冷卻塔。圖源：pixabay
安亦然（北京大學） | 撰文
自2000年起，我全程參加了北京大學陳耀松教授課題組對國內多家電廠開展的空冷數值模擬模擬計算工作，前後歷時五年多。這是我們團隊進行技術科學研究與應用的一個成功案例，現撰文對此進行回顧與總結，供技術科學同行參考和借鑑。
21世紀之初，隨著國內經濟起飛，對能源的需求急速增加，工業用電需求增長尤為明顯。為滿足電力供應，各地紛紛開始規劃、設計和投產大型火力發電廠。我國北方地區煤炭儲量豐富，但水資源匱乏，難以滿足火電廠所需的大量冷卻用水。為解決這一矛盾，從國外引進了空冷電廠技術。傳統火力發電，是用水冷塔對汽輪機排出的乏汽進行冷卻（北京大學力學系對水冷塔強度的研究也曾對國內的發電技術起過重要作用），而空冷電廠主要是用空氣對乏汽進行冷卻，這種冷卻技術最大的優點是節水。國外的統計資料表明，電廠的冷卻部分可節水90%，全廠執行可節水70%。這對於我國北方地區的電廠建設無疑是很重要的。
在實際應用中，空冷技術又分為直接空冷技術和間接空冷技術。直接空冷是指直接使用空氣冷卻乏汽，在乏汽的管道下面安裝大型風扇，用空氣將熱量帶走，讓乏汽在管道的翅片上凝結；間接空冷技術（哈蒙式和海勒式）仍然使用水冷卻乏汽，但冷卻水密閉迴圈使用，在迴圈過程中使用空氣給冷卻水散熱。
這兩種技術各有優缺點。直接空冷就像把巨大的暖氣片架在空中，空冷平臺通常高達幾十米（600兆瓦機組的平臺一般高達60米），管道面積相當於兩個足球場，靠風把熱量帶走；間接空冷的散熱仍舊使用冷卻塔，散熱管道佈置在塔下的進風口處，不再向管道上淋水，平日也就看不到像以往溼冷電廠冷卻塔那樣冒著白色煙霧的壯觀景象了。
空冷技術發源於歐洲，主要的研製和生產廠商多數是德國公司，其中GEA公司是全世界最知名的空冷裝置製造商。剛問世時，空冷技術一般只用於小型電廠，隨著技術的進步，大型電廠逐步採用。上世紀九十年代初，世界上第一家大型直接空冷電廠在南非馬丁巴建成，規模很大，共有6臺665兆瓦機組，使用GEA的直接空冷技術，空冷平臺高度達到60米，機組空冷凝汽器管的總長達40萬米，總冷卻面積為110萬平方米，總重4012噸，從空中看蔚為壯觀。我國後來建成了很多規模更大的直接空冷電廠，我曾坐飛機去寧夏銀川出差，快降落時可以在空中看到靈武電廠（我們也為靈武電廠做過數值模擬），其規模遠大於馬丁巴電廠，如此巨型的工業設施令人感覺十分震撼。下圖為南非馬丁巴電廠。
圖1 南非馬丁巴電廠
空冷電廠雖然節水，但也有致命的弱點，就是怕風、怕高溫。很多人可能想當然地認為，風越大越好，可以帶走更多的熱量。但大風其實是空冷電廠最大的剋星。上文提到的南非馬丁巴電廠地處平原，建成後不久就遇到了一次大風，導致乏汽無法散熱，多臺汽輪機停機，造成了很大損失。
我國西北地區在2000年前後規劃建設的大部分電廠，以直接空冷為主，少數採用間接空冷技術。由於我國之前在這方面的技術積累比較薄弱，沒有設計建設大型空冷電廠的經驗，而且為了節能和提高發電效率，到本世紀初期的電廠都用使用大型燃氣輪機，像馬丁巴電廠那樣的665兆瓦機組已經是小的了，很多電廠開始投運1000兆瓦級別的超臨界和超超臨界機組。這樣級別機組的汽輪機直接空冷散熱，進一步加大了我國直接空冷電廠應用的難度。此外，我國的地理環境對於空冷電廠的執行也不友好，特別是西北地區，常年風大、夏季高溫，都是空冷電廠的剋星。另外，山西和陝西等地的很多電廠選址在山區，環境風的情況更為複雜，這對於空冷技術在國內的推廣帶來更大的困難。
