辛文軍，朱 晴，李陸軍

(1.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 研究背景

內(nèi)陸或臨海核電廠，受制于廠址條件，重要廠用水系統(tǒng)一般采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行冷卻。機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，分為抽風(fēng)式和鼓風(fēng)式。與抽風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔相比，鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，由于風(fēng)機(jī)布置在冷卻塔進(jìn)風(fēng)口，耐腐蝕性、抗震性能更好，因此被廣泛地應(yīng)用[1]。

目前，針對(duì)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的冷卻性能，展開了大量的研究。單個(gè)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔性能主要受到濕球溫度、循環(huán)水量和冷卻風(fēng)量的影響，而塔群則受到布置方案、周圍建筑物和山體的影響[2]。為了提高機(jī)械通風(fēng)冷卻塔冷卻性能，劉增晟[3]提出了一種帶有高位收水裝置機(jī)械通風(fēng)冷卻塔；王鑒[4]提出通過優(yōu)化循環(huán)水流量分配和風(fēng)機(jī)運(yùn)行方案；李欣[5]針對(duì)單側(cè)進(jìn)風(fēng)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔提出了采用非等高布置填料以及導(dǎo)風(fēng)管等方法以改善冷卻性能。常亮等[6]開展了鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔群的熱風(fēng)回流研究，發(fā)現(xiàn)不同運(yùn)行方式的熱回流率差異明顯，且受環(huán)境風(fēng)向的影響較大。

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的經(jīng)濟(jì)性，也受到研究人員的關(guān)注。徐正等[7]針對(duì)2×1000 MW濕冷機(jī)組，采用“年費(fèi)用最小法”比較了自然通風(fēng)冷卻塔與機(jī)械通風(fēng)冷卻塔方案，并分析了機(jī)力塔的適用條件。胡少華等[8]針對(duì)濱海核電站提出了三種塔型，通過對(duì)經(jīng)濟(jì)性、噪聲影響等方面進(jìn)行分析對(duì)比。在環(huán)境影響方面，郭瑞萍等[9]針對(duì)不同地址的核電廠，研究了不同配置的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔霧雨擴(kuò)散的特點(diǎn)。

在阻力方面，趙順安等[10]研究了填料高度、出口收縮段高度以及其與水平的夾角對(duì)鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔性能的影響，發(fā)現(xiàn)較高的填料高度有利于填料斷面風(fēng)速均勻分布，出口收縮段高度及水平夾角的增加可降低整塔的阻力系數(shù)。解明遠(yuǎn)[11]研究了機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中不同類型的風(fēng)機(jī)以及風(fēng)筒對(duì)冷卻塔阻力的影響。

上述研究大多是關(guān)于抽風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的冷卻性能方面，目前針對(duì)鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的冷卻性能和安全性能的研究較少。以提高安全性為基礎(chǔ)，本文提出了一種新型鼓風(fēng)式冷卻塔，即在進(jìn)風(fēng)口增設(shè)了風(fēng)機(jī)室，以防止外來物的入侵，但這將增大冷卻塔的阻力，降低冷卻性能，因此本文在阻力特性研究的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化后的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔阻力特性進(jìn)行分析。

2 研究對(duì)象

鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的外形示意圖如圖1，其主要尺寸參數(shù)見表1。冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口設(shè)有風(fēng)機(jī)機(jī)房，以及防小型飛射物的墻和網(wǎng)；墻壁厚度為1.0 m。為保證外界小型飛射物不能碰觸到風(fēng)機(jī)及其外罩，進(jìn)風(fēng)口高度為2.8 m，由入口至平面網(wǎng)的流道寬度為2.0 m，風(fēng)機(jī)入口距離防飛射物網(wǎng)面距離為3.86 m。風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)底部標(biāo)高為1.0 m。

圖1 鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔外形示意圖Fig.1 The shape of the blower type mechanical ventilation cooling tower

表1 冷卻塔主要尺寸參數(shù)表

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 控制方程機(jī)械通風(fēng)冷卻塔在機(jī)組負(fù)荷、氣象條件及循環(huán)水量穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，塔內(nèi)外空氣流場(chǎng)按穩(wěn)態(tài)計(jì)算，空氣運(yùn)動(dòng)方程見參考文獻(xiàn)[12-13]。填料區(qū)可采用Fluent的多孔介質(zhì)模型，填料的阻力損失系數(shù)如下：

(1)

