随着我国经济的高速发展, 国家用电量越来越大, 传统的火电机组已不能满足国家的发展需要, 大型核电和高参数、大容量火电机组开始成为我国能源动力行业的主力军^[1]。近几年, 在国家能源政策的调整下, 我国电力行业逐渐向着高效环保、节能降耗的方向发展, 大型、超大型冷却塔逐渐受到相关行业的青睐。在各类冷却塔中, 自然通风逆流湿式冷却塔(以下简称“常规冷却塔”)由于其换热效率高、发生故障少、运行费用低、部件不易老化以及易于维护等优点成为了我国电力行业中应用最广泛的冷却塔塔型^[2-3]。在自然通风冷却塔的研究与优化过程中, 又出现了一种在常规冷却塔的基础上改进而来的自然通风逆流湿式高位收水冷却塔(以下简称“高位冷却塔”)。与常规冷却塔相比, 高位冷却塔取消了集水池, 通过设置收水装置提前将循环水收集, 由此减小了循环水泵的静扬程, 减少了循环水泵的耗电量, 减小了冷却塔淋水噪声, 达到了节能降耗减噪的效果。

高位冷却塔最早出现在欧洲, 并配置在核电站机组上。20世纪90年代初, 我国陕西蒲城电厂开始引入高位冷却塔技术^[4-6], 但在当时并未得到进一步的发展。近年来, 高位冷却塔的发展十分迅速, 国内百万机组已有3个工程成功配置了高位冷却塔, 并都顺利投产运行^[7]。

与常规冷却塔不同, 高位冷却塔通过设置收水装置将循环水液滴收集。高位冷却塔由塔筒、中央竖井、除水器、配水系统和填料、收水装置、集水槽以及高位收水竖井组成, 系统结构如图 1所示。

图 1 高位冷却塔系统结构

由凝汽器出来的携带废热的循环水通过中央竖井进入配水系统, 配水系统通过喷嘴将循环水以液滴形式喷洒出来, 此时循环水与周围空气发生传热传质。喷洒出的循环水液滴落到填料上, 再次与填料间的空气进行传热传质^[8]。循环水离开填料层后自由落体, 但并未直接落至冷却塔底部, 而是经由收水装置汇集在集水槽^[9]。循环水经过填料层后, 其分布发生轻微变化, 与空气进行最后一次传热传质。最后, 集水槽中的循环水流至高位收水竖井, 再经循环水泵运输至凝汽器使汽轮机乏汽冷却凝结。与此同时, 环境空气从冷却塔进风口进入后向上流动, 依次通过收水装置、填料层、配水系统以及除水器, 最后从冷却塔出口排入大气。

收水装置作为高位冷却塔特有的部分, 是与常规冷却塔区分的最主要的地方, 其总体作用是将填料底部流出的循环水, 在冷却塔进风口上部进行截留、疏导, 最终汇集到集水槽中; 同时, 将进入冷却塔塔内的空气通过收水斜板间形成的上斜通道顺利导入淋水填料参加质热交换。收水装置主要由收水斜板梁、收水斜板、防溅垫层、挡水板和收水槽等组成, 具体结构如图 2所示。

图 2 收水装置基本结构

在高位冷却塔的运行过程中, 循环水与塔内空气的传热传质分为3个部分, 即配水区、填料区和高位雨区。与常规冷却塔相比, 配水区与填料区的冷却比例都有明显增加, 而高位雨区的冷却比例却大幅度下降^[10]。这是因为高位雨区没有常规雨区距离长, 而且高位冷却塔塔底没有循环水液滴阻碍环境空气进入高位冷却塔, 使得环境空气进入高位冷却塔的速度更快, 因此高位冷却塔加大了配水区与填料区的传热传质, 使这两部分的冷却效率明显提高。

