CN112461012A - 一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法及系统 - Google Patents

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胡孟起
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Abstract

本发明提出一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法及系统,通过建立部分冷却塔的模型,减少计算的几何模型和计算网格数量,且无需空冷系统与喷雾冷却系统耦合计算的方式进行喷嘴布置设计,以喷雾冷却的最大完全蒸发水量作为评价空冷系统喷雾冷却效果,即在保证不造成空冷散热器的结垢与腐蚀的前提下,喷雾冷却实际可实现的最大冷却效果。此外在空冷系统中,如喷雾冷却的水滴未完全蒸发,将造成空冷散热器的结垢与腐蚀,为更加合理、全面的评价喷雾冷却的冷却效果。

Description

一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法及系统
技术领域
本发明涉及联合循环机组空冷领域,具体为一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法及系统。
背景技术
随着工业化、城市化以及人口的继续增长,水资源稀缺的问题变得更加突出。在湿冷塔中,冷却水的热量主要通过蒸发冷却的方式传给空气。该方式能够显著提高冷却水系统的运行性能,但是会导致大量的冷却水蒸发到空气中。相比之下,在空冷系统中,冷却水的热量主要通过自然对流换热的方式散出,避免了冷却水与空气直接接触换热方式所不可避免带来的水资源消耗。因此,当在缺水地区建造联合循环机组时,考虑到当地用水的限制,空冷系统可成为一个非常有竞争力的选择。但是,在夏季高温情况下,空冷系统的换热性能随着环境干球温度的升高而显著降低,而此时正好是全社会用电高峰期,因此,为空冷系统安装并使用喷雾冷却系统,使少量水在空冷系统的进口空气中被蒸发,降低进口空气温度,可提升联合循环机组的出力或热效率,对于提升联合循环机组的经济性有显著帮助。
喷雾冷却系统已经在许多工程领域中得到了广泛的运用,如燃气轮机压气机进口空气冷却、楼宇空调系统节能、楼宇的热环境舒适性提升等。目前,全世界超过1000台的燃气轮机都已经安装了喷雾冷却系统。喷雾冷却系统除了在以上的工程领域得到运用外,近年来也开始在空冷系统中得到应用。但与燃气轮机压气机、楼宇空调系统等的应用场景不同的是,在空冷系统中,如喷雾冷却的水滴未完全蒸发,将造成空冷散热器的结垢与腐蚀,并且空冷系统的使用环境也决定空冷系统应节约水分,尽量使喷雾水完全蒸发用于降低空气温度,因此空冷系统的喷雾冷却需确保水滴能够完全蒸发。
在目前的喷雾冷却系统设计中,普遍采用数值模拟的方式,进行喷嘴的布置设计,如针对空冷系统和喷雾冷却系统采用全尺寸的方式进行数值模拟的耦合计算,为保证计算精度,所需的计算网格数量将过大,超过一般计算机的计算能力。
发明内容
针对目前的喷雾冷却系统设计过程中,计算网格数量过大的问题,本发明提供一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法及系统,通过采用较小的计算几何模型和较少的计算网格数量,且无需空冷系统与喷雾冷却系统耦合计算的方式进行喷嘴布置设计。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,包括以下步骤:
步骤1、建立稳态的部分空冷塔几何模型进行数值模拟计算,确定空冷塔风口处的风场;
步骤2、以空冷塔风口处的风场作为喷雾冷却系统的几何模型边界条件中的入口空气风速,同时设定喷设定喷嘴群的布置方式以及喷雾水量,然后进行数值模拟计算,确定当前喷嘴布置方式下的喷雾水量的蒸发率;
步骤3、根据蒸发率调节喷雾水量并重新进行数值模拟计算,直至蒸发率为达到100%,得到最大蒸发水量;
步骤4、确定在最大蒸发水量下,水滴与几何模型对称边界的距离,当水滴与模型边界的距离大于设定值,则修改喷嘴的布置方式,并重复步骤2和3,直至水滴与模型边界的距离小于设定值,根据修改后的喷嘴的布置方式设计冷却塔的喷雾系统。
