排烟冷却塔流场及排烟风洞模拟实验研究

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排烟冷却塔流场及排烟风洞模拟实验研究

侯明胜，郝建宏

（神华国华九江发电有限责任公司，江西九江332500）

摘要：神华国华九江发电有限责任公司委托国电环境保护研究院针对国华九江电厂百万机组排烟冷却塔进行风

洞实验，对排烟冷却塔排烟方式的环境可行性进行论证，以验证烟气能否可靠排出。实验测量了主要气象条件和工况下的冷却塔内的流场，对塔内外浓度进行了模拟，进行了排烟可视化风洞实验。结合九江项目地理位置和项目特点，提出了工程建议。关键词：排烟冷却塔；流场；风洞模拟中图分类号：TM721.9

文献标志码：B

体化工程可行性研究总报告书（送审版）》，中国电力

0引言

神华国华九江电厂新建项目地处江西省湖口县，

工程顾问集团中南电力设计院，2011年9月；

2）《国华九江电厂一期2×1000MW新建工程烟塔合一风洞实验（环评）需要资料》，2013年3月；

3）九江地区2011年逐时、逐次气象资料。

厂址紧邻长江，所在地降水丰沛，高湿度天气较多，且厂址周边500m范围内有居民小区，采用“烟塔合一”的排烟方式存在一定的环境风险，尤其在脱硫、脱硝系统出现故障时，环境影响更大。因此，神华国华九江发电有限责任公司委托国电环境保护研究院针对国华九江电厂百万机组排烟冷却塔制作模型并进行风洞实验，对排烟冷却塔排烟方式的环境可行性进行论证，以验证烟气能否可靠排出，为是否采取“烟塔合一”的排烟冷却塔提供决策参考。

2

2.1

实验理论及方法

相似准则

污染物的传输与扩散是在大气边界层中进行的，

2.1.1模拟大气边界层的相似要求

因此，正确地模拟大气边界层至关重要。这主要是指要在环境风洞中产生与工程所在地大气边界层中相似的风速分布及湍流结构分布。为此，试验必须满足模型与原型的几何相似、边界条件相似、两种流动的运动相似和动力相似的要求。2.1.2模拟烟气抬升和扩散的相似要求

在模拟烟囱排放污染物的抬升和扩散时，不仅要合理地模拟大气边界层的湍流结构，而且还要正确地模拟烟流本身。

2.1.3本实验所采用的相似参数

根据本项试验的特点，选择的几何比λL=1：

1

1.1

实验内容及实验资料依据

实验内容

1）测量主要气象条件和工况下（补充气象条件

和工况），冷却塔内的流场；

2）塔内外浓度模拟；3）排烟可视化风洞实验。1.2

实验资料依据

1）《神华江西国华九江煤炭储备（中转）发电一

作者简介：

侯明胜（1960-），男，高工，主要从事火电厂热机技术管理。

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发电技术

POWERGENERATIONTECHNOLOGY400，大气边界层的模拟，使风洞模拟边界层的流动成为充分发展的湍流，边界层的风廓线按指数律，根据现场地形特点，选定风廓线指数p=0.193。运动相似和动力相似准则采用全相似的相似准则。2.2实验仪器与设备2.2.1双实验段环境风洞

环境风洞为双实验段风洞，主要技术性能

如下：

第一实验段：宽3.5m，高2.2m，长20m；风速调整范围0.1～6.4m/s。

第二实验段：宽1.5m，高1.2m，长20m；风速调整范围0.5～25m/s。2.2.2

MKS270高精度压力传感仪

MKS270高精度压力传感仪主要用于高精度流场压力的测量，具有极高的测量精度，可以测量极小的压力波动，也可用该仪器对实验室内的其它仪器进行标定，比如与TSI1125微型风洞一起对IFA300热线风速仪进行标定。2.2.3

IFA300热膜风速仪

风速廓线和湍流强度的测量使用IFA300智能流动分析仪，即热膜风速仪。其测量探头为直径20μm，长6mm镀铂膜的玻璃丝，不仅对流场基本没有干扰，而且响应频率非常高，可达到40kHz以上，非常适用于测量流动的湍流特性。2.2.4

