0 引言

发电厂间接空冷系统通过布置在空冷塔底部的表面式散热器使环境风与循环冷却水进行换热。由于循环冷却水的蒸发量为零，大大降低了电厂的耗水量；同时，采用循环冷却水作为中间换热介质，又避免了直接空冷系统受环境风影响导致背压高且波动大的缺点。但是间接空冷系统也存在投资高、布置复杂、冬季散热器管束易冻结等问题^[1]。对于北方地区的间接空冷机组，冻结的问题尤其需要重视。本文以内蒙古京能康巴什热电有限公司（以下简称康巴什热电厂）2×350 MW机组的SCAL（Surface Condenser Aluminum Exchangers）型间接空冷塔为研究对象，利用ANSYS Workbench软件中的Fluent模块对空冷散热器内、外部流动及换热情况进行模拟，以期找到空冷散热器中的低温区（即易冻结区的位置），为间接空冷机组冬季扇区投退方式、重点监视区域的确定提供理论支持。

1 物理模型 1.1 空气场物理模型

康巴什热电厂2×350 MW机组采用一机一塔配置，共设2座自然通风间接空冷塔，空冷塔高155 m、出口直径81.5 m，空冷塔散热器外缘直径122.5 m，进风口高27.5 m、直径101 m，喉部高116.5 m、直径78 m。每个空冷塔均有136个冷却三角，散热器的翅片管及翅片材质均为铝。空冷岛周围的高大建筑如锅炉房、汽轮机房、化学水处理厂房及电厂周围高坡等均会对空气的流动产生影响，因此在建立空冷塔空气场物理模型时也考虑了这些因素，建模时的网格划分结果如图 1所示。

1.2 循环水管道物理模型

间接空冷循环系统的循环水管道由供、回水母管，8个扇区的供、回水支管，8个扇区底部环形供、回水管及冷却三角组成。每个扇区布置17个冷却三角，每个冷却三角由2个夹角呈47°的矩形冷却器组成。冷却器为独立双流程冷却器，包括160根基管和铝制翅片。图 2为循环水管道结构示意图，图 3为供、回水环管入口，出口及冷却三角编号示意图，图 4为矩形冷却器入口、出口位置及小管编号示意图。

2 数学模型

在间接空冷系统中，受到空冷塔抽吸并与散热器换热后进入塔内的空气在塔内的上升流动为自然对流，在本模型中应用Boussinesq假设近似模拟该过程。在Boussinesq假设中，流体密度与压强和温度有关，在低速流动时，流体压强变化不大，主要是由于温度的变化引起密度变化，因此忽略压强变化引起的密度变化，只考虑温度变化引起的密度变化。另外，根据间冷散热器结构、原理，仿真过程中散热器模型采用多孔介质模型^[2-3]。

3 计算结果及分析 3.1 空气场计算结果及分析 3.1.1 风向选择

根据康巴什热电厂所在地内蒙古伊金霍洛旗历年气象数据可知，该地区全年WN（西北）方向均为最大风向频率。图 5为N（北）方向来风时的空气域，结合康巴什当地风频数据，可知N方向是典型风向。因此，对这两个风向下的空冷散热器周围的空气流动及换热情况进行模拟。空气域为方形，因此当风向变化时，空气域的方向也随之改变，来风方向始终与进风面垂直。

3.1.2 空气场边界条件

进风面与出风面分别采用速度入口、压力出口的边界条件，与风向平行的另外2个面采用对称边界条件。考虑到不同高度风速的区别，在速度入口加载自定义函数：

式中u_x—沿x轴正方向（即迎面风方向）的风速，m/s；

u_y、u_z—与迎面风方向垂直的另外两个方向的风速，m/s；

u_w—10 m高处沿x轴正方向的风速（气象站监测的风速一般都以10 m高为基准），m/s；

y—所求点的高度，m。

3.1.3 模拟结果

根据伊金霍洛旗历年气象数据，分别对N方向风和WN方向风在冬季的平均风速和最大风速进行模拟。

3.1.3.1 N向风（平均风速2.4 m/s）

图 6a为空冷散热器出口面上的温度云图。将温度显示区间缩小后得到出口面上的低温区的温度云图，如图 6b所示。而图 7a和图 7b则分别是空冷散热器出口面上的速度云图以及将速度显示区间增大后得到的高风速区的速度云图。从图 6和图 7可以看出，2台空冷散热器出口面的低温区均位于与来风方向（N方向）垂直的区域，而这个区域正是高风速区。

3.1.3.2 N向风（最大风速6 m/s）

由图 8和图 9可以看出，最大风速6 m/s时，散热器出口低温区及高风速区均位于与来风方向垂直的区域。

3.1.3.3 WN向风

当风向变为WN时，空气域如图 10所示。WN风向下空冷散热器出口面低温区温度云图如图 11所示。从图 11可以看出，风向改变后，低温区域也随之改变，依然是垂直于来风方向的区域。

3.2 循环水流量分配模拟结果及分析

根据供回水母管和8个扇区支管的结构尺寸，可计算8个扇区的循环冷却水流量分配情况，如图 12所示。8个扇区的循环冷却水流量分配基本均匀，但第4扇区相对较小，第1扇区相对较大。但8个扇区流量分配不完全一样，与冷却扇区在系统中所处的位置有直接关系，冷却扇区距离循环水泵出口距离越长，阻力越大，流量也就相对越小。

间接空冷循环系统8个扇区的供、回水环管与冷却三角入口、出口位置都相同，图 13为7个循环冷却水总流量条件下34个矩形冷却器内循环冷却水流量分配情况（矩形冷却器编号见图 3所示）。第14、15冷却器内的循环冷却水流量最大，第13、16冷却器内流量最小。

矩形冷却器的小管内的循环冷却水流量分配也不均匀，尤其是循环冷却水入口的两排管道流量分配差距最大，其中第22号小管内流量最小，第30号管内流量最大（见图 14）。

4 结论

本文通过数值模拟计算了间接空冷系统空冷塔外空气场分布和循环水管道内循环冷却水分配情况，得到以下结论：

（1）根据空冷塔外空气场的模拟结果可以看出，无论风向如何变化，空冷塔外侧风速最高和温度最低的区域始终是与来风方向相垂直的位置^[4-6]。

（2）根据循环水管道内循环冷却水流量分配的模拟结果可以看出，第4扇区的流量相对较低；每个扇区靠近供水支管入口两侧的2个矩形冷却器（编号13、16）内的流量最低；每个矩形冷却器中第20—24号小管内的流量最低。

（3）结合以上两个结论可知，在冬季温度较低时，迎风侧扇区供水支管附近的矩形冷却器第20— 24号管道最容易冻裂。