基于控風(fēng)和導(dǎo)流機(jī)理的濕式冷卻塔內(nèi)部空氣動(dòng)力場的優(yōu)化與重構(gòu).pdf

1、自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔是目前我國電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛的冷卻塔型式，其冷卻性能的好壞直接影響電站機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。冷卻塔性能會(huì)受到本體結(jié)構(gòu)、環(huán)境參數(shù)和循環(huán)水參數(shù)等諸多因素的影響。其中，環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻性能的影響日益受到人們的重視，并提出了十字隔墻和導(dǎo)風(fēng)板等控風(fēng)措施，但對(duì)環(huán)境側(cè)風(fēng)以及控風(fēng)措施的影響機(jī)理并未作出系統(tǒng)化地理論研究。此外，對(duì)于規(guī)模日益龐大的超大型冷卻塔來說，即使在無風(fēng)條件下，塔內(nèi)的氣水參數(shù)分布也變得極不均勻，目前通過調(diào)整塔內(nèi)淋水密度

2、和填料厚度分布的做法并未明顯改善冷卻性能，因此有必要研究塔內(nèi)氣水參數(shù)分布與冷卻性能的關(guān)系，并提出合理有效的優(yōu)化措施。
　　 鑒于此，本文從熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)、正交統(tǒng)計(jì)分析、三維數(shù)值計(jì)算和空氣動(dòng)力場優(yōu)化理論分析等幾個(gè)方面著手，研究了變工況下環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔熱力性能的影響規(guī)律以及十字隔墻和導(dǎo)風(fēng)板等控風(fēng)措施對(duì)冷卻性能的作用機(jī)理，還研究了無風(fēng)工況下塔內(nèi)空氣動(dòng)力場的分布規(guī)律并提出了優(yōu)化和重構(gòu)塔內(nèi)空氣動(dòng)力場的有效措施。進(jìn)行的主要工作如下:

3、　　 (1)完善現(xiàn)有的自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)。采用雙層中空隔熱隔音玻璃將模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)隔離成一個(gè)小型密閉空間，增設(shè)空調(diào)系統(tǒng)和加濕除濕裝置，聯(lián)合已有的環(huán)境側(cè)風(fēng)模擬風(fēng)機(jī)，把原來的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架改造成為可變循環(huán)水參數(shù)、可變環(huán)境側(cè)風(fēng)速度、可變空氣熱物性的全功能冷卻塔熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，形成一個(gè)空氣溫度、濕度及側(cè)風(fēng)可控的環(huán)境模擬系統(tǒng)，可以降低環(huán)境參數(shù)波動(dòng)所造成的實(shí)驗(yàn)誤差，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的縱向和橫向可比性，還可以用來研究環(huán)境參數(shù)變化對(duì)冷卻塔性能的影

4、響。
　　 (2)首次設(shè)計(jì)了熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)中的冷卻塔通風(fēng)量直接測量系統(tǒng)。在模型塔出風(fēng)口安裝通風(fēng)管道，將出塔濕空氣直接引至室外，在通風(fēng)管道上安裝精密皮托管測量空氣流速，進(jìn)而求得通風(fēng)量。對(duì)通風(fēng)管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算以使阻力最小，并在通風(fēng)管道出口設(shè)置引風(fēng)機(jī)來補(bǔ)償抽力以抵消安裝通風(fēng)管道所引起的附加阻力，補(bǔ)償值由模型塔出風(fēng)口的壓力反饋來確定。該系統(tǒng)可以直接測得冷卻塔實(shí)際通風(fēng)量，以研究環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔通風(fēng)性能的影響。
　　 (3)為了將

5、前人的研究和本文所做的工作系統(tǒng)化，提出了濕式冷卻塔的最優(yōu)空氣動(dòng)力場理論:在通風(fēng)量一定的條件下，當(dāng)冷卻塔內(nèi)部各有效換熱橫截面上的空氣速度場、溫度場和濕度場處處一致時(shí)，氣水之間的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力處處相同，氣水換熱強(qiáng)度均勻分布，冷卻塔的整體冷卻性能最佳，定義此時(shí)冷卻塔內(nèi)部的空氣速度場、溫度場和濕度場分布為濕式冷卻塔的最優(yōu)空氣動(dòng)力場。任何趨近最優(yōu)空氣動(dòng)力場的措施均可以提高冷卻塔性能。
　　 (4)基于濕式冷卻塔熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了不同環(huán)