我國空冷電廠就是在這種條件下開始起步的。2000年前後，國內的幾大電力設計院（西北院、華北院），還有地方的山西院等，都開始使用空冷技術進行火電廠設計。對於火力發電廠的設計工程師來說，水冷技術已經掌握得非常好了，傳統的工程熱力學知識已經足夠支撐日常的設計工作。但當電廠進入空冷時代，挑戰來了，空冷技術某種程度上是靠天吃飯，風力、溫度、地形、廠房佈局都會對散熱效果造成影響，並且這些因素組合後造成的影響更是讓人無從下手。馬丁巴電廠事故的教訓對我國電力設計人員的影響很大，大家急切地希望弄清楚：大風是如何影響電廠散熱的？如何避免大風的影響、保證電廠的穩定？
為了搞清楚這個問題，當時電力設計院參考國外研究馬丁巴電廠的做法，開始尋求與研究機構合作。馬丁巴電廠因大風停機之後，GEA公司曾委託巴黎大學對事故進行分析，進行了風洞試驗研究，得出的結論是“爐後風”會對電廠空冷平臺的散熱造成影響，其原因是風繞過高大的汽輪機房後，會將空冷凝結器散發的熱空氣重新帶到風扇的進風口，導致冷卻空氣溫度提高，從而降低了散熱效率，他們把這個結論稱為“熱風迴流”。這個研究結果在當時被充分接受，大家都認為分析合理，很多國外風工程領域的學者（主要是南非和美國）還在此基礎上發表了關於熱風迴流現象的研究文章。
在此背景下，國內的電力設計部門找到北京大學力學系，希望透過風洞試驗對空冷電廠的設計進行分析，預測設計受風影響的程度。當時華北電力設計院、西北電力設計院正在設計一些規模較小的直接空冷電廠，北大力學系的顧志福老師承接了相關的研究任務，使用北大的低速風洞開展試驗。他根據風洞的尺寸，加工了電廠的廠房模型，包括汽輪機房、空冷平臺（散熱翅片）、煙囪等，把模型放置在風洞試驗段中的圓形平臺上，透過轉動平臺，可以模擬不同方向的來風。
看似普通的風洞試驗，其實難度很大，因為限制條件相當多，且非常苛刻。舉例來說，北大低速風洞試驗段的尺寸是3.5米X2.5米，電廠廠房和空冷平臺縮比模型必須能滿足這一尺寸要求。剛開始，大家覺得模型尺寸問題不大，只要風洞能放下就行。做了一段時間才發現，僅僅電廠模型外形相似，無法獲得有意義的結果，要想有效模擬出環境風對空冷散熱的影響，必須在空冷平臺上加裝風扇才行。
這可就困難了，空冷平臺的風扇有好幾十個，如何模擬呢？顧老師到中關村電子市場上找到零售的CPU風扇來模擬空冷平臺的風扇，這樣就還需要按照風扇的尺寸，重新加工平臺和廠房的模型，同時還要保證模型可以放在試驗段中。
這還不是最困難的。當時，顧老師認同“熱風迴流”的解釋，希望在試驗中模擬出熱風迴流的現象，這又如何是好呢？顧老師想的辦法是在空冷平臺散熱器上佈置甲烷氣體出口，做實驗時釋放甲烷氣體，在散熱器表面的甲烷氣體的無量綱濃度是1，然後在空冷平臺風扇（就是那些小CPU風扇）下面佈置很多打針用的針頭，每個針頭透過皮管連線到遠處的試驗控制檯。試驗時，需要很多研究生一起參加，大家在統一的號令下一起慢慢拉動針頭抽氣，對風扇入口的氣體進行取樣，然後再對氣體樣品進行成分分析，測定甲烷的濃度。這個試驗的思路就是用氣體的濃度模擬氣體的溫度，看看有多少高溫氣體被風扇吸入，這就相當於看到了熱風迴流，並能大致瞭解平臺不同位置熱風迴流情況，同時試驗還進行了流動顯示，確實可以看到一部分平臺上方的“熱”空氣又被風扇重新吸入了。
