并列運行的自然通風冷卻塔熱力計算方法

劉道遠，朱蓬勃，姜國策，黃啟川

并列運行的自然通風冷卻塔熱力計算方法

劉道遠1，朱蓬勃2，姜國策2，黃啟川1

（1.淮浙煤電有限責任公司鳳臺發電分公司，安徽 淮南 232131；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

目前，關于冷卻塔并列運行熱力計算的研究開展得還不充分。本文通過分析自然通風冷卻塔并列運行的特點，綜合運用焓差法、窮舉法和回歸分析法進行并列運行冷卻塔熱力計算的方法研究，并通過實例實際驗證該方法的有效性。結果表明：并列運行時，2座冷卻塔的結構型式、氣候條件、進水溫度、等效溫升與進出凝汽器冷卻水溫升均相同；一機兩塔和一機一塔的循環水的蒸發損失相等；相較于一機一塔運行方式，一機兩塔并列運行在各種負荷下均有顯著的節能效果。本文結果可對相關改造項目以及運行節能分析提供參考。

自然通風冷卻塔；并列運行；熱力計算；一機兩塔；一機一塔；焓差法；窮舉法

隨著我國能源結構調整，太陽能、風能和核能等新能源發電方式快速發展，以煤炭為主要原料的火電機組年利用小時數總體呈逐年下降趨勢[1-3]。為加強環境保護，東部沿海地區已經開始對煤電運行提出了更加嚴格的要求，比如浙江省出臺了能源“雙控”政策：為達到控煤和節能降耗的目的，各電廠一部分機組調停，一部分維持較高負荷運行成為常態，這具備了進行一機兩塔運行的外部條件。從節能降耗角度考慮，燃煤機組有進行一機兩塔節能改造的需求。文獻[4]按照冷卻塔循環水流量平均分配的原則，采用常規冷卻塔熱力計算的方法對節能效果分析；文獻[5-7]依據改造后的熱力試驗結果對節能效果進行了評價。結果顯示：改造后，夏季時一機兩塔運行節能效果顯著。本文在隨機分配2座并列運行冷卻塔循環水進水比例的工況下，進行冷卻塔熱力計算，為相關節能改造提供參考。

1 冷卻塔并列運行

1.1 一機兩塔運行改造

一機兩塔運行改造是指在2臺機組的循環水回水母管上設置聯絡管和隔離閥，當1臺機組停運時，另外1臺機組的循環水可采用2座冷卻塔并列運行進行冷卻，即一機兩塔運行，系統如圖1所示。

1—冷卻塔；2—循環水泵；3—聯絡閘板；4—循環水泵出口閥；5—循環水供水母管聯絡閥；6—凝汽器進口閥；7—凝汽器出口閥；8—凝汽器；9—循環水回水母管聯絡閥。

1.2 并列運行特點分析

1）2座冷卻塔的結構型式及氣候條件相同 由于擴大單元制運行的2臺機組一般均采用相同的邊界條件設計，因此假定冷卻塔的塔高、進風口高度、淋水面積、填料特性等均相同；由于2座冷卻塔相鄰布置，相同時刻的氣候條件也相同。

2）2座冷卻塔的進水溫度相同 根據一機兩塔運行方式可知，當采用一機兩塔運行時，2座冷卻塔的進水溫度均為運行機組的凝汽器出水溫度，因此2座冷卻塔的進水溫度相同。

3）進出2座冷卻塔冷卻水的等效溫升與進出凝汽器冷卻水溫升相同 由于一機一塔運行時，在不考慮循環水補水及泵功的情況下，冷卻塔的進水溫度等于凝汽器冷卻水的出水溫度，冷卻塔的出水溫度等于凝汽器冷卻水的進水溫度[8]。將并列運行的2座冷卻塔的出水混合后的溫度稱為冷卻塔的等效出水溫度，冷卻塔的進水溫度與等效出水溫度之差為等效溫升。由于冷卻塔的進水溫度即為凝汽器冷卻水的出水溫度，冷卻塔的等效出水溫度即為凝汽器冷卻水的進水溫度，因此并列運行的2座冷卻塔的等效溫升與凝汽器的冷卻水溫升相同。

2 熱力計算方法

2.1 常規計算

2.1.1冷卻塔溫升計算

根據凝汽器的熱平衡方程，冷卻水在凝汽器內的溫升可表達為[9]