6、境溫度、循環(huán)水量和進(jìn)塔水溫下環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔熱力性能的影響規(guī)律，結(jié)論如下:存在臨界側(cè)風(fēng)速度vcr對(duì)應(yīng)于側(cè)風(fēng)下冷卻性能的極小值，即當(dāng)側(cè)風(fēng)速度vc＜vcr時(shí)，冷卻性能逐漸降低;而當(dāng)vc≥vcr時(shí)，冷卻性能又會(huì)逐漸提高。定義了側(cè)風(fēng)弗勞德數(shù)Frc=vc/√△ρgHe/ρ0，本文實(shí)驗(yàn)滿足Frc相似。若要保持相同的冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)，側(cè)風(fēng)速度vc應(yīng)該與抽力相關(guān)項(xiàng)√△ρgHe/ρ0同比變化。當(dāng)環(huán)境溫度降低、循環(huán)水量和進(jìn)塔水溫增大時(shí)，冷卻塔抽力均會(huì)提高，臨

7、界側(cè)風(fēng)速度隨之增大。廣義上來說，環(huán)境參數(shù)、循環(huán)水參數(shù)和冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)均可使臨界側(cè)風(fēng)速度發(fā)生變化。將側(cè)風(fēng)速度vc無量綱化為vc與填料上部氣流速度vf之比vc/vf，記為無量綱側(cè)風(fēng)速度Vc。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Vcr=4，即已知vf，便可求得vcr。
　　 (5)通過冷卻塔周向進(jìn)風(fēng)速度測試、進(jìn)風(fēng)均勻性分析以及計(jì)算和實(shí)測通風(fēng)量的對(duì)比分析研究了環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔空氣動(dòng)力場的影響規(guī)律，結(jié)論如下:定義了進(jìn)風(fēng)均勻系數(shù)Cu,v以定量描述冷卻塔周向進(jìn)風(fēng)均勻

8、性，表征塔內(nèi)空氣動(dòng)力場周向分布的好壞。當(dāng)通風(fēng)量一定時(shí)，Cu,v越大則塔內(nèi)空氣動(dòng)力場越均衡，傳熱傳質(zhì)越均勻，整體冷卻性能越好;反之，Cu,v越小則塔內(nèi)空氣動(dòng)力場差異越大，冷卻效率就越低。對(duì)實(shí)驗(yàn)通風(fēng)量Ge與計(jì)算通風(fēng)量G進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)vc＜vcr時(shí)，無風(fēng)時(shí)的中心軸對(duì)稱空氣動(dòng)力場遭到破壞，冷卻塔進(jìn)風(fēng)均勻性變差，Cu,v減小，此時(shí)進(jìn)風(fēng)口無空氣出流現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)通風(fēng)量Ge和計(jì)算通風(fēng)量G差別不大，均呈減小趨勢;而當(dāng)vc≥vcr時(shí)，進(jìn)風(fēng)均勻性進(jìn)一步降低，

9、背風(fēng)面出現(xiàn)穿堂風(fēng)，實(shí)驗(yàn)通風(fēng)量Ge繼續(xù)降低，而由于穿堂風(fēng)對(duì)雨區(qū)有較好的冷卻效果，被折算為計(jì)算通風(fēng)量G的一部分，使得G有所恢復(fù)，這表明在高速側(cè)風(fēng)下，穿堂風(fēng)可以提高冷卻塔的性能。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，側(cè)風(fēng)下冷卻效率相對(duì)值η/η0普遍小于計(jì)算通風(fēng)量相對(duì)值G/G0，這說明外界側(cè)風(fēng)不但降低了通風(fēng)量，而且破壞了塔內(nèi)中心軸對(duì)稱的空氣動(dòng)力場，二者共同作用導(dǎo)致冷卻性能惡化。
　　 (6)研究了十字隔墻和導(dǎo)風(fēng)板兩種控風(fēng)措施對(duì)冷卻塔熱力性能的影響并分析了其作用

