周蘭欣，趙笙簫

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

AP1000MW核電機(jī)組冷卻塔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的優(yōu)化和研究

周蘭欣，趙笙簫

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

利用計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)某AP1000MW核電機(jī)組的超大型冷卻塔進(jìn)行了數(shù)值模擬，據(jù)綜合計(jì)算，得出了冷卻塔的喉部高度與塔高之比，確定了冷卻塔喉部的上部曲率，并分析了喉部半徑與零米處的半徑之比。優(yōu)化冷卻塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少了對(duì)出塔水溫的影響。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)冷卻塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)為特定值時(shí)，可提高冷卻塔的性能。

核電； 超大型； 冷卻塔； 塔體； 結(jié)構(gòu)； 數(shù)值； 模擬； 計(jì)算

0 概 述

核能發(fā)電是一種高效清潔的發(fā)電方式。目前，核電機(jī)組由沿海向內(nèi)陸發(fā)展已成為趨勢(shì)。在AP1000MW核電機(jī)組中，自然通風(fēng)冷卻塔的淋水面積比同容量火電機(jī)組大40%～45%[1-3]。塔體的結(jié)構(gòu)尺寸也隨著淋水面積而急劇增加。因此，優(yōu)化超大型冷卻水塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也是一個(gè)緊迫的問(wèn)題。

現(xiàn)以ANSYS Fluent軟件為計(jì)算工具[4-7]，在給定冷卻水塔填料層厚度[8-9]、淋水密度[10]、環(huán)境溫度和濕度的條件下[2]，通過(guò)優(yōu)化塔體的喉部直徑、喉部高度、出口直徑，以達(dá)到降低出塔水溫的目的。

冷卻塔母線方程計(jì)算式[1,3]：

(1)

式(1)中，r為冷卻塔半徑；h為冷卻塔高度；α為冷卻塔曲率；r0是喉部半徑。

采用Fluent軟件，研究了塔體結(jié)構(gòu)與出塔水溫的關(guān)系。喉部上部曲率αu1取值為0.11、0.13、0.15、0.17、0.19；喉部高度與塔高比(喉部高度比)h2/h取值為0.6、0.7、0.8、0.9；喉部半徑與零米半徑比(喉部半徑比)r0/r2取值為0.2～0.8。

1 計(jì)算模型

冷卻塔塔內(nèi)的流體，可分為充滿整個(gè)冷卻塔塔內(nèi)空間的濕空氣(連續(xù)相)、冷卻塔雨區(qū)和噴淋區(qū)的水滴(離散相)、填料區(qū)液膜[9]?；诹黧w力學(xué)理論，采用ANSYS Fluent軟件，計(jì)算冷卻塔的熱力性能。在噴淋區(qū)和雨區(qū)，采用離散相模型，計(jì)算塔內(nèi)水滴的流動(dòng)。在填料區(qū)、配水區(qū)、除水器區(qū)內(nèi)，采用多孔介質(zhì)模型，模擬氣水之間的傳熱傳質(zhì)。

1.1 濕空氣控制方程

(2)

1.2 水滴傳熱傳質(zhì)方程

在冷卻塔內(nèi)，水滴與空氣相之間發(fā)生對(duì)流換熱，水滴中的熱焓傳遞給空氣。水滴溫度的計(jì)算：

(3)

式(3)中，Mp是計(jì)算域內(nèi)控制體的水滴質(zhì)量；Tp是控制體的水滴溫度；Tadb是空氣干球溫度；Ap是水滴的換熱表面積；cp是水滴的比定壓熱容；h是對(duì)流傳熱系數(shù)；hfg是水的汽化潛熱；t是水滴下落時(shí)間。

1.3 阻力計(jì)算

進(jìn)行阻力計(jì)算時(shí)，通常把冷卻塔分成：進(jìn)風(fēng)口、雨區(qū)、填料區(qū)、噴淋區(qū)以及除水器區(qū)，然后分別計(jì)算各區(qū)域的阻力。進(jìn)風(fēng)口、雨區(qū)、填料以及除水器等塔芯結(jié)構(gòu)的阻力，一般用壓降方式表示：

Δp=AρVn

(4)

式(4)中，A、n是實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(5)

式(5)中，Ax、Ay、Az、Mx、My、Mz是特性系數(shù)；q是淋水密度，m3/(m2·h)；ρ1是進(jìn)塔空氣密度，kg/m3；ρm是進(jìn)出塔空氣密度平均值，kg/m3。

1.3.2 除水器阻力系數(shù)ξc

(6)

1.3.3 其它結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)

進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù)ξjfk和配水管網(wǎng)阻力系數(shù)ξgw均取值為0.5。