由式(1)可知：當汽輪機排汽量一定時，循環水溫升取決于冷卻水流量；而機組冷卻倍率一定時，凝汽器溫升為1個常數。并列運行冷卻塔的冷卻水等效溫升也存在上述特征。因此，機組負荷和循環水泵運行方式確定后，凝汽器溫升即可計算得到。

2.1.2冷卻塔熱力計算

逆流式冷卻塔一般采用焓差法[11]進行熱力計算，計算公式為

式中：為淋水填料的體積，m3；為進入冷卻塔的循環水流量，kg/s；為考慮蒸發水量散熱的系數；a為淋水填料的散熱系數，kg/(m3·s)；1和2分別為冷卻塔進水溫度和出水溫度，℃；為濕空氣的比焓，kJ/kg；″為與水溫相應的飽和空氣比焓，kJ/kg；W為循環水的比熱容，kJ/(kg·℃)。

式(2)右邊稱為冷卻塔的冷卻數，它與氣象條件有關，與冷卻塔的構造無關，用表示，一般采用辛普遜積分法[12]進行計算。式(2)左邊稱為冷卻塔的特性數（用表示），表征在一定的淋水填料和塔型下冷卻塔所具有的冷卻能力，也可以表達為[13]

式中：和為常數；為氣水比；1為冷卻塔進口風速，m/s；1為冷卻塔進風口面積，m2；1為冷卻塔進口干空氣密度，kg/m3；為冷卻塔進口空氣體積流量，m3/s。

式(2)為一個非線性方程式，一般采用迭代法進行計算。計算過程為：首先假設冷卻塔的出塔溫 度2，然后分別計算出特性數和冷卻數，如滿足條件=，則2即為冷卻塔出口水溫的計算 值，否則改變2的值繼續進行迭代，直至滿足上 述條件為止[14]。

2.2 并列運行計算

冷卻塔并列運行時，如果循環水等分進入2座冷卻塔中，假定2座塔的設計參數、氣象條件等均相同，則2座冷卻塔的溫升也相同，即每座冷卻塔溫升均等于凝汽器的溫升（或者等效溫升），這時每座冷卻塔就可以按照已知溫升和循環水流量采用常規的焓差法進行熱力計算。但實際中，由于2臺機組循環水系統布置不完全一致、聯絡管管徑及閥門產生新的阻力等因素的影響，一機兩塔改造后兩塔并列運行時循環水不能均勻分配到2座冷卻塔中，這時2座冷卻塔的溫升不同，就不能直接采用焓差法進行熱力計算。此時，可以根據冷卻塔并列運行的特點采取如下方法求解。

1）假設2座冷卻塔分別為1、2號冷卻塔，循環水流量分別為1和2（1＞2），進出水溫度分別為11、12和21、22，進出水焓值分別為11、12和21、22，溫升分別為?1、?2，等效溫升為?。

2）根據冷卻塔的換熱原理，相同的氣候條件和冷卻塔規格，淋水密度增加，冷卻塔的換熱效果降低[15]，故有?1＜?＜?2。

3）根據上述關系，采用窮舉法分別取1組足夠數量的?1和?2，又已知1和2，可采用焓差法分別計算1組?1、?2對應的11、21，然后分別繪制出1、2號冷卻塔各自不同溫升與對應的循環水進水溫度關系的曲線。采用回歸分析法分別得到函數11=(?1)和21=(?2)。

4）根據并列運行冷卻塔的特點，并列運行的2座冷卻塔進水溫度相同，故：

5）根據能量守恒原理，循環水在凝汽器內的吸熱量等于循環水在冷卻塔內的散熱量，故有

6）聯立式(5)、式(6)可計算得到?1、?2，進而求出11、21和12、22，完成冷卻塔熱力計算。

2.3 冷卻塔蒸發損失分析

冷卻塔蒸發水率計算公式為[12]

式中：e為蒸發損失水率；ZF為系數，1/℃。

根據并列運行的冷卻塔的特點，2座冷卻塔進塔干球空氣溫度相同，故ZF相等。則一機一塔運行時的蒸發損失為

一機兩塔運行時總的蒸發損失為

由式(6)、式(8)、式(9)可得Z=Z′。因此，一機兩塔和一機一塔的循環水蒸發損失相等。

3 計算實例

某電廠一期工程為超臨界2×600 MW火電機組，采用帶雙曲線逆流式自然通風冷卻塔的擴大單元制循環水系統。每臺機組配1座冷卻塔，2臺循環水泵。2臺機組的循環水母管管徑為3 040 mm×16 mm。原設計運行方式為冬季采用一機一泵運行，春秋季采用二機三泵運行，夏季采用一機兩泵運行方式。2018年，通過在2臺機組的循環水回水母管設置3 040 mm×16 mm的聯絡管及隔離閥改造實現一機兩塔運行。