10、機(jī)理，結(jié)論如下:在雨區(qū)安裝十字隔墻可以優(yōu)化塔內(nèi)空氣動(dòng)力場，提高通風(fēng)量，從而有效改善冷卻塔的熱力性能，具體效果取決于側(cè)風(fēng)大小、十字隔墻形狀以及安裝角度。在低風(fēng)速下，實(shí)型和孔隙十字隔墻均可改善冷卻性能;高風(fēng)速下，孔隙十字隔墻效果更好。在所研究風(fēng)速范圍內(nèi)，無論是實(shí)型還是孔隙十字隔墻，α=0°時(shí)的效果均好于α=45°;在風(fēng)速較高時(shí)，α=45°十字隔墻甚至?xí)档屠鋮s塔的性能。在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口周向上安裝導(dǎo)風(fēng)板，可以有效提高進(jìn)風(fēng)均勻性和通風(fēng)量。進(jìn)風(fēng)均勻

11、系數(shù)隨導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量的增加而單調(diào)增大，冷卻性能增強(qiáng);而當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量增加到一定程度時(shí)，進(jìn)風(fēng)阻力迅速增大，通風(fēng)量減少，因此，導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量存在一個(gè)最佳值Nb, opt=36，使得冷卻塔通風(fēng)量較大，進(jìn)風(fēng)以及換熱均勻性也較好，冷卻性能最佳。在十字隔墻和導(dǎo)風(fēng)板耦合作用下，可以有效提高通風(fēng)量并增強(qiáng)周向進(jìn)風(fēng)均勻性，進(jìn)一步提升冷卻性能。
　　 (7)針對(duì)冷卻塔內(nèi)部空氣速度場、溫度場和濕度場分布不均的問題，提出了雨區(qū)合理配風(fēng)的思想，并通過安裝導(dǎo)風(fēng)管來重新

12、構(gòu)建塔內(nèi)空氣動(dòng)力場，提高冷卻塔整體換熱性能?；跓釕B(tài)模型實(shí)驗(yàn)，研究了導(dǎo)風(fēng)管的不同布置方式（截面形狀、截面積、長度、數(shù)量等）對(duì)冷卻塔熱力性能的影響規(guī)律并分析了其作用機(jī)理，結(jié)論如下:定義了氣溫均勻系數(shù)Cu,θ以定量描述冷卻塔內(nèi)部空氣溫度場的均勻性，可以作為塔內(nèi)空氣動(dòng)力場好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)通風(fēng)量一定時(shí)，Cu,θ越大，整體冷卻性能越好。安裝導(dǎo)風(fēng)管之后，中心區(qū)域氣溫顯著降低，外圍氣溫略有升高，同一換熱截面上的徑向氣溫分布變得更加均勻，氣溫均勻系數(shù)

13、增大，冷卻塔性能提高。安裝導(dǎo)風(fēng)管前后冷卻效率的相對(duì)增加量普遍大于通風(fēng)量的相對(duì)增加量，這說明在安裝導(dǎo)風(fēng)管之后，冷卻塔性能的改善是通風(fēng)量和塔內(nèi)空氣動(dòng)力場共同作用的結(jié)果。對(duì)冷卻性能的改善效果由大到小分別為拱形導(dǎo)風(fēng)管(GG)、圓形導(dǎo)風(fēng)管(YG)、方形導(dǎo)風(fēng)管(FG）。導(dǎo)風(fēng)管對(duì)冷卻性能的改善效果取決于導(dǎo)風(fēng)管對(duì)中心弱換熱區(qū)換熱性能的強(qiáng)化與導(dǎo)風(fēng)管占用外圍雨區(qū)冷卻能力這兩方面因素的綜合作用。在一定的導(dǎo)風(fēng)管截面積Ag、長度Lg和數(shù)量Ng下，當(dāng)冷卻塔內(nèi)部氣水

