1000 MW機(jī)組橫流塔塔型優(yōu)化研究

楊迎哲

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075)

1000 MW機(jī)組橫流塔塔型優(yōu)化研究

楊迎哲

(西北電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710075)

自然通風(fēng)橫流式冷卻塔是一種適用于大容量機(jī)組的冷卻塔形式。本文按火力發(fā)電廠1000 MW機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻負(fù)荷，對(duì)自然通風(fēng)橫流式冷卻塔的塔型進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究和分析，給出了1000 MW機(jī)組自然通風(fēng)橫流式冷卻塔塔型趨勢(shì)和填料優(yōu)化布置推薦方案，可供1000 MW機(jī)組火電廠自然通風(fēng)橫流塔借鑒與參考。

自然通風(fēng)橫流式冷卻塔；瘦高塔；矮胖塔；填料高度;填料深度。

1 自然通風(fēng)濕式冷卻塔的分類

濕式冷卻塔按水與氣的相對(duì)流向關(guān)系和塔內(nèi)空氣流動(dòng)動(dòng)力來源分類，可分為：

(1)自然通風(fēng)逆流式冷卻塔(以下簡稱“逆流塔”)：循環(huán)水流向下，空氣流向上，被冷卻介質(zhì)(水)和冷卻介質(zhì)(空氣)相對(duì)逆向流動(dòng)，故稱逆流式冷卻塔，簡稱逆流塔。

(2)自然通風(fēng)橫流式冷卻塔(以下簡稱“橫流塔”)：循環(huán)水流向下，空氣橫向(水平)流動(dòng)，故稱橫流塔。

1.1 逆流塔

逆流塔的淋水填料裝置設(shè)置在塔筒環(huán)梁之上。工藝流程見圖1。

圖1 自然通風(fēng)逆流式冷卻塔

由圖1可知，熱水由管道通過豎管(豎井)送入熱水分配系統(tǒng)，然后通過噴濺設(shè)備將水灑到填料上，經(jīng)填料后成雨?duì)盥淙氲孛婕兀占笱h(huán)使用。塔筒底部為進(jìn)風(fēng)口，塔外冷空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入塔體，穿過填料下的雨區(qū)，和熱水流動(dòng)成相反方向流過填料，通過除水器回收空氣中的水滴后，再從塔筒出口排出。

逆流塔填料體積小，現(xiàn)在大多采用薄膜式填料，其淋水密度不宜太大，一般采用6 ～ 8 m3/m2·h。

1.2 橫流塔

橫流塔的淋水填料裝置設(shè)置在塔筒外進(jìn)風(fēng)口處，塔筒內(nèi)是空的，見圖2。

圖2 自然通風(fēng)橫流式冷卻塔

由圖2可知，熱水通過進(jìn)水管，流入配水系統(tǒng)，將熱水噴到填料上冷卻后，冷水進(jìn)入塔底水池，收集后循環(huán)冷卻使用。冷空氣經(jīng)填料加熱，通過除水器后進(jìn)入塔筒并開始轉(zhuǎn)彎，從塔筒出口排出。

橫流塔比逆流塔的填料體積大4～5倍，但通氣阻力小，淋水密度可以加大，約可達(dá)到15～20 m3/m2·h。橫流塔的塔筒內(nèi)是空的，氣流速度可以高一些，因此塔筒尺寸可以比同容量的逆流塔小。

2 研究條件

2.1 氣象參數(shù)

大氣壓力 Pa=994.9hb

干球溫度 θ=29.20℃

濕球溫度 τ=25.90℃

2.2 冷卻水量及水溫差

1000 MW機(jī)組額定工況凝汽量：

1775 t/h(包括小機(jī))

冷卻倍率：55倍

輔機(jī)冷卻水量：6500 m3/h

總冷卻水量：Q=1775X55+6500=104125 m3/h，采用Q=104200 m3/h

冷卻塔進(jìn)出水溫差： 9.50℃

2.3 填料型式

根據(jù)調(diào)研收資情況，我國已建成的十余座自然通風(fēng)橫流式冷卻塔都是采用水泥弧形板條。通過多年的運(yùn)行，證明水泥弧形板條的散熱性能還是比較好的。但水泥弧形板條一般是施工現(xiàn)場(chǎng)制作，質(zhì)量難保證。如果施工質(zhì)量不好，使用不長時(shí)間就變形，影響濺散效果，冷卻能力降低。