以1號機組采用一機兩泵兩塔運行為例，根據設計條件，進行一機兩塔運行時循環水系統阻力特性計算，得到汽輪機額定功率工況時的初始參數：凝汽 器溫升7.76 ℃，1、2號塔循環水流量分別為45 288、26 352t/h，特性數1.960.53，大氣壓力99.55 kPa，濕球溫度27.3 ℃，干球溫度29.8 ℃。

將相關參數代入式(6)，可得

由于Q1＞Q2，根據冷卻塔換熱原理有?t1＜7.76，?t2＞7.76。在上述范圍內，?t1從大到小，?t2從大到小，分別羅列出足夠多和足夠精度的?t1和?t2值，然后分別采用焓差法進行冷卻塔的出塔溫度和進塔溫度計算，分別繪制1、2號冷卻塔進水溫度隨各自溫升變化曲線，如圖2所示。

根據圖2中的曲線分別擬合出2座冷卻塔的進水溫度隨溫升變化的函數：

由式(5)、式(11)和式(12)可得

由式(10)和式(13)聯立可求得?1=7.289 ℃，?2=8.563 ℃；進而求出冷卻塔進水溫度11/21=37.838 ℃，1號冷卻塔和2號冷卻塔的出水溫度分別為30.541 ℃和29.275 ℃。至此，并列運行冷卻塔的熱力計算完成。

根據上述結果可得，采用一機兩塔并列運行時，凝汽器冷卻水進水溫度為30.078 ℃；而相同外部條件下，一機一塔運行方式時凝汽器冷卻水進水溫度為32.180 ℃，比前者高約2.102 ℃。采用同樣方法可以求得當機組負荷分別為450、300 MW時，一機兩塔比一機一塔分別降低約2.14、1.78 ℃。因此，一機兩塔并列運行方式無論在額定負荷還是部分負荷均有顯著的節能效果。

4 結 語

本文通過分析并列運行冷卻塔的特點，綜合運用焓差法、窮舉法以及回歸分析法給出一機兩塔運行時冷卻塔的熱力計算方法并通過實例進行熱力計算，可對相關改造項目的可行性研究以及運行節能分析提供有益的參考。

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Thermodynamic calculation method for natural ventilation cooling towers running in parallel

LIU Daoyuan1, ZHU Pengbo2, JIANG Guoce2, HUANG Qichuan1

(1. Huaizhe Coal & Power Fengtai Power Generation Branch Co., Ltd., Huainan 232131, China;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

At present, the study on thermodynamic calculation of cooling towers running in parallel is insufficient. On the basis of analyzing the characteristics of parallel operation of natural ventilation cooling towers, this paper carries out a comprehensive study on thermodynamic calculation methods for cooling towers in parallel operation, by using the enthalpy potential method, exhaustion method and regression analysis method. Moreover, combining with the practical examples, it verifies the effectiveness of the methods. The results show that, in parallel operation, the parameters of the two cooling towers, such as the structural type, climatic conditions, water inlet temperature, equivalent temperature rise, and the temperature rise of the cooling water flowing in and out of the condenser, are the same. The evaporation loss of the circulating water of one unit with double-tower and one unit with one tower are equal. Compared with the operating mode of one unit with one tower, the parallel operation of one unit with double-tower can save the energy significantly at different loads. The results can provide references for relevant renovation projects and the analysis on operational energy saving.

natural ventilation cooling tower, parallel operation, thermodynamic calculation, one unit with two towers, one unit with one tower, enthalpy difference method, exhaustion method

TK172

B

10.19666/j.rlfd.201905138

劉道遠，朱蓬勃，姜國策，等. 并列運行的自然通風冷卻塔熱力計算方法[J]. 熱力發電, 2019, 48(12): 134-137. LIU Daoyuan, ZHU Pengbo, JIANG Guoce,et al. Thermodynamic calculation method for natural ventilation cooling towers running in parallel[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 134-137.

2019-05-05

劉道遠(1972)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為火電廠節能與環保技術，daoyuanemail@163.com。

（責任編輯 劉永強）