14、參數(shù)分布趨于均勻一致，空氣動(dòng)力場達(dá)到最優(yōu)化時(shí)，冷卻塔的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，熱力性能最好，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工況為GG_A45_ L180_N8。還研究得出了對(duì)應(yīng)其他冷卻性能極大值的導(dǎo)風(fēng)管優(yōu)化布置方式，包括其他條件一定時(shí)的極值導(dǎo)風(fēng)管截面積Ag,opt長度Lg,opt和數(shù)量Ng,opt。當(dāng)導(dǎo)風(fēng)管的其他兩個(gè)參數(shù)增大時(shí)，其分別對(duì)應(yīng)的Ag,opt、Lg,opt和Ng,opt均有減小的趨勢。將導(dǎo)風(fēng)管尺寸參數(shù)無量綱化，便可將實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)用于實(shí)型塔中。導(dǎo)風(fēng)板

15、可以提高冷卻塔周向進(jìn)風(fēng)均勻性，而導(dǎo)風(fēng)管可以平衡塔內(nèi)徑向的空氣速度、溫度和濕度分布;二者分別通過優(yōu)化塔內(nèi)空氣動(dòng)力場的周向和徑向分布，重新構(gòu)建塔內(nèi)最優(yōu)空氣動(dòng)力場，提高整體冷卻性能。
　　 (8)對(duì)導(dǎo)風(fēng)管熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了正交化處理，并進(jìn)行了極差分析和方差分析，定量得出了導(dǎo)風(fēng)管截面積Ag、長度Lg、數(shù)量Ng以及側(cè)風(fēng)速度vc對(duì)冷卻塔性能參數(shù)的影響程度，結(jié)果顯示:vc對(duì)Cu,θ、G和η的影響最大，Ng和Ag次之，Lg最小。F顯著性檢驗(yàn)

16、的結(jié)果表明vc和Ag對(duì)η的影響特別顯著，Ng對(duì)η也有一定的影響，Lg則對(duì)η無顯著影響，但考慮到誤差中包含各因素交互作用的影響，所以實(shí)驗(yàn)測量誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)造成的影響較小，結(jié)果比較準(zhǔn)確。
　　 (9)建立了導(dǎo)風(fēng)管和導(dǎo)風(fēng)板耦合作用下的自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)和流場分析的三維數(shù)值計(jì)算模型，并基于某電廠冷卻塔的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明:傳熱傳質(zhì)區(qū)局部加密后網(wǎng)格數(shù)量為762318的網(wǎng)格系統(tǒng)基本可以消除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果

17、的影響，獲得網(wǎng)格無關(guān)解。出塔水溫計(jì)算值與實(shí)測值的最大偏差為0.15℃，為對(duì)應(yīng)工況下實(shí)測冷卻水溫降的1.58％，表明所建模型可以準(zhǔn)確模擬和預(yù)測實(shí)型塔的實(shí)際運(yùn)行。無風(fēng)時(shí)，冷卻塔中心和外圍區(qū)域的氣水比以及空氣溫度和濕度分布差異很大，空氣動(dòng)力場極不均衡，導(dǎo)致氣溫均勻系數(shù)較小，出塔水溫較高。安裝導(dǎo)風(fēng)管可以提高中心區(qū)域的氣水比，形成低溫低濕區(qū)，通風(fēng)量G和氣溫均勻系數(shù)Cu,θ均明顯提高，出塔水溫t2顯著降低。獲得了導(dǎo)風(fēng)管的最優(yōu)布置方式以及對(duì)應(yīng)于冷卻性

18、能極大值的極值參數(shù)Ag,opt、 Lg,opt和Ng,opt，無量綱化之后與熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完全一致。在進(jìn)風(fēng)口處安裝導(dǎo)風(fēng)板可以消除側(cè)風(fēng)下雨區(qū)側(cè)部導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)生成的旋渦，進(jìn)一步均衡塔內(nèi)氣水參數(shù)分布，優(yōu)化塔內(nèi)空氣動(dòng)力場，提高通風(fēng)量和氣溫均勻系數(shù)，降低出塔水溫。
　　 本文提出了冷卻塔最優(yōu)空氣動(dòng)力場理論，定義了進(jìn)風(fēng)均勻系數(shù)和氣溫均勻系數(shù)，二者可以作為冷卻塔內(nèi)部空氣動(dòng)力場好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo);初步形成了冷卻塔空氣動(dòng)力場重構(gòu)的理論和方法，獲得了導(dǎo)