水利水電科學(xué)研究院在上世紀(jì)九十年代初對(duì)橫流式冷卻塔輕型填料進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，結(jié)果也表明點(diǎn)滴式波紋弧形板條作為大型自然通風(fēng)橫流式冷卻塔的輕型填料是比較適宜的。

西安熱工研究院有限公司通過對(duì)點(diǎn)滴式波紋弧形板條和薄膜式HTB-80-30型淋水填料在橫流式模擬塔中進(jìn)行熱力、阻力性能試驗(yàn)研究，分別給出了兩種淋水填料及在不同深度、不同高kWh的熱力性能和阻力性能方程式。按本文給出的研究條件，對(duì)點(diǎn)滴式波紋弧形板條和薄膜式HTB-80-30型淋水填料分別進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其冷卻性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在1000 MW 橫流塔的氣水比范圍內(nèi)，就本次所計(jì)算采用的填料而言，點(diǎn)滴式填料的冷卻特性優(yōu)于薄膜式填料，在相同的塔體尺寸和填料體積下，點(diǎn)滴式填料阻力小，點(diǎn)滴式填料冷卻塔具有更大的通風(fēng)量。點(diǎn)滴式填料作為大型自然通風(fēng)橫流式冷卻塔的輕型填料是比較適宜的。

本文按點(diǎn)滴式波紋弧形板條對(duì)橫流塔塔型進(jìn)行分析研究。

3 研究內(nèi)容

本次研究對(duì)不同的冷卻塔外形尺寸、填料高度、填料深度等幾個(gè)可變參數(shù)進(jìn)行組合，綜合分析各變量與冷卻塔水溫的關(guān)系及經(jīng)濟(jì)性。

冷卻塔幾何尺寸見表1。

表1 冷卻塔幾何尺寸

通過對(duì)填料布置高度和深度的優(yōu)化研究，選擇填料布置高度和深度組合方案。

5個(gè)填料高度方案：15 m、16 m、17 m、18 m、19 m；4個(gè)填料深度方案：9.5 m、10.5 m、11.5 m、12.5 m；共組合成180個(gè)方案。

4 塔型優(yōu)化

4.1 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)物理模型試驗(yàn)給出的淋水填料熱力、阻力特性以及塔總阻力系數(shù)，按給出的研究條件，對(duì)不同的冷卻塔外形尺寸、填料高度、填料深度等幾個(gè)可變參數(shù)進(jìn)行組合，與出塔水溫的關(guān)系及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

分別按電價(jià)0.2～0.4元/kWh進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2～表4。由于文章篇幅限制，僅列出排名前20的計(jì)算結(jié)果。

表2 冷卻塔優(yōu)化計(jì)算結(jié)果(電價(jià)0.2元/kWh)

表3 冷卻塔優(yōu)化計(jì)算結(jié)果(電價(jià)0.3元/kWh)

表4 冷卻塔優(yōu)化計(jì)算結(jié)果(電價(jià)0.4元/kWh)

以10.5 m深度為例，不同塔型及填料高度的年總費(fèi)用趨勢(shì)曲線見圖3；以18 m深度為例，不同塔型及填料深度的年總費(fèi)用趨勢(shì)曲線見圖4。

圖3 不同塔型及填料高度的年總費(fèi)用趨勢(shì)曲線

圖4 不同塔型及填料深度的年總費(fèi)用趨勢(shì)曲線

4.2 底部直徑相同，塔高變化分析

塔型1、塔型2、塔型3、塔型4的底部直徑相同，塔高依次減小，高徑比依次為1.4、1.3、1.24、1.2，年總費(fèi)用呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

(1)成本電價(jià)為0.2元/kWh，在相同的填料深度和高度下，年總費(fèi)用從低到高的排名始終是塔型4、塔型3、塔型2、塔型1，塔越高，年總費(fèi)用越高；各塔型在所研究的填料高度范圍內(nèi)，填料深度的最優(yōu)方案基本上趨向于最淺9.5 m深的方案；各塔型在所研究的填料深度范圍，填料高度最優(yōu)方案基本上趨向于17～18 m；隨著填料深度的增加，填料高度17 m的年總費(fèi)用更具有優(yōu)勢(shì)，塔型越高填料高度17 m的年總費(fèi)用更具優(yōu)勢(shì)。

