核电超大型湿式冷却塔配风和填料协同机理及最优匹配的研究

内陆核电站建设逐渐受到国家重视，但国内内陆核电站超大型湿式冷却塔设计技术仍处于摸索阶段，并未明确外界侧风、塔内配风、填料之间的最佳匹配关系。而在冷却塔的实际运行中，外界侧风会导致冷却塔塔内配风不均，恶化传热传质性能，尤其是超大型湿式冷却塔，因此本课题以内陆核电自然通风湿式冷却塔为研究对象，进行"超大型湿式冷却塔配风和填料的协同机理及最优匹配"的研究，利用实验室模型试验、数值计算方法以及神经网络模拟技术，基于场协同原理，研究塔内配风和填料的最佳耦合机制和协同机理，获得二者之间的典型协同关系。以塔内各处气水比最优为前提，以冷却效率最高为准则，研究并提出填料和塔内配风的最佳匹配准则，即在考虑外界侧风时，打破塔内填料的均匀布置方式，获得最优的填料非均布置形式。并揭示非均布置填料热力性能和阻力性能的数学计算模型，为超大型湿式冷却塔的三维热力设计和节能研究奠定理论基础。

环境侧风破坏了超大型湿式冷却塔内部的空气动力场，打破了塔内配风和填料区阻力场之间的最优匹配，导致冷却塔的热力性能下降，从而降低了核电站（火电站）机组的热经济性，甚至会影响整个核电机组的安全性。. 结合数值模拟、神经网络模拟和模型试验，本课题主要进行并完成的工作如下：（1）基于某核电机组的冷却塔尺寸，搭建并晚上了超大型湿式冷却塔的热态模型试验台，该试验台可为将来的研究奠定试验基础。（2）选取了典型660MW和1000MW机组，进行了冷却塔热力性能的现场跟踪测试，掌握大量现场运行数据，奠定了数值模拟和实验室试验的基础（3）建立了基于FLUENT的超大型湿式冷却塔的三维热力计算模型，完成了填料均匀布置方式下超大型湿式冷却塔的热力性能模拟。该模型可用来模拟湿式冷却塔内部空气动力场、阻力场（风速场）及进出口流态。（4）完成了填料均匀布置和非均匀布置下的变工况热态模型试验，得出非均匀布置的填料优化了塔内空气动力场，降低了侧风对冷却塔热力性能的不利影响。（5）基于模型试验数据，建立了三层BP神经网络模型，可实现超大型湿式冷却塔热力性能预测。（6）FLUNT程序中嵌入新的刘易斯数和迈克尔数的表达形式，改变填料区的相关设置和用户自定义函数UDF，修正了传统的数学计算模型，完成了填料非均匀布置方式下的三维数值计算，验证了非均匀布置方案的优越性。（7）基于塔内配风和填料区阻力场优化匹配的原则，揭示了填料优化的非均匀布置方式，即内区半径约为0.4倍的填料区半径，外区半径约为0.7倍的填料区半径。针对该优化方式进行了模型试验和数值计算的相互验证，完成了工业化应用。. 研究表明：采用填料的非均匀布置方式，同等条件下，可使循环水温降提高0.15-0.25℃（相对值2-3%），达到了节能减排的目的。该成果可为超大型湿式冷却塔的三维热力设计奠定理论基础，为冷却塔节能改造提供技术指导，具有重大的理论价值和工程实践意义。