式中：ξf為填料阻力系數(shù)；Ap和m為實(shí)驗(yàn)常數(shù)；γa為空氣比重，N/m3；v為填料斷面平均風(fēng)速，m/s；Hf為填料高度，m。填料區(qū)阻力系數(shù)是通過填料試驗(yàn)得到，填料阻力室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)包含了填料和噴淋區(qū)的阻力。雨區(qū)采用離散離子模型(DPM模型)，空氣對(duì)雨滴的阻力按照下式進(jìn)行分析。

(2)

(3)

(4)

3.2 網(wǎng)格劃分鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的總格數(shù)為60格，每8或12格為一單元，每?jī)筛駷橐粋€(gè)組，如下圖2所示，每?jī)筛竦某隹诳吭谝黄?，本文的研究?duì)象為其中一格冷卻塔。

圖2 冷卻塔塔群布置Fig.2 The arrangement of cooling towers

采用GAMBIT網(wǎng)格劃分軟件建立三維模型。對(duì)于機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，一般當(dāng)計(jì)算區(qū)域的尺寸為冷卻塔高度的5倍時(shí)，區(qū)域大小對(duì)阻力特性影響較小。本文中計(jì)算區(qū)域高度為500 m，約為冷卻塔高度的27倍。圖3給出了網(wǎng)格計(jì)算模型的整體透視圖，冷卻塔位于整個(gè)計(jì)算區(qū)域的左側(cè)中心，計(jì)算域?yàn)?00 m×1000 m×500 m，由于研究對(duì)象為其中一格冷卻塔，因此左側(cè)面為對(duì)稱邊界。冷卻塔的網(wǎng)格模型見圖3，網(wǎng)格模型中包括風(fēng)機(jī)的外殼、填料區(qū)域、風(fēng)機(jī)房、冷卻塔出口。

圖3 分析模型中的網(wǎng)格Fig.3 The mesh of numerical model

由圖4可知，網(wǎng)格數(shù)量從150萬增大至340萬，阻力基本不隨網(wǎng)格數(shù)量而改變，為同時(shí)滿足計(jì)算精度與計(jì)算資源的要求，最終使用的網(wǎng)格模型數(shù)量為240萬。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性檢查Fig.4 The independence of mesh number

3.3 邊界條件計(jì)算區(qū)域分為冷卻塔內(nèi)和外兩個(gè)區(qū)域。對(duì)于塔外區(qū)域，底面為絕熱邊界，左側(cè)面為對(duì)稱邊界，其他面的邊界為壓力出口邊界。塔的殼體外壁設(shè)置成絕熱邊界。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型時(shí)，還需設(shè)定κ和ε的邊界[14]。根據(jù)UDF，將其邊界設(shè)置為如下形式：

(5)

塔內(nèi)區(qū)域，塔的殼體和地面為絕熱壁面，采用無滑移邊界條件。填料頂部為雨滴發(fā)射面，可以設(shè)置循環(huán)水量等參數(shù)。進(jìn)風(fēng)口、塔的出口設(shè)置成內(nèi)部邊界，填料區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域。在模型中將風(fēng)機(jī)切割成風(fēng)機(jī)入口和風(fēng)機(jī)出口，并都設(shè)置為速度入口邊界，如圖5所示。氣象及運(yùn)行條件見表2。

圖5 風(fēng)機(jī)模型圖Fig.5 The model of fan

表2 氣象及運(yùn)行條件參數(shù)表

4 結(jié)果分析

4.1 初始方案以填料斷面風(fēng)速2.2 m/s的工況為例進(jìn)行分析。圖6為初始方案的流場(chǎng)分布，該新型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口處阻力較大。由速度分布可見，進(jìn)風(fēng)口處的氣流以較大的速度斜向進(jìn)入冷卻塔，到達(dá)頂面后方向偏轉(zhuǎn)，此時(shí)的速度接近10 m/s。

圖6 初始方案流場(chǎng)分布Fig.6 The flow field of the original design

通過對(duì)比數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果[15]進(jìn)行數(shù)值模型的驗(yàn)證，實(shí)測(cè)結(jié)果網(wǎng)前靜壓的平均值為-33 Pa，數(shù)模中網(wǎng)前靜壓的平均值為-32.6 Pa，數(shù)值結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的網(wǎng)前靜壓差異為-1.2%，二者可以較好的吻合，說明數(shù)值模型可靠。