(2)成本電價(jià)為0.3元/kWh，各塔型較優(yōu)的填料高度趨向于18 m，塔越高、填料深度越深， 18 m的填料高度和19 m相比優(yōu)勢(shì)越明顯。按照填料高度相同的條件分析如下：

①填料高度15 m時(shí)，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型1、塔型2、塔型3、塔型4，除塔型1填料深度趨向于9.5外，其余塔型填料深度均趨向于10.5 m；

②填料高度16 m時(shí)，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型2、塔型1、塔型3、塔型4，僅填料11.5 m深時(shí)，塔型3的年總費(fèi)用低于塔型1；填料深度的最優(yōu)方案均趨向于9.5～10.5 m，塔型2的10.5 m深方案年總費(fèi)用最低，塔型1、塔型3、塔型4的9.5 m深和10.5 m深方案年總費(fèi)用非常接近；

③填料高度17 m時(shí)，在相同深度下，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型2、塔型3、塔型4、塔型1的順序，填料12.5 m深時(shí)，塔型4的年總費(fèi)用略高于塔型1；塔型3的10.5 m深方案年總費(fèi)用最低，其余塔型填料深度的最優(yōu)方案均趨向于9.5 m的方案；

④填料高度18 m時(shí)，在相同深度下，塔型3年總費(fèi)用最低，仍是塔型1年總費(fèi)用最高，塔型3和塔型4居中，且填料深度在10.5～12.5 m之間總費(fèi)用差別很小，各塔型填料深度的最優(yōu)方案均趨向于9.5 m的方案；

⑤填料高度19 m時(shí)，在相同深度下，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型4、塔型3、塔型2、塔型1的順序，僅塔型3在9.5 m深時(shí)年總費(fèi)用比其他塔型低，各塔型填料深度的最優(yōu)方案均趨向于9.5 m的方案；

⑥隨著填料高度的增加，優(yōu)化方案趨向于較淺的9.5 m深的方案，趨向于高度較低的塔型。

(3)成本電價(jià)為0.4元/kWh，在相同的填料深度和高度下，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型1、塔型2、塔型3、塔型4，僅填料高度為19 m，填料深度為9.5 m、10.5 m時(shí)，塔型2的年總費(fèi)用略低于塔型1。各塔型較優(yōu)的填料深度趨向于18～19 m，塔越高、填料深度越深，越趨向于18 m的填料高度。各塔型較優(yōu)的填料深度趨向于10.5～11.5 m，基本上填料高度越高，越趨向于淺的填料深度。按照填料高度相同的條件分析如下：

①填料高度15 m時(shí)，各塔型填料深度的最優(yōu)方案均趨向于11.5 m；

②填料高度16 m時(shí)，塔型1、塔型2填料深度的最優(yōu)方案趨向于10.5 m，塔型3、塔型4填料深度的最優(yōu)方案趨向于10.5～11.5 m；

③填料高度17 m時(shí)，各塔型填料深度的最優(yōu)方案均趨向于10.5 m；

④填料高度18 m、19 m時(shí)，各塔型填料深度的最優(yōu)方案均趨向于10.5 m，且優(yōu)勢(shì)更為顯著；

(4)隨著電價(jià)的增長，最優(yōu)方案趨向于塔高較高的塔型，填料高度趨向于較高的18～19 m，填料深度趨向于10.5～11.5 m。

5.3 塔高相同，塔直徑變化分析

塔型7、塔型6、塔型3、塔型5、塔型8的塔高相同，塔直徑依次增加，高徑比依次為1.4、1.3、1.24、1.2、1.16，年總費(fèi)用呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

(1)成本電價(jià)為0.2元/kWh，在填料高度15～17 m時(shí)，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型5、塔型3、塔型6、塔型8、塔型7，僅塔型7在填料高度17 m、深度12.5 m時(shí)年總費(fèi)用低于塔型8；在填料高度18～19 m時(shí)，塔型8的年總費(fèi)用最高，塔型7、塔型5、塔型3、塔型6較低，但沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，且年總費(fèi)用差別很小。隨著填料深度從9.5 m增加到12.5 m，直徑較小的塔型7的填料高度最優(yōu)方案始終趨向于18～19 m，塔型6、塔型3的填料高度最優(yōu)方案從趨向于18 m變化到趨向于17 m，塔型5的填料高度最優(yōu)方案始終趨向于17 m，直徑較大的塔型8的填料高度最優(yōu)方案從趨向于17 m變化到趨向于16 m，即塔型越粗，越趨向于填料高度較低的方案；各塔型在所研究的填料高度范圍內(nèi)，填料深度的最優(yōu)方案均趨向于較淺9.5 mm深的方案。

