300 MW火電廠循環水冷卻塔模化與空氣動力特性計算

潘雯瑞，任建興，翁建華，曾憲平

(上海電力學院能源與環境工程學院，上海 200090)

0 引言

在火電廠的運行中，凝汽器真空度直接影響電廠熱經濟性，濕式冷卻塔作為循環冷卻系統中重要的熱力設備，其冷卻性能直接影響凝汽器真空，進而影響機組能耗和發電效率。據測算，水溫下降5℃，凝汽器真空可提高1%左右，中小型機組真空每提高1%，機組功率可增加1%，煤耗下降1%［1］。隨著國家加大火電廠節能減排力度，電廠循環冷卻系統節能降耗問題受到更多關注。對火電廠冷卻塔的研究主要有2種方法:一是試驗測量;二是計算機數值模擬。試驗測量可分為現場測量和模型試驗2類。由于火電廠冷卻塔體積龐大，內部換熱設備結構復雜，現場測量具有較大困難，但比較符合冷卻塔運行的實際狀況;模型試驗可以針對特定問題制作模型及試驗臺，但試驗費用比較昂貴，試驗周期長。因此，試驗測量方法各有利弊，需要針對實際研究問題，衡量各方面因素，綜合考慮研究方法。相比之下，計算機數值模擬方法是運用計算流體力學知識，進行數值計算和數值模擬分析，費用低、分析數據全面，但模型往往進行了一系列簡化，可能與實際情況有一定差距，需要試驗的檢驗。

1 300 MW火電廠循環水冷卻塔模化

1.1 冷卻塔原型結構

300MW機組是目前我國火電領域的主力機組，其主流冷卻塔塔型為自然通風雙曲線逆流濕式冷卻塔，其功能是將循環冷卻水在凝汽器內吸收的熱量通過塔內氣、水熱交換釋放到周圍大氣環境中，以維持凝汽器內必要的真空。選擇某300 MW火電廠自然通風雙曲線逆流濕式冷卻塔進行模化，它由通風筒、配水系統、淋水裝置(填料)、通風設備、收水器和集水池6個部分組成(如圖1所示)。循環冷卻水由管道通過豎井送入配水系統，然后通過噴濺設備將水灑到填料上，經填料后成雨狀落入集水池，冷卻后的水被抽走重新使用。該冷卻塔結構尺寸見表1。

圖1 自然通風雙曲線逆流濕式冷卻塔結構圖［2］

1.2 冷卻塔模型基本結構

設計模型塔為抽風式逆流試驗塔(模型塔結構如圖2所示)，主要包括空氣入口段、雨區、塑料薄膜填料層、管式配水系統、收水器、濕空氣出口段，在濕空氣出口處安裝有軸流式風機，將濕空氣排出室外。下部設有4個進風口(如圖3所示)，各進風口開度可以通過擋板調節，進風口風速可以通過外部風機輔助調節，保證進塔水溫度和流量可調。

表1 某300 MW火電廠冷卻塔尺寸［3］ m

1.3 冷卻塔模化準則及模型塔基本尺寸

1.3.1 幾何相似

對模型試驗而言，模型塔和原型塔首先要滿足幾何相似的條件。該試驗模型塔是以某火電機組冷卻塔為基礎，按照1∶55的比例建成，長度比例尺kl=1/55。按照幾何相似性原則以及冷卻塔行業設計標準，塔筒設計為雙曲線形式，塔高與底部直徑之比為1.20～1.40，喉部面積與底部面積之比為0.30～0.36，喉部高度與塔高之比為0.80～0.85。喉部以上擴散角為8°～10°［4］。冷卻塔模型的基本尺寸見表2。

表2 冷卻塔模型基本尺寸 cm

1.3.2 動力相似

除了要滿足幾何相似之外，模型塔和實型塔之間還應該滿足動力相似的條件［5］

式中:FrΔ為密度弗勞德數;vout為塔頂部出口氣流速度，m/s;g為重力加速度，m/s2;he為冷卻塔的有效高度，m;Δρ為塔外與塔內填料上面空氣的密度差，kg/m3;ρout為塔出口處的濕空氣密度，kg/m3。對于冷卻塔熱態模型試驗，要滿足原型塔和模型塔的FrΔ相等。

1.3.3 運動相似

體積流量比例尺

運動黏度比例尺

2 模型塔空氣動力特性計算

2.1 空氣動力特性計算

為了更好地掌握冷卻塔空氣動力特性，在完成循環冷卻系統試驗平臺設計后，按照設計參數對冷卻塔模型進行簡單的空氣動力計算。冷卻塔幾何尺寸如圖4所示。

2.1.1 塔的抽力計算

圖4 冷卻塔幾何尺寸圖

式中:Fd為抽力，Pa;he為有效高度，m;g為重力加速度，m/s2;ρ1，ρ2為進塔空氣密度、塔出口處空氣密度，kg/m3。

式中:h2為淋水層與塔頂的間距;h3為淋水層與填料底層的間距;h0為填料層底部高度。

式中:θ1，θ2為空氣進塔時和到達填料的溫度，℃;hj，ht為空氣進塔時和到達填料時的比焓，kJ/kg;tm為平均水溫，℃;h″m為溫度tm時的飽和空氣比焓，kJ/kg。