這個試驗在當時對電力設計院的工作確實有啟發。設計師透過這個試驗見到了比鬼還難見到的空氣流態，這對他們的設計工作有了一定的幫助。但是隨著他們對空氣流態複雜性的認識，更高的要求隨之而來。設計師僅僅知道空冷平臺附近的空氣流態，還不能滿足設計需求，他們最希望瞭解的是在不同風向、風速、環境溫度等氣象條件下空冷平臺的散熱量到底是多少，如果能夠知道這些不同條件下的散熱量和備選的汽輪機引數，就可以計算出汽輪機執行的背壓值。
所謂背壓，其實就是汽輪機排放乏汽的壓強，它相當於汽輪機執行的阻力。背壓越高，汽輪機消耗的煤就越多，相應發電的成本就越高。如果背壓過高，汽輪機必須停機，無法工作，特別是像馬丁巴電廠那樣，一陣大風吹來，汽輪機背壓突然升高，電廠會立即跳閘，帶來重大的損失。電力設計部門透過風洞試驗對設計物件有了直觀和定性的瞭解後，希望有某種辦法獲得在不同環境因素下的空冷散熱量。這時，就輪到我們這些做計算流體力學（CFD）的研究人員登場了。
由於試驗無法定量回答電力設計部門的問題，即電廠在不同環境因素下的空冷散熱量資料，顧老師向陳耀松老師推薦這項研究，建議他使用計算的方法來嘗試解決空冷散熱的問題。說來很巧，一位與陳耀松老師合作進行航磁物探專案的夥伴李巍老師對電力系統非常熟悉，他聽說這事後非常積極地幫助北大課題組與電力設計部門聯絡，交流問題和想法，商討如何定量解決空冷散熱這一重大難題。
當時，電力設計部門對CFD完全不瞭解，不知道CFD能對他們的問題發揮什麼樣的作用；而我們這些從事CFD的人對空冷電廠設計也幾乎是一無所知，對相關問題沒有明確的認識。李巍老師在這個時候發揮了重要的作用，他居中聯絡，多次請電力設計院的專家來北大交流，我也曾多次與李巍一起去走訪電力設計院和電廠實地瞭解情況。在這個過程中，我們給電力工作人員介紹了CFD是什麼、能做什麼、是怎麼做的，以及CFD在其他行當中有哪些成功應用，並講解了我們關於空冷電廠如何進行CFD研究的設想。在交流過程中，設計院也逐步調整思路，整理出了可能需要的資料。
記得第一次交流是去山西河津。那時，河津要上馬一套2X300兆瓦的空冷機組，電廠的設計工作委託給西北電力設計院。我和李巍先從北京跑到河津，向廠方介紹我們計劃怎樣開展數值模擬來分析電廠設計方案。由於之前沒有充分交流，廠方根本聽不懂我在說什麼，只是出於對北京大學這塊招牌的信賴和個人的禮貌，勉強聽我講完了設想。其實，當時我對電廠的實際需求也不清楚。在後續的交流中，我瞭解到，電廠最關心空冷系統的經濟性和安全性，最好能像水冷電廠那樣，對發電量和安全條件有個明確的預期。
對於我的計劃，他們無從評論，建議我們去找西北電力設計院。我和李巍隨即從河津乘長途汽車轉往西安，一路上經過了禹門口和風陵渡，這些地方很有名，以前我只是在書上看到過。到了西安，我們在西北電力設計院見到了負責河津專案的設計師——楊平正。楊工很熱情也很豪爽，給我仔細介紹了空冷電廠設計遇到的問題，以及設計師關心的問題，特別是風洞試驗不能回答的問題。
根據楊工提供的資訊和資料，我回京後跟陳耀松老師進行了仔細討論，設計了一個很粗糙的算例，空間網格很簡單，畫了四個立方體柱子當作汽輪機房，畫了一個懸在空中的大長方體當作空冷平臺，把這個大方塊內部設定成空冷換熱單元，裡面的換熱模型方程式使用工程熱力學的經驗公式，空冷平臺的一切引數都模化到這個大方塊裡面（包括乏汽流量，換熱係數，換熱面積，阻力系數等），引數很多，都是從設計院提供的資料中選取的。然後我在CFD程式中加上流動的方程式，讓它計算“爐後來風”，這樣一個風場與換熱耦合的模型就設計好了。
