《Fluids》：Cooling Performance Prediction Model of Indirect Dry Cooling System in Power Plants
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间接干式冷却系统（Indirect Dry Cooling System）是缺水地区电厂的关键冷却设备，其冷却性能受环境温度和侧风（crosswind）的显著影响。因此，在不同气象条件下对系统性能进行可靠预测，对于机组安全、经济、高效运行至关重要；然而，传统预
间接干式冷却系统（Indirect Dry Cooling System）是缺水地区电厂的关键冷却设备，其冷却性能受环境温度和侧风（crosswind）的显著影响。因此，在不同气象条件下对系统性能进行可靠预测，对于机组安全、经济、高效运行至关重要；然而，传统预测方法要么依赖耗时的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟，要么采用缺乏物理透明性的黑箱算法。本研究旨在为间接干式冷却系统提供一种物理意义明确且计算成本低廉的预测方法。研究人员建立了服务于某2 × 660 MW电厂的间接干式冷却系统半塔数值模型，并开发并验证了一个耦合蒸汽凝汽器（steam condenser）、空冷换热器（air-cooled heat exchanger）及各个冷却扇区（cooling sectors）的多尺度热守恒模型，该模型在设计工况下得到了验证。结果表明，侧风会产生显著的扇区级不对称性：迎风侧扇区冷却能力增强，而横向侧风扇区则遭受严重的气流损失和热空气回流（hot-air recirculation）；同时，环境温度升高会均匀削弱所有扇区的冷却能力。在此基础上，研究人员建立了以环境温度和环境风速为自变量的显式多项式预测模型，用于预测总传热率（total heat transfer rate）、通风量（ventilation rate）、扇区风量（sector airflow）、进风温度（inlet air temperature）及扇区传热量（sector heat transfer）。这些模型能够在整个运行范围内快速且以工程精度预测系统性能，为电厂间接干式冷却系统的运行优化、性能预测及循环水分配提供了一种实用、低成本的工具。
论文解读
一、研究背景与意义
间接干式冷却系统是缺水地区火电厂广泛采用的关键冷却设备，其通过闭式循环水在蒸汽凝汽器与空冷散热器之间传递热量，将汽轮机排汽冷凝。与直接空冷系统相比，间接干式冷却系统将排汽与外界空气隔离，具有更好的防冻性能和更高的运行可靠性。然而，该系统对环境气象条件高度敏感，尤其是环境温度和侧风的影响。已有研究普遍证实，侧风会破坏冷却塔内外流场的均匀性，导致塔内涡流增强、进风阻力增大、通风量下降，进而增加机组煤耗；环境温度升高则会直接削弱空气的冷却能力，抬高循环水回水温度，影响凝汽器热平衡，导致汽轮机背压升高。尽管已有大量研究从不同角度分析了这些不利影响，并提出了多种优化和预测方法，但多数研究聚焦于冷却塔整体热性能，对变气象条件下扇区级流动与传热不对称性的系统定量分析仍显不足；同时，现有性能预测方法要么依赖耗时的迭代CFD模拟，要么采用缺乏物理透明性的黑箱智能算法，缺少具有明确物理意义且计算成本低的显式多项式预测模型。此外，将凝汽器、空冷换热器与扇区级性能耦合在全工况范围内进行综合研究的案例仍然稀缺。因此，本研究针对某2 × 660 MW机组间接干式冷却系统，开展变工况数值模拟，建立显式性能预测模型，旨在为同类型大型间接干式冷却系统的运行优化提供理论、数据和方法支持。
二、研究内容与主要结论
研究人员建立了间接干式冷却系统的半塔数值模型，将214个冷却三角沿塔进口外圆周布置并划分为14个扇区，每个机组占据7个扇区且交替排列。研究中构建了耦合凝汽器、空冷换热器及各冷却扇区的多尺度热守恒模型，采用Realizable k–ε湍流模型和SIMPLE算法求解控制方程，并通过多孔介质模型和Radiator边界条件模拟空冷换热器。模型在汽轮机最大连续出力（Turbine Maximum Continuous Rating，TMCR）和额定负荷两种典型工况下进行了验证，传热率和通风量的相对误差均控制在2%以内，并通过网格无关性验证（Grid Convergence Index，GCI值低于5%）确认了网格方案的可靠性。研究人员在4个环境温度水平（5 °C、15 °C、25 °C、34 °C）和6个风速水平（0、2、4、6、8、10 m/s）下进行了变工况数值模拟，并基于MATLAB曲线拟合工具箱建立了显式多项式预测模型。
