大型電站機械通風冷卻塔群布置優化探析

中國華電集團有限公司 段喜民 趙迎九 華電重工股份有限公司 劉曉東

長期以來，冷卻塔是化工、冶金、制藥、釀造、發電等行業不可缺少的工業設備。根據冷卻技術不同分為自然通風冷卻塔和機械通風冷卻塔[1]，其中機械通風冷卻塔具有一次投資低、建設工期短的特點應用較多[2]，特別是在“一帶一路”建設中成為海外電站項目中的首選設備。但由于機械通風冷卻塔單臺冷卻水量較小，多為多排數臺布置，形成冷卻塔組或群，導致熱回流現象和熱干擾現象同時存在[3]，形成熱氣回流現象。受熱氣回流的影響冷卻塔進風口處干球溫度和濕球溫度升高[3]，導致冷卻塔出水溫度升高，從而降低了冷卻塔的冷卻性能。

1 基本情況

某電站所在區域屬于典型熱帶雨林氣候無四季分別，北部受北半球季風影響7～9月降水量豐富，南部受南半球季風影響12月、1月、2月降水量豐富。由于夏季氣象條件下熱氣回流對冷卻塔性能影響最大，因此選擇夏季10%氣象為數值模型的輸入條件：干球溫度為28.1℃，濕球溫度為26.2℃，大氣壓為1009.5hPa，風速為2.1m/s。考慮到風速2.1m/s為平均風速，而回流影響分析通常選擇略大一點的短時風速，本項目中采用4m/s的風速（圖1）。

冷卻塔設計參數：每臺機組配置18段機械通風冷卻塔，16段運行2段備用，兩臺機組共配置36段，風機直徑10.06m、電機功率200kW，塔群采用雙側進風方式。設計風量為3200000m3/h。每臺機組的循環水量為84000m3/h，每段機械塔的循環水量為5250m3/h。進水溫度為40℃，出水溫度不高于32℃。機械塔的平面尺寸為20.4m×20.4m，塔高為17.9m，進風口高度為4.8m，填料底部標高5.5m，填料厚度為1.5m。冷卻塔淋水填料為S波，材質為普通PVC材質，安裝方式為擱置式。

冷卻塔總體布置有兩種方案：橫向布置方案（圖2）和斜向布置方案（圖3）。橫向布置時同一機組冷卻塔之間的距離（后稱“兩側塔排距離”）為70m，不同機組冷卻塔塔排距離（后稱“中間塔排距離”）為75m。斜向布置時兩側塔排距離和中間塔排距離都為65m。

2 技術路線

根據不同塔群布置方案，利用GAMBIT軟件建立網格分析模型，利用FLUENT軟件建立三維數值模擬分析模型；根據機械通風冷卻塔一維模型計算10%氣象工況條件下冷卻塔出口氣溫和濕度，并將其作為三維模型的邊界條件；利用三維計算模型，針對熱空氣回流情況建立多組分模型，研究溫度分布、速度分布，統計出各個進風口的平均溫度，給出熱回流率；基于一維數值模型計算進風口空氣的干球溫度和濕球溫度的升高值、出水溫度的升高值，為建立廠用水系統[3]機械通風冷卻塔設計條件的修正方法提供支撐。

3 熱氣回流研究

無風條件下熱氣回流分析：針對橫向布置方案分析了無風條件下熱氣回流率。圖4顯示沒有明顯的熱空氣回流至進風口。通過統計36個塔的進風口溫度，分析可知36個塔的平均回流率為0.6%，進風口干球溫度升高幅度為0.06℃。這表明無風條件下熱氣回流對冷卻塔性能影響較小可忽略不計。針對斜向布置的分析結果與上述相似，即無風條件下熱氣回流的影響亦可忽略不計。

不同風向條件下兩種布置方案比較：由圖5可知在年主導風向的自然風影響下熱氣回流現象明顯。分析數據表明36個塔的平均熱回流率為9.0%，進風口干球溫度升高幅度為0.8℃；由圖6可知在年主導風向的自然風影響下熱氣回流現象不明顯。分析數據表明，36個塔的平均熱回流率為2.0%，進風口干球溫度升高幅度為0.2℃；圖7顯示橫向布置的最不利風向是南風（與塔排風向垂直），回流率為10%。斜向布置的最不利風向也是南風，與塔排成45度角度。年次主導風方向為西北風，此時橫向布置的回流率為9.6%，斜向布置的回流率為1.2%。夏季10%的次主導風向為東風，此時橫向布置的回流率為1.3%，斜向布置的回流率為4.6%。考慮8個風向頻率差異，斜向布置的回流率為3.8%，橫向布置的回流率為7.6%。

上述分析表明，在年主導風向和自然風向條件下，斜向布置的回流率均小于橫向布置，即斜向布置較優。

4 布置方案的進一步優化研究（排間距研究）

由于水泵房與冷卻塔間的距離較近（16m）不宜再縮小。因此考慮水泵房的布置時不改變兩側塔排間距（保持65m），僅對中間塔排間距進行優化。圖8～11分別為中間塔排間距改變時，回流率、進風口干球溫度、進風口濕球溫度和出水溫度的變化情況，中間塔排間距由60m降至25m時，回流率變化幅度小于0.5%，進風口干球溫度和濕球溫度、出水溫度的變化幅度均小于0.05℃，這表明中間塔排間距的大小對熱氣回流的影響較小，從經濟性考慮結合廠區布置，中間塔排間距可減小至25m。

5 結語

這個項目機械通風量冷卻塔集中布置問題采用FLUENT軟件建立了機械通風冷卻塔群三維分析模型，分別研究了無風、主導風向、自然風向條件下不同布置下的熱氣回流率，確定了較優的布置方案；并針對較優方案進一步分析了塔排間距對熱氣回流率、出水溫度抬升值、進風口干濕球溫度抬升值的影響，作出了進一步的優化布置方案。

主要研究成果如下：無風條件下可忽略熱氣回流對冷卻塔熱力性能的影響；主導風向、4m/s風速條件下，橫向布置方案的回流率為9.0%，此時進風口濕球溫度升高幅度為1.2℃，出水溫度升高幅度為0.62℃。斜向布置方案的回流率2.0%，此時進風口濕球溫度升高幅度為0.3℃，出水溫度升高幅度為0.16℃，都小于橫向布置，因此斜向布置方案較優；不考慮泵房、斜向布置時，塔排間距在25m至40m區間內回流率變化幅度較小，塔排間距在40m至60m區間內回流率隨塔排間距增大而顯著減小，綜合考慮塔排間距為50m較優；主導風條件下，當保持兩側塔排間距不變（65m）、僅調整中間塔排距離時（25～65m）對熱氣回流率的影響小于0.5%，對進風口干球溫度和濕球溫度、出水溫度的變化幅度均小于0.05℃，這表明中間塔排間距對熱氣回流的影響較小。