圖2. 空冷數值模擬簡化模型
上圖是我和陳耀松老師最早做模擬時簡化的電廠和空冷平臺，箭頭代表風向和大小，箭頭的顏色代表溫度。下圖是真實的人字形空冷換熱單元照片，可以看到散熱翅片，風機和乏汽管道。
我和陳老師一起試算並分析結果，前後花了近三週的時間基本上就把空冷換熱計算需要怎麼幹搞清楚了。透過計算，我們可以給出在不同風向、風速和環境溫度下乏汽換熱的熱量值，在此基礎上就可以計算汽輪機的背壓值了。同時計算可以給出各種三維檢視，使工程師直觀地瞭解風是如何帶走熱量的。有了這些初步結果，我們心裡踏實了，知道這個問題可以解決，下面就需要電廠提供的真實資料進行計算。我把試算的結果發給西北院的楊工，楊工看過明確回答，這就是他們想要的！李巍看過後也很興奮。接下來，我們要找電廠“實戰”了。
河津電廠由於各種原因，一直不敢採用計算的方法，他們還是更希望做風洞試驗。李巍決定不等河津了，先去山西電力設計院交流一下。於是我和李巍一起跑到了太原，主管空冷設計的彭繼業總工接待了我們，聽說我們能計算空冷換熱後非常興奮，表示山西院眼下正在設計一家大型的空冷電廠——陝西河曲電廠，電廠要建設一期兩臺600兆瓦空冷機組，同時要考慮二期兩臺600兆瓦機組的規劃。彭總當即聯絡河曲電廠的負責人，約他們共同赴京商議委託計算的事宜。
沒過幾日，三方就在我們位於北京大學技物樓的實驗室碰頭了。山西設計院帶來了大量資料（電廠圖紙，廠區氣象資料，汽輪機引數，空冷裝置各種引數），厚厚一大摞。河曲電廠的情況遠比馬丁巴要複雜，雖然裝機容量比馬丁巴小很多，但設計中的空冷機組緊鄰老式的水冷電廠，規劃中的空冷平臺距離水冷塔最近的地方只有30多米，這給設計帶來了很大的不確定性，設計師對於水冷塔會給空冷平臺造成什麼影響毫無概念。因為電廠的上馬時間已定，廠方希望計算的時間越短越好，急切地想看到設計效果。鑑於廠方除了選擇計算別無它法，以及山西院強烈建議，大家很快就達成了協議。不過，廠方對計算週期不滿，嫌時間太長；陳老師認為錢不需要給的太多。
沒想到我們承擔的第一個空冷電廠的計算任務，難度就比馬丁巴還大！好在我們已經試算成功，已經有了五成勝算。在試算獲得的經驗基礎上，我們做出了更細緻的方案，首先是把電廠廠區的主要建築物都包含在計算區域內，其次對大方塊換熱單元進行了細化，把每個風機對應的散熱器區域作為一個換熱單元，但形狀仍舊是方塊。我們重點關注了水冷塔，除了它的幾何尺寸，我們還考慮了水蒸氣對空冷系統有什麼影響。我們利用從設計院拿到了河曲廠址的風玫瑰圖，按照氣象條件，設定需要計算的主要風向、風速和環境溫度、溼度。此外，廠方還希望瞭解不同的平臺高度、散熱器擋風牆高度、平臺與冷卻塔脫開距離等引數對換熱效果的影響。這樣將所有需要考慮的引數組合起來後，需要計算的工況竟然多達5000多個，廠方要求的時間很短，難度著實不小。
為保證任務不拖延，我們組織課題組所有的學生一起參加計算，就像個施工隊，大家分工合作：有人負責劃分不同引數的網格，有人負責設定不同的引數，有人負責高效能計算機的使用，有人負責計算結果的畫圖和資料處理，我負責撰寫報告。經過一個多月的努力，在合同時間內我們完成了全部計算任務，提交了分析報告。我們不僅計算出了不同風向、風速、環境溫溼度下汽輪執行的背壓值，還計算出在何種引數組合的情況下會出現跳閘的情況。這些都是定量結果，是當時風洞試驗無法給出的。更重要的是，透過我們的計算發現，導致空冷系統散熱效率降低的最主要原因並不是“熱風迴流”，而是大風繞過高大建築物，氣流下洗，將風機的冷卻風“堵住”，無法將熱量帶走，所以導致風機效率下降。這一發現為保證空冷電廠的安全執行提供了新的思路——提高風機的通風量。
