基于控風和導流機理的濕式冷卻塔內(nèi)部空氣動力場的優(yōu)化與重構(gòu).pdf

1、自然通風逆流濕式冷卻塔是目前我國電力行業(yè)應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組的安全經(jīng)濟運行。冷卻塔性能會受到本體結(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)風對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風板等控風措施，但對環(huán)境側(cè)風以及控風措施的影響機理并未作出系統(tǒng)化地理論研究。此外，對于規(guī)模日益龐大的超大型冷卻塔來說，即使在無風條件下，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)模型實驗、正交統(tǒng)計分析、三維數(shù)值計算和空氣動力場優(yōu)化理論分析等幾個方面著手，研究了變工況下環(huán)境側(cè)風對冷卻塔熱力性能的影響規(guī)律以及十字隔墻和導風板等控風措施對冷卻性能的作用機理，還研究了無風工況下塔內(nèi)空氣動力場的分布規(guī)律并提出了優(yōu)化和重構(gòu)塔內(nèi)空氣動力場的有效措施。進行的主要工作如下:

3、　　 (1)完善現(xiàn)有的自然通風逆流濕式冷卻塔熱態(tài)模型實驗臺。采用雙層中空隔熱隔音玻璃將模型實驗臺隔離成一個小型密閉空間，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)風模擬風機，把原來的實驗臺架改造成為可變循環(huán)水參數(shù)、可變環(huán)境側(cè)風速度、可變空氣熱物性的全功能冷卻塔熱態(tài)模型實驗臺，形成一個空氣溫度、濕度及側(cè)風可控的環(huán)境模擬系統(tǒng)，可以降低環(huán)境參數(shù)波動所造成的實驗誤差，增強實驗結(jié)果的縱向和橫向可比性，還可以用來研究環(huán)境參數(shù)變化對冷卻塔性能的影

4、響。
　　 (2)首次設(shè)計了熱態(tài)模型實驗中的冷卻塔通風量直接測量系統(tǒng)。在模型塔出風口安裝通風管道，將出塔濕空氣直接引至室外，在通風管道上安裝精密皮托管測量空氣流速，進而求得通風量。對通風管道進行優(yōu)化設(shè)計計算以使阻力最小，并在通風管道出口設(shè)置引風機來補償抽力以抵消安裝通風管道所引起的附加阻力，補償值由模型塔出風口的壓力反饋來確定。該系統(tǒng)可以直接測得冷卻塔實際通風量，以研究環(huán)境側(cè)風對冷卻塔通風性能的影響。
　　 (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)空氣動力場理論:在通風量一定的條件下，當冷卻塔內(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，氣水之間的傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力處處相同，氣水換熱強度均勻分布，冷卻塔的整體冷卻性能最佳，定義此時冷卻塔內(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)空氣動力場。任何趨近最優(yōu)空氣動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)模型實驗臺，研究了不同環(huán)

6、境溫度、循環(huán)水量和進塔水溫下環(huán)境側(cè)風對冷卻塔熱力性能的影響規(guī)律，結(jié)論如下:存在臨界側(cè)風速度vcr對應于側(cè)風下冷卻性能的極小值，即當側(cè)風速度vc＜vcr時，冷卻性能逐漸降低;而當vc≥vcr時，冷卻性能又會逐漸提高。定義了側(cè)風弗勞德數(shù)Frc=vc/√△ρgHe/ρ0，本文實驗滿足Frc相似。若要保持相同的冷卻塔運行狀態(tài)，側(cè)風速度vc應該與抽力相關(guān)項√△ρgHe/ρ0同比變化。當環(huán)境溫度降低、循環(huán)水量和進塔水溫增大時，冷卻塔抽力均會提高，臨

7、界側(cè)風速度隨之增大。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)風速度發(fā)生變化。將側(cè)風速度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)風速度Vc。實驗結(jié)果顯示Vcr=4，即已知vf，便可求得vcr。
　　 (5)通過冷卻塔周向進風速度測試、進風均勻性分析以及計算和實測通風量的對比分析研究了環(huán)境側(cè)風對冷卻塔空氣動力場的影響規(guī)律，結(jié)論如下:定義了進風均勻系數(shù)Cu,v以定量描述冷卻塔周向進風均勻

8、性，表征塔內(nèi)空氣動力場周向分布的好壞。當通風量一定時，Cu,v越大則塔內(nèi)空氣動力場越均衡，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)空氣動力場差異越大，冷卻效率就越低。對實驗通風量Ge與計算通風量G進行比較發(fā)現(xiàn)，當vc＜vcr時，無風時的中心軸對稱空氣動力場遭到破壞，冷卻塔進風均勻性變差，Cu,v減小，此時進風口無空氣出流現(xiàn)象，實驗通風量Ge和計算通風量G差別不大，均呈減小趨勢;而當vc≥vcr時，進風均勻性進一步降低，

