Research on the Application of "Three Towers in One, Four in One" Technology of Indirect Air Cooling Unit
张军峰 ZHANG Jun-feng
（神华国华宁东发电有限责任公司，银川 750408）
（Shenhua Guohua Ningdong Power Generation Co.，Ltd.，Yinchuan 750408，China）
摘要：针对不同环境风速工况，以660MW 超超临界间接空冷机组为例，通过计算流体力学（CFD）模拟软件对“三塔合一、四位一体”系统进行了仿真模拟，分别计算了无除尘装置、卧式低位布置以及立式布置三种方案下10m高度处的水平风速为0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s对空冷塔热力性能的影响。结果表明，随着水平风速的增加，出塔水温呈增加趋势；在TRL工况下，三种方案的水温范围分别为51.7-56.08℃、51.72-55.61℃和51.71-55.6℃。在TMCR工况下，三种方案的水温范围分别为32.77-37.18℃、32.79-36.75℃和32.78-36.69℃。期望为优化间接空冷系统、烟气系统、脱硫系统、湿式除尘系统的布置提供参考。
Abstract: Against the different wind speed conditions, taking 660MW ultra-supercritical indirect air cooling unit as an example, the
"three towers in one and four in one" system was simulated by computational fluid dynamics (CFD) simulation software. The influences of horizontal wind speeds of 0m/s, 2m/s, 5m/s, 8m/s and 12m/s on the thermal performance of the air cooling tower under three schemes of no dust removal device, horizontal low position arrangement and vertical arrangement were calculated respectively. The results show that with the increase of horizontal wind speed, the water temperature in the tower increases. Under TRL conditions, the water temperature ranges of the three schemes are 51.7-56.08℃, 51.72-55.61℃ and 51.71-55.6℃ respectively. Under TMCR conditions, the water temperature ranges of the three schemes are 32.77-37.18℃, 32.79-36.75℃ and 32.78-36.69℃ respectively. It is expected to provide reference for optimizing the arrangement of indirect air cooling system, flue gas system, desulfurization system and wet dust removal system.
关键词：间接空冷机组；三塔合一；计算流体力学；布置工艺
Key words: indirect air cooling unit；three towers in one；computational fluid dynamics；arrangement process
中图分类号：X51；M621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）25-0173-03