优选的,步骤1中空冷塔几何模型的顶部设置为压力出口,两个侧面分别设置为压力进口和对称的边界条件,空冷塔模型的换热器采用radiator模型以模拟换热器的换热特性。
优选的,所述radiator模型的的换热模型和阻力模型的表达式如下:
qdt=hdt(Tdt,r-Tdt,a2)
Figure BDA0002793683850000031
式中:qdt为空冷散热器的热通量,W/m2;hdt为空冷散热器的传热系数,W/m2.K;Tdt,r为空冷散热器的温度,℃;Tdt,a2为空冷散热器出口空气温度,℃;ΔPdt为空冷塔内的空气抽力,Pa;Kdt,l为塔内空气压损系数;ρdt,a为塔内空气的密度,kg/m3;vdt,a为塔内空气的风速,m/s。
优选的,当步骤2得到的喷雾水量的蒸发率小于100%,则减小喷雾水量并重新数值模拟计算,直到蒸发率达到100%,当喷雾水量的蒸发率已达到100%,则逐渐增大水量并重新开展数值模拟计算,直到蒸发率不超过100%。
优选的,当喷雾水量的蒸发率到100%,有水滴穿过换热器,则继续减少喷雾水量,并重新进行数值模拟计算,直至没有水滴穿过换热器。
优选的,所述蒸发率与喷雾水量变化关系,其中最大完全蒸发水量需满足以下条件:
Figure BDA0002793683850000032
式中:Evr为蒸发率;mev为蒸发水量,kg/s;mevhex为穿过换热器底部截面的蒸发水量,kg/s。
优选的,步骤4中当水滴距离对称边界的距离大于设定值,缩小模型的尺寸,并减少喷嘴之间的间距,并重复步骤2-3,直至水滴与对称边界的距离小于预定距离。
一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计系统,该系统运行时用于所述联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法的过程。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明提出一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,通过建立部分冷却塔的模型,减少计算的几何模型和计算网格数量,且无需空冷系统与喷雾冷却系统耦合计算的方式进行喷嘴布置设计,以喷雾冷却的最大完全蒸发水量作为评价空冷系统喷雾冷却效果,即在保证不造成空冷散热器的结垢与腐蚀的前提下,喷雾冷却实际可实现的最大冷却效果。此外在空冷系统中,如喷雾冷却的水滴未完全蒸发,将造成空冷散热器的结垢与腐蚀,为更加合理、全面的评价喷雾冷却的冷却效果。
附图说明
图1为本发明空冷塔全尺寸的几何模型;
图2为本发明空冷塔的几何模型和边界条件;
图3为本发明空冷塔数值模拟结果中进风口处风场;
图4为本发明喷雾冷却系统的部分尺寸计算几何模型和边界条件;
图5为本发明喷雾冷却系统数值模拟结果中进风口处风场;
图6为本发明蒸发率随喷雾水量的变化关系、最大完全蒸发水量;
图7为本发明水滴距离“对称”边界条件较远的计算几何模型(单喷嘴);
图8为本发明某一喷嘴群布置方式下的最大蒸发水量计算流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,包括以下步骤:
步骤1、在空冷塔的稳态情况下,建立空冷塔的几何模型进行空冷塔的数值模拟计算,通过空冷塔数值模拟计算获得空冷塔进风口处的风场,并作为空冷塔喷雾冷却数值模拟计算的边界条件,以模拟空冷塔喷雾冷却的真实运行环境。
具体的,一般情况下,需建立空冷塔的全尺寸模型进行空冷塔的数值模拟计算,如图1所示,但空冷塔在无侧风情况下稳定运行时,空冷塔内、外的风场均是对称的。因此,为了节约计算成本,建立空冷塔部分尺寸的几何模型进行空冷塔的数值模拟计算,如图2所示。
建模过程中的参数设置如下:计算几何模型的顶部部分设置为“压力出口”,而两个侧面部分分别设置为“压力进口”和“对称”的边界条件。地面、塔壁面部分和喷嘴的延伸顶盖部分均设置为无滑移、绝热、粗糙度厚度为0的“墙”,同时在“墙”附近使用标准壁面函数;该计算几何模型的“压力进口”、“压力出口”的空气温度均设置为空冷塔喷雾冷却系统的夏季典型运行温度(40℃);三维的纳维斯托克方程将用于描述塔内的空气流场;空气被假设为不可压缩流体,因此,在数值模拟过程中将使用布辛涅司克近似,同时采用realizable k-ε湍流模型以模拟湍流的影响,并采用二阶迎风的离散精度;空冷塔换热器采用“radiator模型”以模拟空冷塔换热器的换热特性,通过塔内空气密度的变化,形成自然抽力,最终在塔内形成风场。“radiator模型”的换热模型和阻力模型如下式所示:
