1. 引言
现有阶段国内外已有大量空冷机组在运行之中。对空冷系统技术的研究，主要关注的是空冷系统的安全性和运行效率。由于间冷空冷系统是由自然循环的空气将汽轮机排放乏汽的热量散至周围环境的中，因此环境风变化会影响间冷塔的有效工作，特别是高温大风的极端条件下，间接空冷系统散热能力迅速恶化，导致没有足够冷却介质冷却，可能会导致背压在瞬间升高至“掉闸”[1] 。从而导致空冷系统的安全性和运行效率降低。其中在环境风的影响主要表现在风速、风温和风向的影响[2] 。
杜向东[3] 通过风洞实验方法研究了侧风对空冷塔不利影响的机理，并且针对风不利影响的不同因素，给出了一些空气动力措施对空冷塔加以改进，用以提高空冷塔的抗风能力。A. F. du Preez和D. G. Kriiger [4] 指出，侧风对空冷塔的影响很复杂，并且受很多不同因素的影响，如风速、进风口的形状、塔高、热量损失等。M. Goodarzi和R. Ramezanpour [5] 对横风下的间冷塔进行了数值模拟，提出使用椭圆型的横切面的间冷塔可以减少大风对间冷塔散热的影响。赵振国[6] 等人提出海勒系统的空冷塔，在大风作用下其散热能力明显降低，并对山西大同电厂一台200 MW的空冷机组进行研究，得出对比湿冷机组的煤耗，仅大风影响一项(除去气温5℃以下的风影响)，年平均约增加了3~4 g/kw·h。
本文采用数值模拟计算[7] 的方法，对2 × 600 MW空冷机组水平布置的间接空冷系统在风速、风温、风向变化时，其性能发生的相应变化进行了系列研究，最终为工程设计选择空冷系统方案提供技术研究支持。
2. 水平布置间接空冷系统的结构
2 × 600MW机组一机一塔水平布置空冷塔结构见表1，建立的几何模型和计算区域见图1。计算边界为1500 × 1500 × 1000 m(高度)。
为了方便分析，把一周平均分为10个扇段，即每36˚设立一个扇段。如图2所示，以右侧逆时针命名为扇段1，扇段2、扇段3、……、扇段10。
3. 水平布置间冷塔研究的分析方法
在本课题中采用FLUENT[8] 软件对典型2 × 600MW机组工程空冷系统进行数值模拟计算。由于建筑
Table 1. The structure of the auxiliary cooling tower and the layout of the radiator
表1. 间冷塔的基本结构和散热器布置
Figure 1. The geometric model of the auxiliary cooling system in the horizontal arrangement
图1. 水平间接空冷系统几何模型
Figure 2. The fan section of the auxiliary cooling tower
图2. 水平间冷塔扇段命名图
物通常是钝体，钝体的绕流伴随着流动的分离、再附以及尾迹区的非定常涡脱落等复杂特征。本文对于建筑物造成的流场变化的模拟采用RNG
模型，RNG
模型是基于重整化群(Renormalization Group)技术的一种湍流模型。从上世纪70年代后期开始，人们把RNG方法引入到湍流研究领域，Yakhot和Orszag [9] 于1986年应用RNG方法建立了第一个湍流模型，并显示出它较之传统湍流建模方法的若干显著的优点。自基于RNG方法的湍流模型提出以后，许多学者应用该模型分别求解了绕后台阶湍流分离流动和三维叶栅通道内湍流流场，获得与实验数据符合较好的结果。王远成、吴文权[10] 将RNG
模型应用于方柱和圆柱绕流流场的数值模拟得到了较好的结果，说明RNG
湍流模型能够较好地反映钝体绕流流场的复杂特性。采用能量守恒，质量守恒以及动量守恒方程，加之RNG 湍流动能方程以及湍流耗散率方程组成封闭的流动方程组建立求解的数学模型。
电厂周围环境空气风场可以看成是不可压缩的，外流场应满足的三维控制方程为：
RNG
模型的湍流动能方程为：
湍流耗散率方程：
式中，
为湍流动能，
为湍流耗散率，
，
为湍流粘性系数，
。
其中翅片管散热器在模型中采用FLUENT中的散热器来模拟，设定散热器阻力系数和换热系数。入口边界条件[11] 采用速度入口边界条件，在本文中采用大气边界函数出口边界条件；选用压力出口边界条件(Pressure-outlet)，根据大气压与海波高度的关系给定流动出口边界上的静压；其他边界包括地面，建筑物表面都采用壁面边界条件(Wall)，且不考虑其散热或吸热，只对流动产生影响。
假定外流场为不可压缩，基本控制方程中的连续方程和动量方程必须采取耦合方式将压力和密度联立，因此采用SIMPLE方法求解控制方程。