(2)成本電價(jià)為0.3元/kWh，在相同的填料深度和高度下，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型5、塔型8、塔型3、塔型6、塔型7，僅塔型8在18 m以上填料高kWh，年總費(fèi)用高于塔型3；隨著填料深度從9.5 m增加到12.5 m，直徑較小的塔型7的填料高度最優(yōu)方案始終趨向于19 m，塔型6、塔型3的填料高度最優(yōu)方案從趨向于19 m變化到趨向于18 m，直徑較大的塔型8、塔型5的填料高度最優(yōu)方案從趨向于18 m變化到趨向于17 m，且17 m高和18 m高的年總費(fèi)用非常接近，即塔型越粗，越趨向于填料高度較低的方案。各塔型在所研究的填料高度范圍內(nèi)，填料深度的最優(yōu)方案均趨向于9.5～10.5 m深的方案，填料高度越高，塔型越粗，越趨向于9.5 m，填料高度越低，塔型越瘦，越趨向于10.5 m。

(3)成本電價(jià)為0.4元/kWh，在相同的填料深度和高度下，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型5、塔型8、塔型3、塔型6、塔型7，塔直徑越小，年總費(fèi)用越高；塔型8和塔型5的差距很小，在填料高度15～16 m時(shí)，塔型8的年總費(fèi)用略低于塔型5。隨著填料深度從9.5 m增加到12.5 m，塔型7、塔型6的填料高度最優(yōu)方案始終趨向于19 m，塔型3、塔型5、塔型8從趨向于19 m變化到趨向于18 m。各塔型在所研究的填料高度范圍內(nèi)，填料高度越低，越趨向于12.5 m，10.5～12.5 m深度之間的年總費(fèi)用差別很小；填料高度越高，越趨向于10.5 m，且優(yōu)勢(shì)愈加明顯。

(4)隨著電價(jià)的增長，塔型的最優(yōu)方案趨向于塔體較粗的塔型，填料高度趨向于較高值18 m，填料深度趨向于10.5 m深的方案。

5.4 瘦高塔和矮胖塔比較分析

塔型1、塔型2是塔直徑為117.7 m中比較瘦高的兩個(gè)塔型，在電價(jià)為0.3～0.4元/kWh年總費(fèi)用較低，塔型5、塔型8是塔高為145 m中直徑較大比較矮胖的塔型，在電價(jià)為0.2～0.4元/度年總費(fèi)用均較低，在塔型8的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加塔高(高度同塔型2)，作為塔型9；在填料高度、深度相同時(shí)，塔型1和塔型8的出塔水溫非常接近，塔型 2和塔型5的出塔水溫非常接近。塔型1、塔型2、塔型5、塔型8、塔型9的年總費(fèi)用呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

(1)成本電價(jià)為0.2元/kWh，在相同的填料深度和高度下，年總費(fèi)用從低到高的排名基本上是塔型5、塔型2、塔型8、塔型1、塔型9，隨著填料深度從9.5 m增加到12.5 m，塔型5的填料高度最優(yōu)方案始終趨向于17 m，塔型1、塔型2、塔型8、塔型9的填料高度最優(yōu)方案從趨向于17 m變化到趨向于16 m，但年總費(fèi)用差別很小。填料深度基本上趨向于9.5 m。

(2)成本電價(jià)為0.3元/kWh，在相同的填料深度和高度下，塔型年總費(fèi)用的排名規(guī)律不是很明顯，塔型5的年總費(fèi)用始終最低，塔型9隨著填料高度的降低，年總費(fèi)用的排名更加靠前，塔型2隨著填料高度的降低，年總費(fèi)用的排名更加靠后。隨著填料深度從9.5 m增加到12.5 m，填料高度基本上從趨向于18 m變化到趨向于18 m；填料深度趨向于9.5～10.5 m，填料高度越高，填料深度越趨向于9.5 m。