圖7為不同淋水密度條件下冷卻塔總阻力和總阻力系數(shù)隨填料斷面平均風(fēng)速的變化。冷卻塔的總阻力(圖7(a))隨填料斷面風(fēng)速(即通風(fēng)量)增加而增加，二者呈二次方關(guān)系。淋水密度越大，冷卻塔總阻力越大，但淋水密度對(duì)冷卻塔總阻力影響較小(6%～2%)；當(dāng)填料斷面風(fēng)速在設(shè)計(jì)風(fēng)速2.2～2.6 m/s時(shí)，淋水密度由6.7 t/h/m2增加至12.0 t/h/m2，冷卻塔總阻力增加3%。當(dāng)填料斷面風(fēng)速大于1.4 m/s時(shí)，冷卻塔總的阻力系數(shù)(圖7(b))隨填料斷面風(fēng)速增大，而略有增加。淋水密度越大，冷卻塔總的阻力系數(shù)越大，但二者的變化幅度較小(約11%～2%)。當(dāng)填料斷面風(fēng)速在設(shè)計(jì)風(fēng)速2.2～2.6 m/s時(shí)，淋水密度由6.7 t/h/m2增加至12.0 t/h/m2，冷卻塔總阻力系數(shù)增加3%～4%。

圖7 不同淋水密度條件下總阻力和總阻力系數(shù)隨填料斷面平均風(fēng)速的變化Fig.7 The variation of total pressure and total pressure coefficient with the velocity of fill under different water-spraying densities

根據(jù)冷卻塔的布置方案可知，冷卻塔內(nèi)部空氣流動(dòng)壓力損失由以下部分構(gòu)成：外界近似靜止的空氣流至冷卻塔入口斷面的壓力損失、冷卻塔入口至網(wǎng)面(防飛射物的過濾網(wǎng))的壓力損失、網(wǎng)面至風(fēng)機(jī)入口的壓力損失、風(fēng)機(jī)壓力損失、雨區(qū)阻力、填料區(qū)域壓力損失、填料頂面至配水管的壓力損失、配水管至收水器的壓力損失、收水器至冷卻塔出口的壓力損失、冷卻塔出口損失(動(dòng)能損失)。圖8給出了淋水密度11.5 t/h/m2不同位置或構(gòu)件的阻力系數(shù)。冷卻塔的阻力主要包含以下幾部分，網(wǎng)面至風(fēng)機(jī)入口(約占32.7%)，填料區(qū)域(約占18.6%)，風(fēng)機(jī)進(jìn)口至出口包括風(fēng)機(jī)入口至風(fēng)機(jī)葉片(11.7%)和風(fēng)機(jī)葉片至風(fēng)機(jī)出口(3.0%)(合計(jì)約占14.7%)，雨區(qū)阻力包括風(fēng)機(jī)出口至塔殼底(9.9%)和塔殼底至填料底(2.9%)(合計(jì)約12.8%)。綜合考慮優(yōu)化空間與優(yōu)化難度，選擇對(duì)網(wǎng)面至風(fēng)機(jī)入口的相關(guān)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 不同位置或構(gòu)件的阻力系數(shù)Fig.8 The pressure coefficient of different position or component

4.2 優(yōu)化策略為了降低由平面網(wǎng)至風(fēng)機(jī)入口處的壓力損失，則需降低平面網(wǎng)斷面的風(fēng)速，即增大其進(jìn)風(fēng)面積，同時(shí)應(yīng)兼顧防止飛射物的入侵的功能。因此網(wǎng)面及周圍墻體極限位置如圖9中紅色虛線所指示，相關(guān)尺寸應(yīng)滿足下式：

(6)

進(jìn)一步分析進(jìn)風(fēng)通道可知，進(jìn)風(fēng)面積最小位置為風(fēng)機(jī)進(jìn)口墻壁內(nèi)側(cè)至網(wǎng)面底部墻外側(cè)距離(x2)，因此增大x2使網(wǎng)面高度、x2和y2盡量保持相同或接近。此時(shí)空氣通道內(nèi)流速保持均勻，減少動(dòng)能損失，降低進(jìn)風(fēng)口的阻力。具體的優(yōu)化方案如下：進(jìn)風(fēng)口高度y2調(diào)整至3.7 m，風(fēng)機(jī)進(jìn)口墻壁內(nèi)側(cè)至網(wǎng)面底部墻外側(cè)距離x2增加至3.7 m，網(wǎng)面高度為3.75 m，網(wǎng)面底部墻體高度增加至3.25 m，風(fēng)機(jī)室頂部墻上移1.5 m(墻體內(nèi)側(cè)標(biāo)高為8 m)。