qdt=hdt(Tdt,r-Tdt,a2) (1)
Figure BDA0002793683850000061
式中:qdt为空冷散热器的热通量,W/m2;hdt为空冷散热器的传热系数,W/m2.K;Tdt,r为空冷散热器的温度,℃;Tdt,a2为空冷散热器出口空气温度,℃;ΔPdt为空冷塔内的空气抽力,Pa;Kdt,l为塔内空气压损系数;ρdt,a为塔内空气的密度,kg/m3;vdt,a为塔内空气的风速,m/s。
通过空冷塔数值模拟计算获得空冷塔进风口处的风场,如图3所示。空冷塔进风口处的风场将作为空冷塔喷雾冷却数值模拟计算的边界条件,以模拟空冷塔喷雾冷却的运行环境。
步骤2、建立空冷塔部分尺寸进行空冷塔喷雾冷却的数值模拟建模,并将空冷塔数值模拟计算的进风口处的风场作为喷雾冷却系统的“速度进口”边界条件中的入口空气风速,以模拟形成空冷塔内真实风场,避免空冷系统与喷雾冷却系统耦合计算的方式进行喷雾冷却的数值模拟;通过设定喷嘴群喷雾水量,实施空冷塔喷雾冷却的数值模拟计算得到当前喷嘴布置方式下的喷雾水量的蒸发情况。
具体的,与空冷塔的建模方式一致,建立空冷塔部分尺寸进行空冷塔喷雾冷却的数值模拟建模,如图4所示。建模过程中的参数设置如下:将空冷塔数值模拟计算的进风口处的风场作为喷雾冷却系统的“速度进口”边界条件中的入口空气风速;通过该方式在空冷塔内形成真实风场(如图5所示),该风场与图3中空冷塔数值模拟计算形成的风场基本一致,可避免采用空冷系统与喷雾冷却系统耦合计算的方式进行喷雾冷却的数值模拟;该“速度进口”的空气温度均设置为空冷塔喷雾冷却系统的夏季典型运行温度(40℃);将几何模型的侧面部分设置为“对称”的边界条件,并将地面、塔壁面部分和喷嘴的延伸顶盖部分均设置为无滑移、绝热、粗糙度厚度为0的“墙”,同时在“墙”附近使用标准壁面函数;将换热器底部截面设置为内部截面,用于监控水滴是否穿过;设定喷嘴群的布置方式(注意喷嘴群的布置应保持在该几何模型内实现中心对称,以确保受水滴影响后的空气流场能依然保持对称);采用欧拉法求解空气流场(连续相)、拉格朗日法求解水滴(离散相),并采用全耦合的方式对连续相(空气)和离散相(水滴)进行联立求解,采用标准湍流模型以模拟湍流的影响;同时,在数值模拟的过程中,采用二阶的离散精度。
步骤3,分析空冷塔喷雾冷却的数值模拟计算结果,如喷雾水量的蒸发率小于100%,水未蒸发完,则逐渐减小水量并重新开展数值模拟计算,直到蒸发率达到100%,以获得最大完全蒸发水量;如喷雾水量的蒸发率已达到100%,则逐渐增大水量并重新开展数值模拟计算,直到蒸发率不超过100%,以获得最大完全蒸发水量,以避免水分的浪费;
同时监控是否有水滴穿过换热器底部截面,如有水滴穿过,则减小水量重新进行数值模拟计算,直到未有水滴穿过换热器底部截面,以避免空冷换热器的结垢与腐蚀;进而得到当前喷嘴布置方式下的最大完全蒸发水量。
图6为蒸发率随喷雾水量变化关系,其中最大完全蒸发水量需满足以下条件:
Figure BDA0002793683850000071
式中:Evr为蒸发率;mev为蒸发水量,kg/s;mevhex为穿过换热器底部截面的蒸发水量,kg/s。
步骤4,步骤3的数值模拟结果中,水滴距离“对称”边界的距离,如该距离大于1米,则说明针对当前喷嘴群建立的计算几何模型偏大(如图7所示),这意味着在实际的喷嘴布置中,喷嘴群间的间距可以减小。因此需减小计算几何模型大小,通过增大图4计算几何模型的圆心角大小的方式实现,并重复步骤2-4,确定当前的喷嘴群布置方式下的最大完全蒸发水量,并且使水滴距离“对称”边界的距离小于预定距离。计算步骤如图8所示。
步骤5,根据步骤得到的喷嘴群布置作为最优的喷嘴群布置方式,并将该喷嘴群的布置方式应用于全塔的喷雾系统的设计。