(3)成本電價(jià)為0.4元/kWh，在相同的填料深度和高度下，塔型年總費(fèi)用的排名規(guī)律不是很明顯，塔型2的年總費(fèi)用始終較高，塔型9的年總費(fèi)用在填料高度小于等于17 m的情況下年總費(fèi)用最低，塔型5隨著填料高度的增加，年總費(fèi)用的排名更加靠前，在填料高度為18 m時(shí)，和塔型9年總費(fèi)用基本相當(dāng)，填料高度19 m時(shí)，塔型5的年總費(fèi)用最低。隨著填料深度從9.5 m增加到12.5 m，各塔型基本上始終趨向于18 m。隨著填料高度從15 m增加到19 m，塔型2和塔型5的填料深度從趨向于11.5 m變化到趨向于10.5 m，塔型1、塔型8和塔型9填料深度始終趨向于10.5 m，且10.5 m深度的優(yōu)勢(shì)愈加顯著。

(4)在填料深度、高度相同時(shí)，塔型1和塔型8的出塔水溫非常接近，塔型 2和塔型5的出塔水溫非常接近，電價(jià)在0.2～0.4元/kWh，塔型5的年總費(fèi)用始終低于塔型2，塔型8的年總費(fèi)用基本上低于塔型1，僅在填料深度為12.5 m時(shí)，塔型1有少許的優(yōu)勢(shì)；可見所舉案例在同等條件下，矮胖塔更具有優(yōu)勢(shì)。

(5)隨著電價(jià)的增長，填料高度趨向于18 m，填料深度趨向于10.5 m深的方案。

6 分析與結(jié)論

在所研究的冷卻水量、排熱量、氣象條件和成本電價(jià)范圍內(nèi)，根據(jù)以上分析，得出以下結(jié)論：

(1)塔底部直徑相同，塔高不同時(shí)，隨著電價(jià)的增長，最優(yōu)方案趨向于塔高較高的塔型；

(2)塔高相同，塔底直徑不同時(shí)，成本電價(jià)越高，最優(yōu)方案越趨向于塔體較粗的塔型；

(3)在填料深度、高度相同，出塔水溫基本相同時(shí)，在所研究的塔型范圍內(nèi)，矮胖塔更具有優(yōu)勢(shì)。

(4)所研究的塔型最優(yōu)的填料高度集中在17～18 m之間。成本電價(jià)越高，填料高度越高；填料深度越小，填料高度越高。

(5)所研究的塔型最優(yōu)的填料深度在9.5～12.5 m之間均有可能，成本電價(jià)越高，填料深度趨向于10.5 m。

(6)根據(jù)表2～表4及以上分析，塔型5的填料高度18 m深度10.5 m的組合方案在電價(jià)為0.4元/kWh年總費(fèi)用排名第2，年總費(fèi)用僅比第1名高約0.2萬元，在電價(jià)為0.3元/kWh排名第2，年總費(fèi)用僅比第1名高約2.5萬元，在電價(jià)為0.2元/kWh排名第25，年總費(fèi)用比第1名高約22萬元，綜合來看經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

本次研究結(jié)合9種塔型，對(duì)5種填料高度、4種填料深度進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析，在電價(jià)0.2～0.4元/度的范圍內(nèi)，尋求到橫流塔的塔型優(yōu)化趨勢(shì)，以及填料高度和填料深度的優(yōu)化組合布置方案，可取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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[6]賈明曉，等.百萬機(jī)組橫流式自然通風(fēng)冷卻塔模型塔試驗(yàn)研究報(bào)告[R].西安：西安熱工研究院有限公司，中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，2014.

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Optimization of Tower Model for Cross- fl ow Tower in 1000 MW Units

YANG Ying-zhe
(China Power Engineering Consulting Group Northwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,xi'an 710075,China)

Natural draught cross-flow cooling tower applies to large capacity fossil fuel power unit. The paper refer to cooling demand of 1000 MW fossil fuel power unit,combine technical and economical optimization calculation and analyse ,put forward 1000 MW natural draught cross-flow cooling tower shape trend and recommended packing height and depth. The result can be referentially used for cross-flow cooling tower of fossil fuel power plant which has the same capacity.

atural draft cross-flow cooling tower; thin and tall tower; short and stout tower; packing height; packing depth.

TM621

B

1671-9913(2017)05-0023-07

2016-06-06

楊迎哲(1972- )，女，陜西西安人，高級(jí)工程師，從事電廠水工工藝設(shè)計(jì)和研究。