圖9 優(yōu)化前后尺寸對(duì)照(單位：mm)Fig.9 Size comparison before and after optimization

4.3 優(yōu)化方案阻力特性以填料斷面風(fēng)速2.2 m/s的工況為例，對(duì)阻力進(jìn)行分析。圖10為優(yōu)化方案的流場(chǎng)分布，優(yōu)化后進(jìn)風(fēng)口的阻力減小。由速度分布可見，進(jìn)風(fēng)口處的氣流速度有明顯減小，到達(dá)風(fēng)機(jī)房頂面轉(zhuǎn)向時(shí)的速度不超過4.5 m/s，可有效減小進(jìn)風(fēng)口阻力。

圖10 優(yōu)化后流場(chǎng)分布Fig.10 Flow field before and after optimization

圖11為淋水密度12.0 t/h/m2條件下，原始方案和優(yōu)化方案冷卻塔總阻力對(duì)比。進(jìn)風(fēng)口尺寸優(yōu)化后，冷卻塔總阻力明顯減少，減少幅度為18%～22%，減少幅度隨填料斷面風(fēng)速增大而增大。

圖11 優(yōu)化方案和初始方案的總阻力對(duì)比Fig.11 Total pressure before and after optimization

圖12給出了優(yōu)化后不同位置或構(gòu)件的阻力系數(shù)占比。此時(shí)，冷卻塔的阻力主要是網(wǎng)面至風(fēng)機(jī)入口(約占30.9%)、填料區(qū)域(約占20.6%)、雨區(qū)阻力包括風(fēng)機(jī)出口至塔殼底(12.7%)和塔殼底至填料底(3.5%)(合計(jì)約16.2%)和風(fēng)機(jī)進(jìn)口至出口包括風(fēng)機(jī)入口至風(fēng)機(jī)葉片(10.5%)和風(fēng)機(jī)葉片至風(fēng)機(jī)出口(3.6%)(合計(jì)約占14.1%)，優(yōu)化前后各部分阻力占比的差異匯總于表3。優(yōu)化后塔入口至網(wǎng)面阻力占比降低了4.8%，網(wǎng)面至風(fēng)機(jī)入口阻力占比降低了1.8%，外界空氣至冷卻塔入口斷面的阻力占比降低了0.3%。

圖12 優(yōu)化后不同位置或構(gòu)件的阻力系數(shù)Fig.12 The pressure coefficient of different position or component after optimization

表3 初始方案和優(yōu)化方案各部分阻力占比Table 3 The resistance propotion of each part before and after the optimization

5 結(jié)論

本文針對(duì)新型鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)逆流式冷卻塔的塔型阻力特性，建立了三維流場(chǎng)數(shù)值模型，分析了不同工況條件下的冷卻塔總阻力及各部件的阻力占比。在滿足防飛射物入侵的條件下，對(duì)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要研究結(jié)論如下：

(1)冷卻塔的總阻力隨填料斷面風(fēng)速增加而增加，二者呈二次曲線的關(guān)系。

(2)淋水密度越大，冷卻塔總阻力越大，但淋水密度對(duì)冷卻塔總阻力影響較小(6%～2%)。

(3)初始方案(優(yōu)化前)中冷卻塔的阻力主要是網(wǎng)面至風(fēng)機(jī)入口(約占32.7%)、填料區(qū)域(約占18.6%)、風(fēng)機(jī)進(jìn)口至出口(約占14.7%)和雨區(qū)(約占12.8%)。

(4)將進(jìn)風(fēng)口高度調(diào)整至3.7 m，風(fēng)機(jī)進(jìn)口墻壁內(nèi)側(cè)至網(wǎng)面底部墻外側(cè)距離增加至3.7 m，網(wǎng)面高度為3.75 m，網(wǎng)面底部墻體高度增加至3.25 m，風(fēng)機(jī)室頂部墻上移1.5 m，該方案具有較好的優(yōu)化效果。

(5)優(yōu)化后塔入口至網(wǎng)面阻力占比降低了4.8%，網(wǎng)面至風(fēng)機(jī)入口阻力占比降低了1.8%，外界空氣至冷卻塔入口斷面的阻力占比降低了0.3%。