出塔空氣比焓

式中:Δt為水溫差，℃;c為水的比熱容，kJ/(kg·K);λ =qVg，a/qVw為氣水比，qVg，a為進塔干空氣量，kg/h;qVw為進塔水質量流量，kg/h。

進塔濕空氣比焓(kJ/kg)

飽和空氣比焓(kJ/kg)

式中:φ為相對濕度;p0為大氣壓力，kPa;p″θ為空氣在干球溫度時的飽和蒸汽壓力，kPa。求出hc，θ2查濕空氣h－d圖得出ρ2。

2.1.2 阻力計算

冷卻塔的阻力計算主要有2種方法:一是各部分氣流阻力相加，二是塔的整體阻力。這里選擇第1種方法，主要考慮進風口阻力、雨區阻力、填料和收水器阻力，按照經驗公式計算各部分阻力系數如下:

(1)進風口阻力系數

式中:D為進風口處塔直徑，m;h為進風口高度，m。

(2)雨區阻力系數

式中:q為淋水密度，m3/(m2·h);R為雨區塔平均半徑，m。

(3)填料、收水器阻力(這部分阻力一般通過模型塔試驗來求出，選擇江陰市冷卻材料廠的S波填料阻力特性進行計算)

式中:A=1.036×10－3q2+7.792×10－3q+0.719;m=2.88×10－4q2+1.19×10－4q+1.97;v為通過填料的氣流速度，m/s;γa為空氣容重，γa= ρa·g，N/m3，g 為重力加速度;Δp為填料阻力，N/m2。

收水器阻力按照以往試驗成果表估計［2］。

式中:ρm為 m 斷面空氣密度，kg/m3，ρm=(ρ1+ρ2)/2;vm為m斷面氣流速度，m/s;ξ為阻力系數。

2.1.3 冷卻塔內的通風量

對于火電廠冷卻塔來說，在穩定工況下塔的阻力和抽力相平衡，即

則冷卻塔內的通風量

式中:D為填料處塔直徑，m;v0為填料斷面氣流速度，m/s。

由于模型塔自身尺寸的限制，無法實現塔自身抽力與阻力的平衡，需要風機的輔助抽力來達到穩定狀態，模擬火電廠冷卻塔的運行狀況，即

式中:f為風機抽力。

進行校驗:λ'=qV/(q·S)，式中的q為氣、水比，S為填料處截面積，將λ'與λ進行對比，當兩者數值相近，誤差小于5%時，認為計算數值正確，否則進行重新設置。

2.2 設計參數與計算結果統計分析

根據進出填料水與空氣的焓差相等和設定的空氣與水的相關參數，采用Merkel積分法以及填料函數關系式，確定試驗裝置的設計參數(見表3)。并按照設計參數進行空氣動力計算，統計結果見表4、表5。

表3 冷卻塔模型設計參數

表4 主要計算參數

表5 空氣動力計算結果

2.3 理論蒸發水量估算

進塔氣流初參數:大氣壓力p=0.1 MPa，干球溫度t1=20℃，相對濕度，通風量1.016 m3/s，塔出口參數t2=21.1℃，相對濕度，進塔水溫t3=40℃，冷卻后的水溫t4=34℃。干空氣和水蒸氣的氣體常數分別為:Rg，a=287J/(kg·K)，Rg，v=462J/(kg·K)，比定壓熱容分別為 cp，a=1.005 kJ/(kg·K)，cp，v=1.86 kJ/(kg·K)［6－9］。

由空氣進口參數查飽和濕空氣狀態參數表，查得t1=20℃下的飽和蒸汽壓力為ps1=2.337 kPa;則進口濕蒸汽中水蒸氣分壓力 pv1=φ1·ps1=1.168 kPa;空氣入口處濕空氣中水蒸氣的質量流量qmv1=pv1qv1/Rg，at1=0.008 8 kg/s;空氣入口處濕空氣中干空氣的質量流量qm，a1=(p－pv1)qv1/Rg，at1=1.21 kg/s。

由濕空氣出口參數查飽和濕空氣狀態參數表查得對應溫度下的飽和蒸汽壓力ps2=2.5 kPa，則出口濕蒸汽中水蒸氣分壓力pv2=φ2ps2=1.625 kPa，塔出口處水蒸氣與干空氣的比值d2=0.622 pv2/(ppv2)=0.01;因為塔進出口干空氣量相同，所以，出口干空氣質量流量qma2=qma1=1.21kg/s，出口濕空氣質量流量qma2=d2gqma2=0.0123 kg/s。

故蒸發的水量 Δqmw=qmv2－qmv1=0.003 5(kg/s)，折合 12.6 kg/h。

3 結論

按照模化準則對300 MW火電機組循環水冷卻塔進行模化，確保冷卻塔模型可以在一定程度上反映火電廠冷卻塔實際運行情況。根據設計參數進行空氣動力特性計算，通過計算得出塔自身抽力為0.152 Pa，塔總阻力為19.100 Pa，風機需要提供的抽力為18.950 Pa，可以維持模型塔阻力和抽力平衡。另外，理論蒸發水量為12.6 kg/h。這些計算可供風機選型以及電耗、水耗分析時參考。

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