运行参数各工况运行参数序号项目名称THA 工况TMCR 工况TRL 工况阻塞背压工况1设计气温()14.513.53032循环冷却水流量(m3/h)697106971069710476003机组排热量(MW)827.38886.00940.20863.774主机背压(kPa)1212286.6（按 8 计算）5初始温差（ITD）()3029.734326循环水进塔水温()44.543.26
11、4357循环水出塔水温()33.832.151.618.68迎面风速(m/s)1.972.042.042.009空冷塔总抽力(Pa)9610010010310空冷塔总风量(m3/s)431214454144616438543.2 计算结果计算结果本文计算出 0、2、4、6、8m/s 五种外界风速条件下，内置脱硫装置的间接空冷的传热性能，风速值均指距离地面 10m 高度处的水平风速。取 10m 高度处的水平风速分别为0、2、4、6、8m/s，研究其对空冷塔热力性能及烟气在塔内扩散的影响，如入 2-6 所示分别为不同风速条件下流速矢量分布、压力等值线分布、温度分布及 SO2烟气扩散分布图 26 分
12、别为五种不同风速下的流速矢量图、压力等值线图、温度分布图及 SO2烟气扩散图。计算结果表明，当风速为 2m/s 左右时，冷却塔进风口处的周向速度、压力及温度分布基本均匀，自然风对空冷塔的传热性能无明显的影响。随着风速的增大，空冷塔进风口处的周向速度、压力及温度分布的不均匀性逐渐显现，风对空冷塔的传热性能的影响逐渐增大，冷却塔总通风量开始减小，相应的空气温升和出塔水温也随之升高，这种变化随风速的增大呈加速趋势。与无自然风情况相比，当风速为 4m/s 时，冷却塔总通风量减小 4.3%，循环水出塔水温升高 0.44，当风速为8m/s 时，冷却塔总通风量减小 23.8%，循环水出塔水温升高 3.3。循
13、环水出塔水温增幅与风速的关系见图 7。 自然风对塔内流场的影响同时也反映在塔内烟气的扩散程度上，无风条件下，高程 400m 以下范围内该烟气浓度值最大扩散半径小于 20m，在自然风作用下，烟气扩散范围显著变大，风速大于4m/s 时，在塔出口该浓度值范围已到达塔壁，而塔外 200m 高空以上该烟气浓度值扩散半径大于250m，超出了计算域范围。图 2 风速分别为 0、2、4、6、8m/s 时，流速矢量分布图图 3 风速分别为 0、2、4、6、8m/s 时，压力分布图图 4 风速分别为 0、2、4、6、8m/s 时，温度分布图图 2 无风时速度、压力、温度、SO2浓度分布图图 3 外界风速为 2m/
14、s 时，速度、压力、温度、SO2浓度分布图图 4 外界风速为 4m/s 时，速度、压力、温度、SO2浓度分布图图 5 外界风速为 6m/s 时，速度、压力、温度、SO2浓度分布图图 6 风速分别为 0、2、4、6、8m/s 时， 外界风速为 8m/s 时，速度、压力、温度、SO2浓度分布图2345678-0.50.00.51.01.52.02.53.03.5循环水出塔水温增幅（）10m高空风速（m/s）图 7 循环水出塔水温增幅随自然风的变化4.4. 结论结论通过建立内置脱硫装置的自然通风间接空冷塔的热力阻力计算模型、烟气扩散模型本文应用商用计算流体软件并与流体计算软件 FLUENT 结合， Fluent 对不同自然风影响下的内置脱硫装置的自然通风间接空冷塔的传热热力特性及其烟气扩散进行了三维数值模拟计算研究，通过编写 UDF 程序实现了对空气与循环冷却水的耦合流动与传热的数值求解，得出以下主要结论：（1）外界自然风对空冷塔的传热特性热力特性及塔内烟气扩散的影响随风力风速增大而显著增强。本项计算表明：，当风速为 2m/s 时对冷却塔流动换热无明显影响，之后但当风速超过 2m/s时，随风速增大，抽风量减小，循环冷却水出塔温度增高，塔内的烟气扩散半径增大。（2）分析自然风