本发明提出一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,通过采用较小的计算几何模型和较少的计算网格数量,且无需空冷系统与喷雾冷却系统耦合计算的方式进行喷嘴布置设计。并且部分公开发表的文献中,片面的以冷却效率(空气出口状态接近湿球温度的程度)等指标对喷雾冷却系统的效果进行评价,而忽略对喷雾冷却的实际蒸发率提出要求。基于以上考虑,并利用喷雾冷却的最大完全蒸发水量对喷雾冷却性能进行评估,即在保证不造成空冷散热器的结垢与腐蚀的前提下,喷雾冷却实际可实现的最大冷却效果,以指导喷雾冷却的设计。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、建立稳态的部分空冷塔几何模型进行数值模拟计算,确定空冷塔风口处的风场;
步骤2、以空冷塔风口处的风场作为喷雾冷却系统的几何模型边界条件中的入口空气风速,同时设定喷设定喷嘴群的布置方式以及喷雾水量,然后进行数值模拟计算,确定当前喷嘴布置方式下的喷雾水量的蒸发率;
步骤3、根据蒸发率调节喷雾水量并重新进行数值模拟计算,直至蒸发率为达到100%,得到最大蒸发水量;
步骤4、确定在最大蒸发水量下,水滴与几何模型对称边界的距离,当水滴与模型边界的距离大于设定值,则修改喷嘴的布置方式,并重复步骤2和3,直至水滴与模型边界的距离小于设定值,根据修改后的喷嘴的布置方式设计冷却塔的喷雾系统。
2.根据权利要求1所述的一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,其特征在于,步骤1中空冷塔几何模型的顶部设置为压力出口,两个侧面分别设置为压力进口和对称的边界条件,空冷塔模型的换热器采用radiator模型以模拟换热器的换热特性。
3.根据权利要求2所述的一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,其特征在于,所述radiator模型的的换热模型和阻力模型的表达式如下:
qdt=hdt(Tdt,r-Tdt,a2)
Figure FDA0002793683840000011
式中:qdt为空冷散热器的热通量,W/m2;hdt为空冷散热器的传热系数,W/m2.K;Kdt,r为空冷散热器的温度,℃;Tdt,a2为空冷散热器出口空气温度,℃;ΔPdt为空冷塔内的空气抽力,Pa;Kdt,l为塔内空气压损系数;ρdt,a为塔内空气的密度,kg/m3;vdt,a为塔内空气的风速,m/s。
4.根据权利要求1所述的一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,其特征在于,当步骤2得到的喷雾水量的蒸发率小于100%,则减小喷雾水量并重新数值模拟计算,直到蒸发率达到100%,当喷雾水量的蒸发率已达到100%,则逐渐增大水量并重新开展数值模拟计算,直到蒸发率不超过100%。
5.根据权利要求4所述的一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,其特征在于,当喷雾水量的蒸发率到100%,有水滴穿过换热器,则继续减少喷雾水量,并重新进行数值模拟计算,直至没有水滴穿过换热器。
6.根据权利要求5所述的一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,其特征在于,所述蒸发率与喷雾水量变化关系,其中最大完全蒸发水量需满足以下条件:
Figure FDA0002793683840000021
式中:Evr为蒸发率;mev为蒸发水量,kg/s;mevhex为穿过换热器底部截面的蒸发水量,kg/s。
7.根据权利要求2所述的一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法,其特征在于,步骤4中当水滴距离对称边界的距离大于设定值,缩小模型的尺寸,并减少喷嘴之间的间距,并重复步骤2-3,直至水滴与对称边界的距离小于预定距离。
8.一种联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计系统,其特征在于,该系统运行时用于执行权利要求1-7任一项所述联合循环机组空冷系统喷雾冷却设计方法的过程。
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