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

10、機理，結(jié)論如下:在雨區(qū)安裝十字隔墻可以優(yōu)化塔內(nèi)空氣動力場，提高通風量，從而有效改善冷卻塔的熱力性能，具體效果取決于側(cè)風大小、十字隔墻形狀以及安裝角度。在低風速下，實型和孔隙十字隔墻均可改善冷卻性能;高風速下，孔隙十字隔墻效果更好。在所研究風速范圍內(nèi)，無論是實型還是孔隙十字隔墻，α=0°時的效果均好于α=45°;在風速較高時，α=45°十字隔墻甚至會降低冷卻塔的性能。在冷卻塔進風口周向上安裝導風板，可以有效提高進風均勻性和通風量。進風均勻

11、系數(shù)隨導風板數(shù)量的增加而單調(diào)增大，冷卻性能增強;而當導風板數(shù)量增加到一定程度時，進風阻力迅速增大，通風量減少，因此，導風板數(shù)量存在一個最佳值Nb, opt=36，使得冷卻塔通風量較大，進風以及換熱均勻性也較好，冷卻性能最佳。在十字隔墻和導風板耦合作用下，可以有效提高通風量并增強周向進風均勻性，進一步提升冷卻性能。
　　 (7)針對冷卻塔內(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)合理配風的思想，并通過安裝導風管來重新

12、構(gòu)建塔內(nèi)空氣動力場，提高冷卻塔整體換熱性能?；跓釕B(tài)模型實驗，研究了導風管的不同布置方式（截面形狀、截面積、長度、數(shù)量等）對冷卻塔熱力性能的影響規(guī)律并分析了其作用機理，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)空氣動力場好壞的評價指標。當通風量一定時，Cu,θ越大，整體冷卻性能越好。安裝導風管之后，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。安裝導風管前后冷卻效率的相對增加量普遍大于通風量的相對增加量，這說明在安裝導風管之后，冷卻塔性能的改善是通風量和塔內(nèi)空氣動力場共同作用的結(jié)果。對冷卻性能的改善效果由大到小分別為拱形導風管(GG)、圓形導風管(YG)、方形導風管(FG）。導風管對冷卻性能的改善效果取決于導風管對中心弱換熱區(qū)換熱性能的強化與導風管占用外圍雨區(qū)冷卻能力這兩方面因素的綜合作用。在一定的導風管截面積Ag、長度Lg和數(shù)量Ng下，當冷卻塔內(nèi)部氣水

14、參數(shù)分布趨于均勻一致，空氣動力場達到最優(yōu)化時，冷卻塔的運行達到最佳狀態(tài)，熱力性能最好，此時所對應的最優(yōu)工況為GG_A45_ L180_N8。還研究得出了對應其他冷卻性能極大值的導風管優(yōu)化布置方式，包括其他條件一定時的極值導風管截面積Ag,opt長度Lg,opt和數(shù)量Ng,opt。當導風管的其他兩個參數(shù)增大時，其分別對應的Ag,opt、Lg,opt和Ng,opt均有減小的趨勢。將導風管尺寸參數(shù)無量綱化，便可將實驗結(jié)論應用于實型塔中。導風板

15、可以提高冷卻塔周向進風均勻性，而導風管可以平衡塔內(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)空氣動力場的周向和徑向分布，重新構(gòu)建塔內(nèi)最優(yōu)空氣動力場，提高整體冷卻性能。
　　 (8)對導風管熱態(tài)模型實驗數(shù)據(jù)進行了正交化處理，并進行了極差分析和方差分析，定量得出了導風管截面積Ag、長度Lg、數(shù)量Ng以及側(cè)風速度vc對冷卻塔性能參數(shù)的影響程度，結(jié)果顯示:vc對Cu,θ、G和η的影響最大，Ng和Ag次之，Lg最小。F顯著性檢驗

16、的結(jié)果表明vc和Ag對η的影響特別顯著，Ng對η也有一定的影響，Lg則對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，所以實驗測量誤差對實驗結(jié)果波動造成的影響較小，結(jié)果比較準確。
　　 (9)建立了導風管和導風板耦合作用下的自然通風逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)和流場分析的三維數(shù)值計算模型，并基于某電廠冷卻塔的實際運行數(shù)據(jù)進行了數(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)量對計算結(jié)果

17、的影響，獲得網(wǎng)格無關(guān)解。出塔水溫計算值與實測值的最大偏差為0.15℃，為對應工況下實測冷卻水溫降的1.58％，表明所建模型可以準確模擬和預測實型塔的實際運行。無風時，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，空氣動力場極不均衡，導致氣溫均勻系數(shù)較小，出塔水溫較高。安裝導風管可以提高中心區(qū)域的氣水比，形成低溫低濕區(qū)，通風量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。獲得了導風管的最優(yōu)布置方式以及對應于冷卻性

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)模型實驗的結(jié)果完全一致。在進風口處安裝導風板可以消除側(cè)風下雨區(qū)側(cè)部導風管內(nèi)生成的旋渦，進一步均衡塔內(nèi)氣水參數(shù)分布，優(yōu)化塔內(nèi)空氣動力場，提高通風量和氣溫均勻系數(shù)，降低出塔水溫。
　　 本文提出了冷卻塔最優(yōu)空氣動力場理論，定義了進風均勻系數(shù)和氣溫均勻系數(shù)，二者可以作為冷卻塔內(nèi)部空氣動力場好壞的評價指標;初步形成了冷卻塔空氣動力場重構(gòu)的理論和方法，獲得了導