0 引言
燃煤发电厂的“三塔合一”是将火电厂烟囱（烟塔）、间接空冷塔和脱硫吸收塔“三塔合一”，将湿式除尘器布置于间冷塔内形成四位一体布置。利用冷却塔热空气抬升烟气排放，将脱硫吸收塔、湿式除尘器、烟囱及CEMS等设备布置在冷却塔内的燃煤发电厂系统优化布置技术[1-2]。该方式的优势在于节约用地、节约投资、节约用水、节约能耗和减少污染，目前已被学者广泛研究。席新铭等[3]通过建立了间接空冷塔内布置烟囱和脱硫塔的数学模型，分析了环境风和烟囱高度对塔内空气流场及散热器热力性能的影响。赵文升等[4]通过构建“三塔合一”间接空冷塔的数学模型，获得了结构参数对热力性能的影响规律，并以进塔风量和出塔水温为评价标准，获得了最优的结构参数。“三塔合一”是一个涉及流体力学、热热传质学、环境科学和计算数学等多学科领域的复杂问题，为此国外的相关流场模拟同样具有参考价值[5-7]。
1 “三塔合一、四位一体”系统
1.1 间接空冷系统
间接空冷系统一般由凝汽器、循环水管道、循环水泵、间接空冷塔、冷却三角等设备和系统组成，如图1所示。系统流程为：汽机排汽进入凝汽器，与流经凝汽器管束内的冷却水进行表面换热，蒸汽将热量传递给冷却水，并凝结为凝结水。吸收热量的冷却水经循环水泵增压后输送至空冷塔内的空冷散热器，将热量释放到大气，空冷塔冷却水出水再回到汽机房凝汽器内作闭式循环。
间接空冷塔为双曲线自然通风钢筋混凝土结构。为了增加空冷散热器的换热面积、提高散热效果，空冷散热器采用翅片板热交换器，热交换器管组成冷却三角布置在冷却塔外围。在冷却塔的抽吸作用下，空气通过空冷散热器，将热量带走，散发在大气中。为了方便换热器的换热量控制，冷三角被划分为几个冷却扇段，在冷却三角外面安装百叶窗。通过百叶窗控制通风量调节循环水温。也可以通过控制投入扇段的数量来控制冷却水的温度。
1.2 烟气系统
锅炉烟气经过锅炉尾部受热面后进入脱硝装置，脱硝后烟气进入空气预热器，经空气预热器换热后进入电除尘，经除尘后净烟气通过引风机出口烟道经冷却塔下部进风口接入布置于冷却塔内的脱硫吸收塔，经脱硫吸收塔处理后的烟气进入湿式除尘器，湿式除尘器出口烟气接入塔内烟囱排放。
1.3 脱硫系统
脱硫采用石灰石—石膏湿法脱硫。烟气进入脱硫吸收塔后，通过喷淋吸收区，喷淋吸收区布置有多层喷嘴，将浆液均匀地喷射于充有烟气的塔中。在吸收塔内，烟气自下向上流动，与高效雾化喷嘴喷出的自上而下很细的雾状脱硫浆液形成高效率的气液接触，并发生化学反应，烟气中SO2转换生成亚硫酸钙后汇入吸收塔下部循环浆池，烟气中的95%以上的SO2被去除。浆液循环泵将石灰石浆液送入喷嘴进行雾化。吸收塔底部的石膏浆液通过排出泵排出脱水后形成石膏。经脱硫后的烟气为带水汽的湿烟气，通过塔上部除雾器除去大部分液滴后进入后续湿式除尘器装置。
1.4 湿式电除尘系统
湿式电除尘器用来处理脱硫吸收塔出口湿烟气，主要用来除去含湿气体中的微尘、雾滴等物质。湿式电除尘器一般根据烟气流向分为横流式（烟气流向为水平方向进出，卧式布置）和竖流式（烟气流向为垂直方向进出，立式布置）。在电极放电作用下沉集在极板上的粉尘通过工艺水冲洗收集，工艺水可回收循环利用，使用湿式电除尘器后含湿烟气中的烟尘排放可达5mg/m3以下。根据湿式除尘器的布置方式和位置，分为立式布置、卧式低位布置、卧式中高位布置和卧式高位布置。
2 数学建模
为能更为准确地表述本模型的依据，本节分别从流场建模方程[5]、阻力计算[6]和网格划分等方面进行了系统介绍。
2.1 空气流场方程
间接空冷塔在机组运行、气象环境稳定时，忽略实际运行工况轻微变换的影响，为简化数学模型将塔内外空气流场可以按稳态计算。空气流场的通用控制方程表示如下：
连续方程■（1）
动量方程■（2）
能量方程■（3）
空气状态方程■（4）
湍动能k方程
■（5）
湍动能耗散率?着方程
■（6）
方程式中：?籽为密度，kg/m3；■为速度矢量，m/s；■为应力，Pa，■；p为压强，Pa；?滋t为湍流粘性系数，N/（m2s）；■h为焓，kJ/kg；T为空气温度，℃；?滓为湍流Prandtl数；k为湍动能；?着为湍动能耗散率；Sh为能量方程源项；R为气体常数；Gk、Gb为由速度梯度和浮力引起的湍动能生成项；?滓k、?滓?着为k和?着的湍流Prandtl数；模型常数C1?着、C2?着、C?滋、?滓?着分别取1.44、1.92、0.09、1.0、1.3；■u、v、w分别为x、y、z方向速度分量。
