H電廠自然通風排煙海水冷卻塔選型分析

張新江 唐元明 范雙雙 胡金偉 劉東旭

摘 要：H電廠所在區域為地中海伊斯肯德倫灣海龜保護區，為實現節能環保目的，同時對當地海洋環境進行保護。本文首先對循環水系統冷端進行優化計算，確定了冷卻塔出水溫度值及對應汽輪機組TRL工況的背壓值。進而對冷卻塔的參數和結構進行初步分析，同時得到冷卻塔的初步選型，并根據上述優化計算的結果，對冷卻塔的選型進行了論證。最后通過ANSYS有限元法對冷卻塔的穩定性進行模擬計算，以此達到冷卻塔安全穩定的要求。計算結果不僅對當地環境實現保護目的，而且為此類冷卻塔的設計提供一定的理論指導。

關鍵詞：自然通風排煙循環水系統海水冷卻塔冷端優化有限元法

中圖分類號：TK-9

Type Selection Analysis of Seawater Cooling Tower with Natural Ventilation and Smoke Exhaust in H Power Plant

ZHANG Xinjiang 1 TANG Yuanming 1 FAN Shuangshuang 2 HU Jinwei3 LIU Dongxu 2

（1. EMBA Power Generation Co.， Ltd.， Istanbul， 34330Turkey;

2. Harbin Wohua Intelligent Power Generation Equipment Co.， Ltd.， Harbin Heilongjiang Province， 150001 China;

3. East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd of China Power Engineering Consulting Group， Shanghai， 200063 China）

Abstract： H power plant is located in the sea turtle conservation area of Iskenderun Bay in the Mediterranean Sea. It is designed to achieve the purpose of energy saving and environmental protection while protecting the local marine environment. In this paper， the cold end of the circulating water system is optimized and the outlet temperature of the cooling tower and the corresponding back pressure of the turbine unit under TRL condition are determined. Then the parameters and structure of the cooling tower are preliminarily analyzed， and the preliminary type selection of the cooling tower is obtained. According to the results of the above optimization calculation， the type selection of the cooling tower is demonstrated. Finally， the stability of the cooling tower is simulated by ANSYS finite element method， so as to meet the requirements of safety and stability of the cooling tower. The calculation results not only achieve the purpose of protecting the local environment， but also provide some theoretical guidance for the design of this kind of cooling tower.

Key Words： Natural ventilation and smoke exhaust; Circulating water system; Seawater cooling tower; Optimization of cold-end system; Finite element method

目前，改建或新建的冷卻塔排煙技術已經普遍流行起來，國內從2005年開始，陸續興建了大量的煙塔合一項目[1]。煙塔合一技術取排水量小，具有排水溫升低、污染物排放源強優化和煙氣抬升等優勢[2-3]。計算流體力學方法對有效地模擬出電廠煙氣排放中一些污染物的形態[4]。同時，結合試驗驗證方法，證明了高寬比大塔型的冷卻塔的優勢很大，最主要的是對周圍環境的影響較小[5]。側風與自然通風冷卻塔相互影響，不同自然通風冷卻方式的側風效應及其作用機理，對冷卻塔構架也有不同的作用[6]。對于冷卻塔的穩定性計算方面，可以進行局部的實驗研究，然后選取有效的參數進而對冷卻塔的穩定性進行探討[7，8]。不同的冷卻塔的計算公式并不相同，通過對不同計算公式進行評價可以得出，其中對結果產生較大影響的主要參數有熱量系數、熱平衡誤差、空氣密度等[9-10]。

H電廠處于海龜保護區，在水環境方面，本工程采用二次循環后，取排水量大幅減小，排水溫度降低，冷卻塔排水除鹽分較原水略高外，無新增其他污染因子，對海域環境生態影響有明顯改善。采用煙塔合一的循環水冷卻方式，通過冷端優化計算，初步確定冷卻塔的面積，詳細分析了冷卻塔的選型，對冷卻塔的穩定性也進行計算，計算結果為今后該類裝置的設計選型提供參考。

1 循環水系統冷端優化計算

1.1 循環水系統概述

按照常規設計準則，每臺660MW機組配置1座自然通風排煙海水冷卻塔，2臺循環水泵，循環水供水和排水管各1條。

1.2循環水系統冷端優化計算結果分析

按照上述設計輸入，并根據上海電氣集團股份有限公司提供的凝汽器微增功率曲線，其相關計算結果見表1。

表1 冷端優化計算結果

根據上述計算結果，考慮到二次循環660MW機組凝汽器面積選用的通用性及機組運行的經濟性，本工程擬選用排名加權平均背壓最低的方案。即循環水系統按TMCR工況計算，凝汽器總冷卻面積32000m2、夏季循環水冷卻倍率57倍（對應系統循環水量19.15m3/s）。

1.3 循環水系統冷端優化計算確定汽輪機機組設計背壓值

上述優化結果：在夏季冷卻倍率為57倍的條件下，逐月平均氣象條件冷卻塔的年平均出塔水溫約21.94℃，對應汽輪機機組TMCR工況設計背壓約5.45kPa。（由于冷卻塔逐月出塔水溫均在15℃以上，因此不需考慮冬季“無效低溫”因素）。

1.4 循環水系統夏季TRL校核工況計算

按照現有優化計算結果，對2008—2012年共5年夏季（6、7、8月）10%氣象條件（濕球溫度25.9℃、干球溫度30.3℃，相對濕度71%，平均氣壓998.8hPa），汽輪機組TRL工況，循環水系統流量19.15m3/s進行校核計算，冷卻塔出水溫度為30.82℃，對應汽輪機組TRL工況的背壓值為8.62kPa。

2常規自然通風排煙冷卻塔選型

2.1 冷卻塔初步選型

常規自然通風冷卻塔的循環水供水高程如圖1所示。根據冷端優化計算結果，本工程采用常規自然通風冷卻塔擬采用瘦高型9000m2雙曲線逆流式自然通風排煙海水冷卻塔方案，冷卻塔主要尺寸見表2所示。

2.2 冷卻塔結構分析

采用冷卻塔計算專用程序+大型通用有限元ANSYS同時進行對比分析的方法對淋水面積9000m2的排煙冷卻塔結構分析。由于三維問題的復雜性較強，可以對三維冷卻塔問題進行簡化，冷卻塔具有軸對稱結構，即可簡化成簡單的二維問題。有限元整體模型見圖2。

冷卻塔穩定計算除了按照規范規定的穩定分析方法進行分析外，本文同時利用ANSYS軟件進行基于經典力學理論的有限元屈曲穩定分析，計算的荷載為自重、風荷載和內吸力，屈曲荷載組合參考德國VGB規范取為 （G+W）。根據有限元計算結果，第一階屈曲荷載系數為12.742，遠大于設計風壓，證明該冷卻塔具有良好的穩定性，第一階屈曲模態具體見圖3。

3結語

本工程采用二次循環方案，取排水量均大幅減小，排水溫度降低，對海域環境及海域生態影響較小。同時，通過冷端優化計劃后，采用煙塔合一技術，同時通過有限元法進行穩定性計算，不僅有效保證了凝汽器背壓，而且保證了選型的安全性和穩定性。

參考文獻

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