全自动采样分析系统

全自动采样分析系统由48点自动采样器和HP-70A气相色谱仪两部分组成，48点自动采样器采集样品后，逐个送入HP-70A气相色谱仪分析。2.3实验方法

2.3.1

实验参数计算方法

本项目主要模拟冷却塔内部气流分布以及在环境风速很大的情况下，塔内的烟气能否顺利排出，本实验采用了全相似的相似准则。2.3.2

当地主要气象参数

多年平均降水量为1479.3mm，多年平均风速为2.7m/s，全年主导风向为NNE，频率为14%，次主导风向为NE，频率为12%，全年静风频率为16%。

多年平均气温16.8℃；多年极端最高气温0.8℃（2003年8月2日）44

2.3.3主要测量方法

1）冷却塔内部气流流场（包括烟气）分布的

测量。

对于不同分布点，采用三维移动测量坐标架和热线风速仪进行塔内各点风速的测量。

2）浓度试验

按照相似准则确定的参数，在塔内释放模拟烟气，采用专门制作的采样架，在塔内外等速采样。

3）可视化实验

底部定量释放NO2，用数码相机透过玻璃摄像，记录不同风速下的烟气在塔内外的流动场景。2.4

实验工况的选择

坐标系采用右手坐标系，以烟囱底部中心为坐标原点，下风向为x轴，向上为z轴。

风速：考虑不同环境风速对冷却塔内气流的影响，主要包括8m/s、12m/s、16m/s、20m/s（当地气象站多年统计最大风速瞬时最大风速为18m/s）；

环境温度：夏季；

设计院提供了3种运行工况，模拟实验针对BRL工况；

烟气示踪迹模拟，除塔内气流测量风速外，增加了5m/s的风速。2.5

浓度模拟测量和摄像烟气实验参数的确定2.5.1设计原型参数

冷却塔及内部烟道尺寸见表1。

表1

冷却塔尺寸参数

塔高/m底座直径/m喉部直径/m塔出口直径/m烟道高度/m烟道出口内径/m197.602142.93977.94688.069558.62.5.2烟气参数及环境温度的选择

设计院提供的每台炉脱硫装置出口烟气参数BMCR工况，设计/校核煤质）如下：

1）烟气量（标态、湿基）：332/336（104Nm3/h）；2）含湿量：10.84/10.913％；

3）吸收塔出口烟气密度：1.306/1.304kg/Nm3；4）烟气温度：47.5℃。2.5.3模拟烟气排放量及组分

采用密度比相等和密度弗罗德数相等计算出的排烟参数见表2。

浓度测量模拟烟气组分采用氦气（He，分子量为4）、乙烯（C2H4，分子量为28）、氮气（N2，分子量为28）

（的混合气体模拟烟气。

表2

夏季模拟参数值

实验工况1#冷却塔2#冷却塔1#冷却塔烟囱2#冷却塔烟囱相似比0.00250.00250.00250.0025éêra-rsùêër0.1070.2190.1070.219súúûm高度Hp/m197.655.0197.655.0é出口内径-dp/m79.38.679.38.6ê烟气出口温度rarsùTs/k309.5320.7309.5320.7êë烟气出口环境温度ú306.0306.0306.0306.0标态烟气量rsQúûTa/k（smNm3/s）143911.01423911.0实际烟气量Q（rm3/s）16275.01069.416275.01069.4出口速度w0p（m/s）3.2918.413.2918.41éêTs-TaùT0.01150.0480.0120.048ëaúûp模型烟囱排烟速度w0m（m/s）0.160.920.160.92Q0m（ml/min）305156.320051.6305156.320051.62.6塔内外浓度测量

2.6.1冷却塔内气流分布

冷却塔内测速点布置：以烟囱为中心点，从原型

80m高处（模型Z=200mm）向上到原型200m（模型Z=500mm），每隔50mm（相当于原型20m）布置一个水平截面，重点测量x方向，在烟囱中心及左右各测3个点，共计7个点；Y方向必要时也测量7个点。2.6.2塔内污染物浓度测量

从塔内450mm向上到550mm每隔25mm（相当于原型10m）设置一个水平采样截面，采用对称小十字架采样，X方向和Y方向都为10个采样点。塔内浓度测量现场见图1。

图1塔内浓度模拟测试

2.6.3塔外污染物浓度测量

塔外在下风向，设置两个竖直采用大十字架采样，布置，中心采样高度为600mm（相当于原型240m高，在烟羽中心附近），下风向距离为150mm。塔外浓度现场测量见图2。2.6.4可视化烟气实验

BCMR工况，不同风速情况下的试验。

江西电力·2016

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图2塔外浓度模拟测试

3

实验结果及建议

3.1

实验结果

从实验数据可以看到烟气在塔内一般都是竖着向

上，比较直，同时不断扩散，到塔口附近烟气横截面直径扩展为原先的2~3倍；但也有少量塔内烟气上升过程中发生明显弯曲，两者对应环境风速分别为16m和20m/s，可见风速加大，容易引起烟柱弯曲。3.2