隨著河曲電廠的計算一炮打響，很多電廠的計算任務紛紛找上門來。截至2005年，有超過30家空冷電廠使用我們的計算結果進行設計和環境評估。這些電廠遍佈西北各地，包括新疆、內蒙古、陝西、山西、寧夏、甘肅等富煤而缺水的地區。為了與電廠充分溝通，我和李巍幾乎走訪了所有與我們聯絡的電廠和電力設計院，結識了很多電力系統的朋友，見識了很多以前在學校裡沒有見過的事，經歷了很多業務方面的評審和爭論。在這個過程中，我們課題組逐步完善和改進計算的方法，使得計算結果越來越精細，為設計院提供了更多的資訊和資料。
當然，改進的過程也不是一帆風順的。記得有一次，東北電力設計院聯絡我們，他們設計了內蒙古通遼的空冷電廠。通遼電廠規模雖然不是很大，地勢也不算複雜，但這個地方常年風大，且夏季高溫，高溫和大風經常同時出現，給電廠的設計帶來了很大的挑戰。為了確保設計的可靠性，通遼電廠委託北京大學同時進行數值模擬和風洞試驗。
這次，我們課題組和顧老師同時上場，分頭進行各自的工作，各自獨立提交了研究報告。到了評審的時候，電廠和設計院的評審人發現，風洞試驗和數值模擬給出的電廠受大風影響的原因是不同的，風洞試驗的觀點是熱風迴流導致散熱效率降低，而數值模擬的觀點是大風導致風機效率降低。更為重要的是，風洞試驗中，換熱差的區域都集中在平臺的下風處，而數值模擬給出的換熱差的區域與廠區風速分佈直接相關。
當時電廠的投資方對這樣的結果很不滿意，他們不理解為什麼同一家單位給出了兩種不同的觀點，他們認為風洞試驗眼見為實，更加可靠，但又得不到汽輪機背壓的定量結果；數值模擬看不見摸不著，不知道我們這幾個月到底做了什麼，不過倒是能拿出一大堆設計院需要的資料。設計院的工程師透過對比兩種方法的資料，已經意識到“迴流說”的侷限性，空冷平臺的迎風面一定不會發生“熱風迴流“，但這裡的風機工作條件很差，散熱效果也就很差，甚至是最差的。大家圍繞空冷系統受大風影響變差的原因進行了激烈持久的爭論，評審會甚至有點像學術討論會了。經過一天的爭論，最後大家基本接受了數值模擬給出的結論，從此，這些觀點成為空冷界的主流觀點。
後來，又有一家電廠要進行空冷電廠擴容，在兩臺30兆瓦空冷機組旁邊增建兩臺60兆瓦機組，這就是山西長治的漳山電廠。為了驗證數值模擬的準確性，他們聯絡我們先對已經投運的兩臺30兆瓦機組進行計算驗證，他們根據執行記錄，給出風向風速環境溫度讓我們進行計算，然後把計算出的汽輪機背壓值給他們進行對比。通過幾輪對比發現我們的計算結果與執行記錄是非常吻合的，誤差最大也沒超過10%。這次對比讓我非常高興，這證明我們的計算是很可靠的！
後來我們繼續不斷對計算過程進行最佳化，比如空間網格引數化，幾何模型引數化等，計算速度從河曲電廠時以月為單位，逐步變成以周為單位，到最後一般只需三天就能計算完畢。隨著空冷數值模擬方法的成熟，電廠設計時就有大量資料可以參考了，甚至電廠執行都可以參考數值模擬的預測結果，這給電廠帶來了非常大的益處。不僅如此，國內也出現了一些空冷裝置製造廠商，他們依靠電廠和設計院的資料，可以製造出更符合國情的空冷散熱裝置，搶走了很多以前被GEA公司獨霸的市場。下圖是改進後的計算區域、網格等。
圖3. 電廠空冷數值模擬網格
圖4. CFD換熱模組