2 計(jì)算邊界及網(wǎng)格劃分

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

某AP1000MW核電機(jī)組的冷卻塔，在初選塔形時(shí)，設(shè)定的總高度為220 m，零米直徑為173.228 m，塔筒底部直徑為165.3 m，填料頂面直徑為163.56 m，塔頂出口直徑為109 m，進(jìn)風(fēng)口高度為12.2 m，填料厚度為2 m，淋水面積為20 000 m2。

計(jì)算域?yàn)橹睆?00 m、高度800 m的圓柱體，計(jì)算區(qū)域分成塔內(nèi)流場(chǎng)和塔外流場(chǎng)。在塔內(nèi)流場(chǎng)，使用六面體和楔形網(wǎng)格劃分方法，如圖1所示。在塔外區(qū)域，采用六面體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分方法。計(jì)算表明，當(dāng)計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量分別為145萬(wàn)和180萬(wàn)時(shí)，出塔水溫相差不超過(guò)3%，因此，將網(wǎng)格數(shù)量定為145萬(wàn)進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖1 網(wǎng)格劃分

2.2 工況條件

核電機(jī)組所在地的氣象及工況條件，如表1所示。

表1 氣象條件及計(jì)算工況

序號(hào)熱力工況年均氣象條件1大氣壓力/hPa10062干球溫度/℃17.53濕球溫度/℃14.74相對(duì)濕度/℃75.55冷卻水量/m3·s-1536冷卻水溫差/℃10.57進(jìn)水溫度/℃40

2.3 邊界條件

在無(wú)風(fēng)工況下，進(jìn)出口壓力均為計(jì)算時(shí)的邊界條件，如圖2所示。塔壁、環(huán)境地面為無(wú)滑移邊界條件；離散相在進(jìn)出口、水池面、環(huán)境地面均為逃逸邊界條件；循環(huán)水水滴采用面射流模型引入塔內(nèi)，水滴當(dāng)量直徑為5 mm。

圖2 邊界條件

3 塔型的計(jì)算結(jié)果

3.1 塔內(nèi)速度場(chǎng)分布

在v=0 m/s工況下，當(dāng)喉部半徑與零米半徑比為0.2～0.8，通過(guò)計(jì)算，分析了半徑比對(duì)冷卻性能的影響。在圖3中，分別列出了r0/r2=0.55、0.6、0.65、0.7時(shí)，z=0截面速度的分布圖。在靜風(fēng)工況下，塔內(nèi)流場(chǎng)呈現(xiàn)軸對(duì)稱形式流動(dòng)。濕空氣沿程受到塔芯結(jié)構(gòu)的阻力作用，進(jìn)風(fēng)口到除水器風(fēng)速處于低速區(qū)，在填料層風(fēng)速達(dá)到最小。經(jīng)過(guò)填料層換熱的濕熱空氣基本達(dá)到飽和，由于淋水區(qū)、配水系統(tǒng)、除水器的阻力系數(shù)較小，經(jīng)過(guò)填料后的空氣流速逐漸提高。經(jīng)計(jì)算可知，當(dāng)r0/r2=0.65時(shí)，風(fēng)筒喉部平均風(fēng)速達(dá)到最大值，通風(fēng)量達(dá)到最大值，為35 906.977 kg/s。這是因?yàn)楫?dāng)r0/r2=0.55、0.6時(shí)，風(fēng)筒喉部通風(fēng)面積與淋水面積之比相對(duì)較小，通風(fēng)阻力較大，喉部風(fēng)速增加有限；當(dāng)r0/r2=0.7時(shí)，風(fēng)筒喉部面積與淋水面積之比增大過(guò)多，不能充分地發(fā)揮塔筒結(jié)構(gòu)的抽吸作用，導(dǎo)致喉部流速降低。

(a) r0/r2=0.55 (b) r0/r2=0.6

(c) r0/r2=0.65 (d) r0/r2=0.7

圖3 當(dāng)h0/h=0.77時(shí)，z=0截面速度分布圖(單位：m/s)

3.2 水池面溫度分布

圖4反映的是不同的喉部半徑與零米半徑之比r0/r2=0.55、0.6、0.65、0.7的水池面溫度等值線圖。由圖4可知，水池面溫度由外向內(nèi)逐漸升高，在水池面的中心區(qū)域達(dá)到最大值。隨著r0/r2逐漸增大，水池面溫度的平均值，有先降后增的變化趨勢(shì)。當(dāng)r0/r2=0.65時(shí)，水池面的平均溫度值最低，而當(dāng)r0/r2=0.7時(shí)，水池面平均溫度值明顯有所回升。

(a) r0/r2=0.55 (b) r0/r2=0.6

(c) r0/r2=0.65 (d) r0/r2=0.7

圖4 喉部半徑比為定值時(shí)，水池面溫度分布圖(單位：K)