主要结论

3.2.1塔内流场模拟结果

从冷却塔内气流速度分布的模拟试验结果可以得到如下结论：1）烟气在上升过程中，其轴线会向下风向偏移；2）当环境风速大于12m/s时，烟气下风向的外边缘会达到冷却塔的壁面处，而且随着环境风速的增大，烟气外边缘达到塔壁的深度会增加；3）在模拟试验所涉及的风速条件下，烟气是可以排出冷却塔的，但在塔内的下风向一侧，烟气会在相当范围内与冷却塔壁接触，并可能会滞留一定时间，这在冷却塔内壁的防腐处理上需要给以考虑；4）因为另一冷却塔以及其他高大建筑物的存在，会使烟气在横向发生一定的偏移，这种偏移随着环境风速的升高而增大。3.2.2塔内外浓度分布模拟1）在模拟试验涉及的风速范围内（相对于环境风速8m/s~20m/s），烟气是可以排出冷却塔的，但烟轴在X方向上会向下风向偏移，偏移的程度随环境风速的升高而加剧；2）当环境风速达到12m/s及以上时，烟气的高浓度区会接近于冷却塔内壁，这会带来塔壁的腐蚀问题，因此，在高风速地区，需要考虑冷却塔内壁的防腐问题；3）烟轴在Y方向因冷却塔的存在而使烟轴稍微偏移，但程度不大。

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发电技术

POWERGENERATIONTECHNOLOGY“烟塔合一”排烟方案不属于环保技术，且在发达国家没有得到普遍使用。根据初步的资料查询，在与九江地区相同的气候带上，没有发现采用“烟塔何一”排烟方式的火电厂运行，即缺少相同案例的支持。根据环保部环境工程评估中心及相关专家对“烟塔合一”排烟电厂项目的评审意见，认为“排烟冷却塔”方案的适用区域或情况主要为北方干燥、半干燥地区有建筑物限高的区域（如机场附近的净空要求了烟囱高度）和景观环境有特殊要求的地区。在国内不宜普遍使用与推广采用“烟塔合一”排烟方案。

3.2.3烟气排放的视频摄像结论

从视频照片，可以看到1）烟气在塔内一般都是

竖着向上，比较直，同时不断扩散，到塔口附近烟气横截面直径扩展为原先的2~3倍；2）在环境风速为8m/s时，烟气的边缘已经与冷却塔下风向的内沿接触，在12m/s时，塔内的烟气开始出现弯曲摆动，烟气的外缘与塔壁接触范围已达到塔高的1/4（从塔顶向下延伸），在16m/s时，接触范围达到塔高的1/3，在20m/s时，摆动更为严重，接触范围达到塔高的1/2；3）在试验的风速范围内，烟气均能排出冷却塔，只是高风速时烟气会发生摆动并与下风向的塔壁接触，这会带来腐蚀问题，需要认真对待。3.3“烟塔合一”排烟的建议上述风洞实验的研究结果是在九江地区夏季10%气象条件下，BRL工况下的模拟结果。实际运行时，仍存在可能超出上述条件的运行工况，需要调整运行工况。

参考文献：

[1]莫华，刘思湄.燃煤电厂/烟塔合一0技术环评技术评估中存在的问题与建议[J].电力环境保护，2006，25（3）：48-5.[2]HJ2.2-2008.环境影响评价技术导则.大气环境[S].

[3]林勇.烟塔合一技术特点和工程数据[J]，环境科学研究，2005，18（1）：35-39.

（上接第40页）京：中国电力出版社，2015.

[2]刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2012.[3]周孝信，卢强，杨奇逊，等.中国电气工程大典（第8卷）[M].电力系统工程.北京：中国电力出版社，2010.

参考文献：

[1]国家电网公司营销部.用电信息采集通讯技术及应用[M].北

（上接第42页）

不锈钢的阻垢效果不好。单一PASP对304不锈钢缓蚀作用的最佳浓度是60mg/L；单一钨酸钠的最佳浓度为35mg/L，缓蚀率均达到90%以上。

2）PASP、钨酸钠和锌盐对304不锈钢的阻垢缓蚀具有协同作用，其最佳配方是PASP40mg/L、钨酸钠40mg/L、锌盐2mg/L，阻垢效率达到94%，缓蚀效率达到94.15%。复配方中起阻垢作用的主要是PASP，其阻垢机理晶格畸变作用。

参考文献：

图1

不同浓度PASP和钨酸钠配方塔菲尔极化曲线图

[1]王钢，杨道武，梅其政.电厂循环水绿色水处理剂缓蚀阻垢性能的研究[J].清洗世界.2010，26（4）：18-22，40.

[2]Dong-JinChoi，Seung-JaeYou，Jung-GuKim.DevelopmentofanEnvironmentallySafeCorrosion，Scale，andMicroorganismInhibitorforOpenRecirculatingCoolingSystems[J].MaterialsScienceandEngineeringA，2002，335（2）：28-235.

4结论

1）在高浓缩模拟循环水中，单一PASP对304不

锈钢的最佳阻垢浓度为60mg/L；单一钨酸钠对30446