三、主要研究结果
3.1 间接干式冷却系统整体与分区性能分析
3.1.1 系统整体性能分析
研究结果表明，总传热率与环境温度呈近似线性反比关系，与环境风速呈非线性二次多项式关系。以34 °C环境温度为例，无风时总传热率为1605.08 MW，汽轮机背压为28.05 kPa；当风速增至10 m/s时，总传热率降至1592.37 MW，背压升至40.65 kPa，分别较无风工况下降0.79%和升高44.92%。在4 m/s风速下，环境温度从5 °C升至25 °C时，总传热率下降2.10%，背压升高183.7%，表明环境温度对机组运行参数的影响比环境风速更为显著。
3.1.2 系统分区性能分析
在进风风量方面，各扇区风量与环境温度近似线性相关，与环境风速呈非线性多项式关系。以5 °C、风速从4 m/s升至10 m/s为例，迎风扇区#1-1风量增加2935.51 kg/s（相对变化+37.7%），横向侧风扇区#2-3风量减少3361.17 kg/s（相对变化?55.3%），#1-2和#2-4分别变化?7.3%和+13.9%。在进风温度偏差方面，各扇区进风温度偏差与环境温度近似线性正相关，与环境风速呈非线性多项式关系。以34 °C为例，风速从2 m/s升至10 m/s时，扇区#1-1最大偏差仅0.0090 °C，几乎不受热空气回流影响；扇区#2-3受影响最严重，最大偏差达5.2468 °C。在扇区传热比例方面，各扇区传热比例对环境温度不敏感，主要受环境风速控制并呈非线性多项式关系。以34 °C、风速4 m/s为例，四个代表性扇区的传热比例分别为8.50%、7.37%、6.68%和7.76%；风速增至10 m/s时，分别变为12.97%、8.52%、4.25%和10.25%。
3.2 间接干式冷却系统性能预测理论模型的建立与验证
研究人员选取5 °C、15 °C、25 °C和34 °C四组环境温度下的数值模拟结果作为拟合数据集，采用MATLAB曲线拟合工具箱进行多元回归分析，建立了总传热率、各扇区进风风量、进风温度偏差及扇区传热比例的显式多项式预测模型，并以10 °C、20 °C和30 °C的模拟结果作为验证数据集。总传热率模型的决定系数（R2）为0.9985，训练集和验证集均方根误差（RMSE）分别为0.8466 MW和0.9725 MW。各扇区进风风量模型的R2均超过0.99，其中扇区#1-1训练集和验证集最大绝对残差分别为62.57 kg/s和46.81 kg/s。各扇区进风温度偏差模型的R2均超过0.99，扇区#1-1训练集和验证集最大绝对残差仅为0.0002 K和0.0003 K。各扇区传热量模型的R2除扇区#1-4为0.9841外均超过0.99，扇区#1-1训练集和验证集最大绝对残差分别为3.59 MW和1.60 MW。上述结果表明，所建立的预测模型具有较高的拟合精度和良好的泛化能力。
四、讨论与结论
讨论部分指出，侧风通过诱导非均匀气流分布来恶化冷却塔整体热性能：迎风扇区因压差增大而进风量上升37.7%，横向侧风扇区则因流动分离和局部热空气回流而进风量下降55.3%、进风温度偏差最高达5.25 K。环境温度则通过直接降低干冷能力而均匀削弱所有扇区的冷却性能，且对汽轮机背压的影响远大于对总传热能力的影响。研究建立的显式多项式预测模型可在避免迭代CFD计算的前提下快速预测系统性能，为电厂实时动态控制和循环水优化分配提供了实用工具。研究同时指出了若干局限：循环水均匀分配假设、稳态模拟、未考虑湿度降雨和垂直风分量、模型仅在5–34 °C和0–10 m/s范围内有效，以及仍需长期现场实测数据验证。
研究结论可概括为三点：第一，揭示了环境气象条件对间接干式冷却系统多物理场分布的影响规律，侧风导致塔内外流场周向非均匀分布，迎风扇区传热性能最优，横向侧风扇区性能显著下降，环境温度升高则均匀削弱各扇区冷却能力；第二，环境风速和环境温度升高均会降低系统总传热率并提高汽轮机背压，总传热率与环境温度呈线性反比、与环境风速呈二次非线性关系，各扇区进风风量和进风温度偏差与环境温度近似线性相关、与环境风速呈非线性多项式关系，扇区传热比例仅随风速非线性变化；第三，建立了经过验证的间接干式冷却系统性能预测简化模型，多数模型R2超过0.99且RMSE较小，可替代迭代CFD计算快速预测变气象条件下的系统性能，为2 × 660 MW目标电厂提供实时性能预测、动态循环水分配和运行优化支持，有助于降低背压、煤耗和厂用电，避免高温强风工况下的出力受限。