圖5反映的是不同的喉部高度比h2/h=0.6、0.7、0.8、0.9的水池面溫度等值線圖。由圖5可知，h2/h的比值變化，對(duì)出塔水溫有一定的影響。隨著h2/h比值的增大，出塔水溫先降后升，存在一個(gè)最優(yōu)值。當(dāng)h2/h=0.8時(shí)，水池面的平均溫度值最低。這是因?yàn)轱L(fēng)筒喉部高度過(guò)高或過(guò)低，都將導(dǎo)致冷卻塔的總阻力系數(shù)增大。如果喉部高度的比值較大，風(fēng)筒就需要更大的抽力，在氣象條件不變的情況下，需建造更高的風(fēng)筒。但是，如果喉部高度比值較小，出口阻力系數(shù)過(guò)大，導(dǎo)致冷卻塔總阻力系數(shù)增大，冷卻塔性能降低，將使出塔水溫升高。

(a)h2/h=0.6 (b)h2/h=0.7

(c)h2/h=0.8 (d)h2/h=0.9

圖5 當(dāng)喉部高度比一定時(shí)，水池面溫度分布圖(單位：K)

3.3 塔體參數(shù)對(duì)出塔水溫的影響

塔筒出口半徑增大，則塔筒上部曲率αu1也相應(yīng)增大。從表2可知，上部曲率為0.19與上部曲率為0.11時(shí)相比，出塔水溫的平均值降低了0.092℃。這是由于出口直徑減小，出口阻力增加，使得通風(fēng)量減少，造成出塔水溫偏高。

表2 當(dāng)h2/h=0.77，r0/r2=0.6時(shí)，喉部上部曲率αu1對(duì)出塔水溫的影響

序號(hào)12345上部曲率0.110.130.150.170.19出塔水溫/℃29.63729.61329.58829.56329.545

表3反映了出塔水溫隨著喉部高度比h2/h先降低而后升高。當(dāng)h2/h=0.8時(shí)，取得最優(yōu)值，且h2/h=0.8比h2/h=0.9的出塔水溫降低了0.526℃。

表4表明，當(dāng)h2/h=0.770時(shí)，出塔水溫隨著喉部半徑和零米半徑之比r0/r2先減小，后增大，說(shuō)明r0/r2的比值存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即最優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)h2/h=0.8，r0/r2=0.65比h2/h=0.8、r0/r2=0.6時(shí)，出塔水溫降低了0.204℃。

表3 當(dāng)r0/r2=0.6時(shí)，喉部高度和塔高之比h2/h對(duì)出塔水溫的影響

序號(hào)1234h2/h0.60.70.80.9出塔水溫/℃29.92729.70429.45129.977

表4 當(dāng)αu1=0.19時(shí)，h2/h和r0/r2對(duì)出塔水溫tout的影響(單位：℃)

h2/hr0/r20.550.60.650.70.75529.74829.60929.39729.6910.76729.71629.57629.36429.6600.77029.68529.54529.33229.6290.78529.65429.51329.30029.6260.79329.62429.48329.27929.5960.80029.59329.45129.24729.565

4 結(jié) 語(yǔ)

以某核電機(jī)組的超大型冷卻塔的模擬計(jì)算為例，分析了塔體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出塔水溫的影響規(guī)律，得到了較為優(yōu)化的冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(1)當(dāng)h2/h=0.77，r0/r2=0.6時(shí)，αu1=0.19比αu1=0.11出塔水溫平均值降低了0.092℃。

(2)當(dāng)αu1=0.19時(shí)，隨著喉部高度和塔高之比h2/h的增加，出塔水溫平均值先降低后升高。h2/h=0.8比h2/h=0.9的出塔水溫降低了0.526℃。

(3)當(dāng)αu1=0.19，h2/h=0.8時(shí)，r0/r2=0.65與r0/r2=0.6相比，出塔水溫降低了0.204℃。

[1] 西北電力設(shè)計(jì)院．電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2005．

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Study and Optimization on Structure Data of Cooling Tower of AP 1000MW Nuclear Power Unit

ZHOU Lan-xin，ZHAO Sheng-xiao

(The Key Laboratory of Ministry of Education of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei, China)

A super large cooling tower of AP1000MW nuclear power unit was simulated according to the calculation by use of computer software, through comprehensive calculations, the ratio of cooling tower throat height and the tower height is gotten, the upper curvature of the cooling tower throat, and the ratio of throat radius meters and zero radius is analyzed. The structural parameters of the cooling tower were optimized to reduce the influence on the water temperature of the tower. The results show that the performance of the cooling tower can be improved when the structural parameters of the cooling tower are specific.

nuclear power; large; cooling tower；tower body; structure；numerical; stimulate; calculation

1672-0210(2017)01-0001-04

2016-10-31

2016-11-08

周蘭欣(1956-)，男，教授，主要從事直接空冷機(jī)組節(jié)能方面的研究及汽輪機(jī)的節(jié)能優(yōu)化。

TL353+.1

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