2.2 散热器阻力模型
空冷散热片、百叶窗阻力计算公式如下：
P1=ξ1·0.5·ρam·V2，P2=0.7·ρa1·V2
公式中：P1为空气垂直通过散热片的阻力，单位为Pa；P2为空气通过百叶窗阻力（全开），单位为Pa；ξ1为散热片的阻力系数，变化范围通常为23～53；ρam为通过散热片的定性气温下的空气密度，单位为kg/m3；定性温度为散热三角入口空气温度与出口空气温度的平均值；ρa1为散热片入口空气温度下的空气密度，单位为kg/m3；V 为空气通过管束的迎面风速，单位为m/s。
2.3 计算方法
计算采用流体软件 FLUENT（流场仿真），对根据空气流场方程和散热器阻力模型建立的空冷塔三维数学模型进行求解。离散方程组中速度与压力解耦采用 SIMPLEC（简化为不可压缩流体）算法，应用分离变量法对离散方程进行求解，冷却塔动量方程中对空气流动和传热耦合求解，采用QUICK（快速收敛）模式作为速度和温度场的离散格式。
2.4 网格划分
采用 GAMBIT（网格设定）网格划分软件，进行三维模型的网格划分，具体划分采用结构化网格和自适应性网格相结合的方式。整个区域可分为塔内和塔外。建立了带有立式布置、卧式低位布置、卧式中高位布置、卧式高位布置间接空冷塔网格模型。计算域为 1000m×1000m×1000m。
3 案例分析
3.1 设定条件
以某660MW 超超临界间接空冷机组配套的间接空冷塔为例，其主要设计参数如下：塔高173.7m，喉部高度145m，塔壳底部半径为66.5m，冷却塔出口半径为49.1m，喉部半径为47.6m；进风口高度为27.5m，散热器高度为28m，散热器的外围半径为78m，冷却三角基础高2m，冷却三角的高位24m；冷却塔的迎面风速设计值为1.77m/s，散热器的平均传热系数为44.6W/（m2k），散热器面积约157万m2。取两个工况，即夏季TRL和额定TMCR。夏季TRL工况主要参数为：塔循环水量62410t/h、进塔水温60.5℃，在环境温度32.1℃、大气压859hPa、海拔高度1150m、相对湿度0.55、冷却塔零米以上10m处环境风速5m/s时，间冷塔出水水温≤50.1℃。额定TMCR工况：进塔循环水量62410t/h、进塔水温41.3℃，在环境温度14.7℃、大气压866hPa、海拔高度1150m、相对湿度0.50、冷却塔零米以上10m处环境风速5m/s时，间冷塔出水水温≤31.2℃。
3.2 结果与讨论
脱硫吸收塔、湿式除尘器、排烟管道等主要工艺构件的布置形式对冷却塔热力、阻力性能影响，以及烟气的扩散过程。取10m高度处的水平风速分别为0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s，研究其对空冷塔热力性能的影响，结果如图3和图4所示。其主要结论如下：①无自然风时，卧式低位布置和立式布置对通风量影响小于1.0%，对阻力系数影响小于2.0%。 ②在自然风速小于2m/s时，卧式低位布置方案与立式布置方案对间接空冷塔的出塔水温影响小于0.01℃，在自然风速大于5m/s时卧式低位布置方案将使出塔水温降低约0.5℃，而立式布置方案影响较小。③自然风速小于8m/s时立式布置对冷却塔的通风量影响很小，而卧式布置能增大冷却塔的通风量约8%，当风速达到12m/s，采用立式或卧式脱硫装置都使冷却塔通风量增大约14%，所以除尘器等构件能减缓自然风的影响。④当排烟量与冷却塔通风量的比值小于2.5%，排烟引起冷却塔通风量、抽力和阻力系数等参数的变化幅度都小于0.15%，所以排烟对于冷却塔的热力、阻力性能影响非常小。
4 结论
间接空冷火力发电厂采用“三塔合一、四位一体”布置时，通过分析除尘器的布置方式和位置，对立式布置、卧式低位布置、卧式中高位布置和卧式高位布置四种方式，通过建立内置脱硫装置、湿式除尘器的自然通风间接空冷塔的热力、阻力计算模型研究分析，通过对比10m高度处的水平风速为0m/s、2m/s、5m/s、8m/s、12m/s时各种布置对间接空冷塔性能影响，湿式除尘器在间冷塔内低位卧室布置对冷却塔热力、阻力性能影响最小。
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