当无环境侧风时, 高位冷却塔内外的空气速度场关于塔中心轴对称, 冷却塔四周的空气均匀进入冷却塔, 此时冷却塔通风量最大。由于冷却塔进风口内外存在压差, 一部分空气开始变向, 往收水装置方向流动; 另一部分随着惯性继续往塔内流动。进入冷却塔后, 由于没有常规雨区对空气的阻力作用, 进入冷却塔的空气流速较常规冷却塔更快。塔外空气进入冷却塔后, 受到塔底地面的摩擦阻力, 使得塔内空气流速沿径向方向逐渐降低, 并在塔底中心区域相互碰撞继而变向, 因此塔底中心区域的气流速度最慢。高位冷却塔塔内外的速度场并不均匀, 加之收水装置的导流作用, 在进风口上沿的筒壁与附近收水斜板间的流道会因回流形成漩涡, 此时的漩涡并不大^[11]。同时, 空气气流相互碰撞向上流动, 在进入收水装置后, 由于收水装置以及高位雨区液滴的阻力作用, 流速开始降低; 之后依次经过填料区和配水区, 由于空气在填料区与配水区受到阻力的同时与循环水进行传热传质, 塔内空气与塔外空气的压力差逐渐变大, 流速缓慢增加; 在经过配水区后, 空气受到的阻力减小, 加上冷却塔塔内主要的传热传质过程已经结束, 空气流速继续増大。由于高位冷却塔的双曲线结构能够起到缩放作用, 塔内空气的流速仍会先增加后减小, 因此流速的最大值出现在冷却塔喉部。

当无环境侧风时, 塔内外的空气压力场同样关于塔中心轴对称。空气从塔外流经进风口时, 空气流道变窄, 空气压力先增大后减小。进入塔内, 塔筒底部的空气在沿程阻力的作用下压力逐渐减小, 并且空气压力关于塔中心轴对称递减。空气向上流动经过收水装置时, 受到高位雨区液滴以及收水装置的阻力作用, 同时空气开始与循环水发生热量交换, 空气温度升高, 在两种作用下, 空气压力继续减小。在经过填料区时, 受到两种作用的影响, 空气压力下降迅速。在经过配水区时, 空气压力继续减小, 但幅度并没有填料区的大。在经过除水器后, 由于冷却塔塔筒变小, 压力逐渐恢复。在经过喉部后, 空气压力又开始减小, 最终流向大气环境。

当无环境侧风时, 空气的温度场和湿度场关于冷却塔中心轴对称。空气在流入收水装置前, 塔内空气与循环水液滴并未进行传质传热, 因此空气的温度和湿度均保持不变。空气依赖塔内外的压力差产生驱动力, 使得空气有足够的速度向上流动。流经高位雨区时, 空气与循环水液滴进行传热传质, 由于两者的传质传热过程并不激烈, 使冷却塔高位雨区空气的温度与湿度都有点上升, 但幅度都很小。流经填料区时, 填料层中的空气与液滴发生传热传质, 而且由于填料区是传热传质最激烈的区域, 因此空气的温度与湿度增长幅度最大^[12]。空气在流经配水区向上流动时, 与循环水液滴进行传质传热, 空气的温度和湿度继续升高, 其上升幅度比高位雨区的大, 较之填料区的小, 并且在配水区上部达到最高值。在经过除水器时, 空气中的水蒸气基本被去除, 空气湿度巨幅下降。之后, 空气继续向上流动, 直至冷却塔出口, 空气的温度和湿度基本保持不变, 且冷却塔内空气的温度和湿度沿径向方向分布都较为均匀。

由于在各风速下, 高位冷却塔塔内空气的速度场、压力场、温度场和湿度场相差不大, 因此对各风速下冷却塔塔内空气的速度场、压力场、温度场和湿度场变化情况在此不一一列出。

为了更好地描述塔内流场的变化, 将高位冷却塔进风口区域分为1, 2, 3, 4共4个区域, 并且假定1区为迎风侧区域, 与来风方向的夹角范围为-45°~45°; 2区和3区为侧风侧区域, 位于迎风侧的两侧, 与来风方向的夹角范围分别为45°~135°和-45°~-135°; 4区为背风侧区域, 位于迎风侧的背面, 与来风方向的夹角范围为-135°~135°^[11]。高位冷却塔进风区域的具体划分示意如图 3所示。

图 3 高位冷却塔进风区域划分

当环境风速小于2 m/s时, 环境风遇到高位冷却塔形成分流, 之后向冷却塔侧面区域流动, 与冷却塔侧面区域外部气流发生碰撞, 使得冷却塔侧面区域外部气流的径向风风压变小, 导致2区和3区的进风速度减小, 其进风量也相应减小。塔外迎风侧的压力随着环境风速的增加而增大, 使得1区的进风风速增加, 从而使1区的进风量也相应增加。1区和4区两股强度相近的气流相遇后, 在靠近中心区域处卷起反向漩涡, 因此中心区的进风阻力会增加。高位冷却塔出口的空气气流受到横向风的作用, 向背风侧轻微偏斜。此时, 高位冷却塔塔内空气各类流场的对称性与无侧风时相比已有偏差, 但由于侧风风速较小, 偏差并不明显, 而且各处的进塔风速仍然近似相等, 进风口上部的回流漩涡变化并不明显。塔内外空气的速度场、压力场、温度场和湿度场与无侧风时相比无太大区别, 仍可看作关于塔中心轴对称, 其冷却效率与无侧风并无太大区别。

