对于间接空冷系统, 来自凝汽器的循环水流经空冷散热器管内, 管外冷却空气受自然通风冷却塔内外空气密度差产生的浮升力驱动流经散热器翅片管束, 实现和循环水的热量交换, 因此环境风对间接空冷系统的输运性能具有很大影响。针对风场效应, 国内外研究更多关注的是夏季高温、或全年平均气温条件下散热器空气侧的流动换热特性, 揭示空冷扇区及散热器单元的输运性能差异和不平衡温差, 并提出相应的系统优化和改进措施。
针对环境风的不利影响, Kroger等首先提出了加装挡风墙来有效地提高散热器单元水平布置和竖直布置方式的间接空冷系统的冷却性能。Zhai等研究了挡风墙对空冷电站串联布置的双塔流动换热性能的影响, 指出双塔侧面布置、且挡风墙宽度在10m～20m之间时可大幅度提高双塔冷却效率。Lu等应用数值方法研究了风向为0°、10°、20°、30°、40°、50°、和60°时的风向效应, 指出与同等风速条件下间接空冷系统的冷却性能与风向高度相关, 在风向为0°和60°时, 加装三叶片式挡风墙可完全消除环境风的不利影响, 而其它风向在某风速条件下仍导致输运性能下降。此外, 以15m高的小型间接空冷系统为数值模拟研究对象, Lu等指出加装挡风墙可实现风资源的合理利用, 使具有不利影响的冷却空气进入空冷散热器进行换热。
Ma等优化了挡风墙的加装角度, 结果表明在低速风场中, 冷却空气的流动干涉现象消失, 在高速风场中, 冷却空气在散热器外部的二次流得到强化。Chen等探究了在空冷散热器内外加装挡风墙对冷却效率的影响, 通过分析散热器整体和扇区局部的流动及温度分布特性, 指出挡风墙外侧布置优于内侧布置并能在高风速环境下有效降低汽轮机背压。Gu等研究了固体挡风墙、塔内固体交叉墙、塔内网状交叉墙、以及百叶窗四种挡风墙结构, 指出固体挡风墙为提高空冷塔冷却效率的最优结构, 但受到环境风向的限制, 而百叶窗可通过灵活控制来提高不同风向条件下的冷却效率。
针对塔体结构, Goodarzi等设计了一种新型冷却塔, 在风速为10m/s条件下, 间接空冷系统的冷却效率可提高9%。为降低塔体风力载荷, Goodarzi等提出了降低塔体高度的建议。针对空冷电站中的双塔布置, Liao等研究了塔间距对整个空冷系统输运性能的影响, 指出塔间距较小时, 双塔之间的空气流动干扰加剧, 从而恶化其冷却性能。
Goodarzi等提出了一种散热器椭圆形布置方式, Liao等则深入研究了此类椭圆形散热器匹配传统双曲线型塔体的新型间接空冷系统, 通过分析椭圆散热器长短轴比例对输运性能的影响, 指出长短轴高比率的椭圆散热器换热性能在高风速条件下最优, 因此针对常年高风速场址, 可选取高比率椭圆形散热器的间接空冷系统。另外, Liao等还提出了空冷散热器三角形布置方式, 结果表明此种新型布置方式同样能提高间接空冷系统的冷却效率。Kong等研究了散热器两侧布置的新型间接空冷系统在不同风速且环境风向为0°、45°、及90°时的输运特性, 结果表明除了在高风速14m/s且风向为90°的情况下, 其冷却效率得到明显提升。Chen等研究了散热器椭圆形布置的间接空冷系统流动换热特性, 指出常年高风速厂址应选取长短轴高比例的空冷散热器。Kong等研究了散热器周向布置的自然通风直冷系统, 结果表明翅片管束间的空气扰流在低风速条件下完全消除, 且侧风扇区在高速风场中的空气入口涡流也得到明显抑制。
Ahmadikia等通过数值模拟和理论计算分析了喷雾和环境风对自然通风冷却塔性能的影响, 并与其它实验结果进行了对比来验证数值模拟的可靠性。结果表明喷雾预冷可有效增强间冷塔的冷却性能, 且在一定范围内, 喷水量越大冷却效果越明显。He等通过建立模型实验探究了两种滴流介质的预冷效果, 指出选择预冷媒介时要综合考虑预冷效果和阻力损失。Xia等通过建立了风道数值模型并对比了水平和垂直喷雾冷却的预冷效果, 结果表明在夏季高温时, 在相同的风速条件下, 垂直喷雾的冷却效果更优, 同时完全蒸发的喷雾流量随风速增加则急剧降低, 并且环境温度和湿度也会影响完全蒸发流量。杨作梁等比较了对大型直接空冷机组加装直接喷淋装置、蒸发式凝汽器、表面式凝汽器这3种技术方案, 从多个方面对机组性能进行分析并提出了适用条件, 为电厂技术改造提供理论参考。
Heyns和Kröger等将直接空冷系统中的部分空冷单元替换为干湿联合冷却单元并引入干湿两用换热管束来优化传热性能。通过实验研究得到了干湿两用管束的液膜传热系数、空气—水质量转换系数、以及空气侧压降的实验关联式, 结果表明当环境温度偏高时, 干湿联合冷却系统处于湿冷模式运行时可获得与大尺度空冷凝汽器相同的低背压值, 而干湿联合系统所需代价却低于直接空冷系统。Asvapoositkul等通过实验和数值模拟分析对比了不同工况下湿冷、干冷、以及干湿联合冷却系统的热力性能, 指出循环水与空气流量比值为影响冷却系统的关键因素。此外, 干湿联合冷却系统的热力性能介于湿冷和干冷之间并取决于干湿端的冷却空气流量。
上述国内外研究涵盖了加装挡风墙、空冷塔和空冷散热器结构改造、以及蒸发辅助冷却和干湿联合技术。事实上, 在工程实际中考虑空冷散热器不同扇区的循环水流量重新分配可同样实现电站机组的经济运行。此外, 具有创新意义的理论模型, 例如与太阳能的结合、与萨伏纽斯转子的结合等, 则为后续研究提供了理论参考。
摘要：间接空冷系统在缺水地区得到了广泛的应用。在有风时, 环境风会间接空冷系统的热力性能产生不利影响。因此, 有必要采取一定的措施来削弱环境风的影响。本文概述了提高环境风下间接空冷系统换热性能的改进措施, 主要包括加装挡风墙、优化空冷系统结构、采用干湿联合技术等。
关键词：间接空冷系统,环境风,优化措施
[1] 焦庆雅.三塔合一间接空冷系统流动传热特性研究[D].华北电力大学, 2018.
[2] 陈磊.适应复杂环境风场的空冷传热表面构建及风场诱导调控[D].华北电力大学 (北京) , 2017.
[3] 黄钰琛.合建式干湿联合冷却系统的传热流动特性数值模拟研究[D].华北电力大学 (北京) , 2017.
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