隨著空冷技術的不斷進步，新的需求也出現了，比如國內西北地區夏季大風和高溫經常同時出現，如何能改造現有技術，從而保障電廠的順利執行呢？我們課題組的王一偉在畢業後加入中國科學院力學所，他想了很多辦法。在他和力學所姜宗林老師的努力下，設計了好幾種改造空冷散熱的辦法，比較遺憾的是這些技術目前仍舊沒有被推廣使用。如果這些技術得到有效推廣，對於空冷電廠的安全和減排增效無疑是大有裨益的。
在我們進行空冷研究的這幾年間正是中國飛速發展的幾年，什麼事都變化很大。我去了很多電廠進行實地考察，見到了很多當地人的生活實景。記得在做漳山電廠的專案時，我多次去長治交流。漳山電廠是一家新體制的電廠，使用全新的裝置，聘任新的員工，工資高，管理嚴格苛刻，職工不再是鐵飯碗。它的隔壁是老體制的漳澤電廠，只有兩臺20兆瓦的水冷機組，卻有體制內職工近萬人，他們似乎與新鄰居生活在兩個世界，這裡人互相之間仍舊以同志相稱。今後漳澤電廠何去何從？當時誰也不知道，但它總會被淘汰的。那這麼多職工怎麼辦呢？我想，這個問題比計算空冷複雜多了，僅靠我們這點知識和能耐是遠遠不夠的。
附記
陳耀松
這篇文章對力學理論研究和工程實踐之間的交流，解決了建築設計中一大難題。它展示了“技術科學”的特徵——“用數學方法幫助解決工程中的問題”（錢學森語）。
北大力學專業受縱向管理的侷限，與建設部門聯絡較少。改革開放以來，外面建設熱火朝天，而我們還在幾個“古典數學問題”上打圈圈。北大有個風洞，孫天風教授帶著顧志福提前開展建築空氣動力學研究。近代高層建築設計，必須考慮“風力”這個影響因素。北大有個風洞，於是各方來求，任務很重。顧志福知道我們搞計算空氣動力學，都是算飛機導彈（沒有生產任務就從文獻中找課題）。當時，他承擔了首都博物館的風力試驗任務，特地劃出一部分經費要我們做建築風力計算，以作對比。我們算的結果與試驗實測結果符合得很好，於是他建議我們電廠空冷用計算代替風洞模型試驗。
發電廠廠區很大，建築很多。我們那時剛算完首都博物館的任務，計算大氣迴流沒有困難。軟體本身能計算熱流，大氣溫度變化的外界影響也能算。我與安亦然商量，電廠的計算難點在於如何體現熱交換器的作用。熱交換器有專門的工廠生產，工廠提供它的幾何尺寸以及驅動風扇的增壓和散熱效果。我們發現軟體有矩形散熱單元，內部相當於“多孔介質”。我們先選擇“矩形”尺寸與工廠提供的幾何外形相近，而“多孔介質”的阻力系數按它與工廠提供的增壓以及冷卻片阻力總體效果相同來選擇。多孔介質是能傳熱的，它的傳熱係數也同樣做。我們先為這樣設計的冷卻器單獨做了一次風吹冷卻計算，成功。然後安排學生做空冷電廠整體計算，在設計院要求的期限內完成了任務。
我記得漳山電廠的計算非常成功。不但廠方根據計算預報排程電力，它的預報能力還溢及其他。而大同電廠用的風洞模型吹風和甲烷擴散比擬，曾遇預報失敗。原因在於前者因模型尺度太小，難以復現區域性迴流，後者則用甲烷擴散比擬氣體熱擴散，但它沒有熱力膨脹效應。
我與安亦然親自動手，三週完成，李巍幫我們與設計院談判。以後陸續有多個新建電廠要算，我組得了不少錢。某大學得知此事後，便透過西北電力局校友將空冷計算課題“挖走”。因為他們不會算，西北局校友便將北大全套計算資料寄去。只是寫錯了地址，寄來了北大，我們才恍然大悟，為何“此後再無空冷課題”。這可能涉及到了智慧財產權的歸屬問題，這方面我們一直沒有足夠關注。
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