当环境风速为2~4 m/s时, 高位冷却塔塔内外空气流场的轴对称性遭到进一步破坏。环境风绕过高位冷却塔的流速提高, 与冷却塔侧面区域外部气流的碰撞更加剧烈, 导致侧面区域外部气流的径向风风压再次减小, 2区和3区的进风速度进一步减小, 使得进风量继续减小。两股分流绕过高位冷却塔后在冷却塔4区进风口塔外相撞形成漩涡, 漩涡体积随着环境风速的提高而增大, 使得4区塔外环境风的进风阻力不断增加, 4区的进风量减少。同时, 由于高位冷却塔1区的进风速度增加, 对4区进风产生的压迫阻力进一步增强, 1区和4区两股气流的碰撞位置向背风侧偏移, 因此1区的进风量增加, 4区的进风量减少。收水装置塔芯位置产生回流漩涡, 且随风速的增大而增大, 其有效通风面积明显减少。高位冷却塔出口空气气流向背风侧偏斜角度变大, 塔内空气排入大气环境的过程开始受到环境风的抑制。此时, 塔内外空气的速度场、压力场、温度场和湿度场的对称性已遭到破坏, 中心向背风侧偏移, 冷却效率变为无侧风时的88%~96%^[12]。

当环境风速为4~10 m/s时, 随着环境风速的增加, 侧风对高位冷却塔侧面区域外部空气流场的破坏更加严重, 2区和3区的进风风速进一步减小, 其进风量继续减少; 侧风绕过高位冷却塔, 在4区塔外进风口处形成更大的漩涡, 阻碍4区外部空气进入冷却塔; 当环境风速为4 m/s时, 开始出现穿堂风的现象^[13], 有一部分风从1区进入后并未进行换热, 反而直接从4区流走, 环境风速越大, 穿堂风量越多。此外, 由于塔内压力分布严重不均, 导致收水装置的回流漩涡占据了收水装置的大半区域, 回流漩涡区体积随着环境风速的增加而增大, 造成塔内空气流动减弱, 大量高温空气聚集在4区上部; 在迎面风横向风的作用下, 冷却塔出口空气气流的偏斜角度大幅增加, 对塔内空气流入大气的抑制作用更强, 塔的抽吸能力随环境风的增大而大大降低。此时, 塔内外空气的速度场、压力场、温度场和湿度场的对称性被严重破坏, 高位冷却塔通风量仅为无侧风时的73%~91%, 冷却效率变为无侧风时的76%~88%^[13-14]。

当环境风速大于10 m/s时, 高位冷却塔的通风量又会再一次增加, 但由于冷却塔的贯穿风现象以及侧风对冷却塔出口空气的抑制作用仍然存在, 因此冷却塔的冷却效率虽有提高, 但增加幅度并不大^[10]。

结合文献[10-14]的研究, 可得出不同环境侧风下, 高位冷却塔通风量以及出塔水温的变化情况, 如图 4所示。

图 4 不同环境侧风下高位冷却塔的通风量和出塔水温变化曲线

由图 4可知, 无环境侧风时, 高位冷却塔内外流场关于中心轴对称, 此时通风量最高, 出塔水温最低; 当环境侧风小于10 m/s时, 随着风速的增大, 轴对称性逐渐被破坏, 通风量不断变小, 出塔水温持续升高; 当环境侧风大于10 m/s时, 通风量略有增加, 出塔水温略有降低。

无环境侧风时, 高位冷却塔内外空气速度场、压力场、温度场和湿度场关于塔中心轴对称, 此时冷却塔通风量最大, 出塔水温最低, 只有25.9 ℃, 冷却效率最高。存在环境侧风时, 高位冷却塔内外各流场的对称性会不同程度地受到破坏, 而且当风速小于10 m/s时, 风速越大, 破坏程度越大, 冷却塔的通风量越小, 出塔水温升高, 冷却塔冷却效率降低, 严重时只有无侧风时的76%。因此, 环境侧风对高位冷却塔的冷却性能有不利影响。在高位冷却塔的优化研究过程中, 消除或减少环境侧风对冷却塔内外流场对称性的破坏非常重要, 应该予以重视。