4. 环境风对水平布置间冷塔的影响
4.1. 风向对水平布置间冷塔性能的影响
环境温度15℃，设计背压11 kPa，10 m高度环境风速选取4.5 m/s，风向为45˚间隔。
图3和图4是各个扇段在不同的风向下的出水温度，从图中可以看出，受风向影响最大的是外周的
Figure 3. Distribution of the outlet temperature of the sectors of unit 1 in different wind directions
图3. 各个风向下塔1各扇段的出水温度分布比较
Figure 4. Distribution of the outlet temperature of the sectors of unit 2 in different wind directions
图4. 各个风向下塔2各扇段的出水温度分布比较
散热扇段，内层的扇段受影响较小，出水温度高的是迎风扇段，出水温度低的是下游扇段，因此对于水平间冷塔迎风扇段的冷却能力最低。可以看出侧向来风时塔1的出水温度为34.99℃，塔2为32.79℃。且从塔的平均出水温度看，最佳的风向是侧向来风，各个风向下扇段出水温度最大的差异相近，侧向风时各个扇段的出水温度相对较小，因此建议采用侧向来风作为主导风向。
4.2. 风速对水平布置间冷塔性能的影响
环境温度15℃，设计背压11 kPa，10 m高度风速选取静风0~20 m/s，2 m/s为一个间隔。侧向来风与法线方向为90˚，塔1在来风的迎风端。
从计算结果看，在侧向来风时，受影响的是上游扇段，而且随着风速的提高影响的扇段向下游推进，在风速小于2 m/s时，水平间冷塔的散热能力几乎不受风速的影响，风速增加到6 m/s之后随着风速的提高，影响的扇段增加较多，下游扇段1，2，3，4随风速的增加并没有快速的降低散热能力，而是缓慢升高，因此风速的影响主要发生在上游扇段，而最大的影响发生在6 m/s以上的高风速。迎风扇段对风速更敏感，在风速增加时，出水温度持续增高，上游塔的出水温度随风速的变化剧烈程度高于下游塔。以下图5和图6是各个扇段在不同的风速下的出水温度。由图可以看出6 m/s时塔1的平均出水温度为36.32℃，塔2为33.69℃。
4.3. 风温对水平布置间冷塔性能的影响
设计背压11 kPa，10 m高度风速4.5 m/s，正面来风与法线方向为180˚，环境温度为极端低温到极端高温分布。
Figure 5. Distribution of the outlet temperature of the sectors of unit 1
图5. 塔1各扇段的出水温度
Figure 6. Distribution of the outlet temperature of the sectors of unit 2
图6. 塔2各扇段的出水温度
从计算结果看，环境温度降低，扇段的出水温度降低，在极低温度下，扇段的最大温度差可以达到20℃，水平布置的各个扇段的出水温度差异较大，而且低温下的扇段最低出水温度更低。在设计条件相同的条件下，水平布置受风温大的影响较敏感。即使在静风的条件下各个扇段的出水温度差异也比较大。所以在冬季水平间冷塔的防冻更有必要选择扇段进行。以下图7和图8是各个扇段在不同的风温下的出水温度。由图可以看出在低温−21.7℃的条件下塔1的平均出水温度为12.51℃，塔2为12.57℃；而在高温31℃的条件下塔1的平均出水温度为48.89℃，塔2为48.91℃。
5. 结论
1) 受风向影响最大的是外周的散热扇段，出水温度高的是迎风扇段，从塔的平均出水温度看，最佳的风向是侧向来风。
2) 在侧向来风时，风速主要的影响发生在上游扇段，而最大的影响发生在6 m/s以上的高风速。
3) 水平布置受风温的影响较敏感，即使在静风的条件下各个扇段的出水温度差异也比较大。
Figure 7. Distribution of the outlet temperature of the sectors of unit 1
图7. 塔1各扇段出水温度
Figure 8. Distribution of the outlet temperature of the sectors of unit 2
图8. 塔2各扇段出水温度
4) 因间冷塔塔型较大，实验所得的模拟结果很难进行实地验证，下一步的研究主要看重模拟数据和实测数据的比较。
NOTES
*通讯作者。
通讯作者简介：顾红芳（1965-），江苏南通人，副教授，主要从事大型空冷机组关键技术研究