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大型湿式冷却塔非等片距填料与分区配水协同优化的数值模拟研究

党志刚  
【摘要】:随着我国电力行业的迅速发展,发电厂大容量机组所配备的冷却塔往大型和超大型方向发展。大型自然通风湿式冷却塔体积庞大,塔底直径大,进风不均匀,导致冷却塔热力特性沿径向分布不均,塔中心区域阻力特性差,进而恶化了整塔的冷却能力。淋水填料作为湿式冷却塔传热传质的“心脏”,其性能的好坏直接影响着冷却效率的高低,而填料布置方式和配水区配水方式对冷却塔的热力阻力特性有较大影响。因此,有必要对填料布置方式和配水方式对冷却塔热力阻力特性的影响进行综合研究。本文以国内某内陆电厂600 MW机组配备的大型湿式冷却塔为原型,将冷却塔填料区分为内外两区,在内外区分别布置不同片距的填料,制定不同填料布置方案。采用ICEM软件对冷却塔进行三维建模并划分网格,采用Fluent软件建立了大型湿式冷却塔三维数值计算模型,嵌入用户自定义函数(UDF)进行数值模拟,研究了多种填料布置方案下的冷却塔流场和温度场分布特性,进行了变工况分析。在此基础上结合分区配水,进行了协同优化研究,所得主要结论如下。设计工况下的研究结果表明:非等片距填料可明显改善塔内温度场与流场的均匀性,优化冷却塔热力阻力特性。对于600 MW冷却塔,在设计工况下,仅使用非等片距填料后,半径分割点为47.5m时,全塔热力特性相对较优,冷却塔水温降、冷却效率和冷却数均达到最高点,分别为10.04℃、62.3%和1.40;相比于原始常规塔前分别增加了 0.23℃、1.4%和0.01,相对提升率分别为0.7%、2.3%及0.76%。采用非等片距填料以后,冷却塔除水器上表面z方向(竖直方向)风速与全塔通风量均有所提升,且随半径分割点的增大而增加。当半径分割点从0 m(全部采用26 mm片距的S波填料)增大到57 m(全部采用30 mm片距的S波填料)时,全塔通风量增加了 751.32kg/s,相对提升6.3%;除水器上表面z方向风速增加了 0.05 m/s,相对提升3.6%。变工况分析的结果表明:非等片距填料在环境气温变化时,仍可以达到优化冷却塔热力特性的效果,在冬季典型环境工况下,最大可降低出塔水温0.35℃。在进塔水温变化时,采用非等片距填料的冷却塔热力特性相比原始塔更稳定。非等片距填料与分区配水协同优化的模拟结果表明:随填料内区配水量占比的升高,冷却塔的出塔水温先降低后升高,全塔通风量先增加后减小。相对于均匀配水,分区配水可有效降低出塔水温,优化热力特性。在填料内区半径为45 m,配水量占总配水量的70%时,冷却塔性能达到较优化的状态。采用该优化配置后的冷却塔出塔水温较常规塔最大降低0.32℃。本文采用数值模拟的方法研究了非等片距填料和分区配水对冷却塔性能的影响,分析了非等片距填料和分区配水协同优化的冷却塔流场和温度场分布特性,揭示了该优化方式对冷却塔热力阻力特性的影响规律,得到了优化配置下湿式冷却塔的性能提升效果。本文的研究结果可为湿式冷却塔的深入节能增效研究奠定基础,并为冷却塔的三维热力设计提供指导。


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