空氣導流裝置對大型自然通風濕式冷卻塔性能影響研究

王明勇，閔昌發(fā)，賈繼武，鄭天帥，鄧 佳，韓 立，王 斌

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.貴州粵黔電力有限責任公司，貴州 六盤水 553505；3.華能嘉祥發(fā)電有限公司，山東 濟寧 273199）

冷卻塔是發(fā)電廠冷端系統(tǒng)二次循環(huán)的重要部分，其冷卻性能直接影響機組真空，從而影響機組節(jié)能減排效果和運行經(jīng)濟性[1]。文獻[2]以某引進型300 MW機組為例進行了計算，其結(jié)果顯示降低進水溫度0.1 ℃，真空可提高0.026 kPa。文獻[3]指出，循環(huán)水流量不變的前提下，由于冷卻塔的冷卻能力降低，導致出塔水溫升高1 ℃時，200 MW機組煤耗增加1.107 g/(kW·h)，300 MW機組煤耗增加0.798 g/(kW·h)。文獻[4]通過6座冷卻塔的改造實例，證明了通過改造塔芯部件提高冷卻塔的冷卻能力，可以降低煤耗2~4 g/(kW·h)，帶來顯著的節(jié)能效果。由此可見，在保證冷卻塔的結(jié)構安全、控制項目整體投資的前提下，通過科學手段提高冷卻塔的冷卻性能，進一步降低出塔水溫，可有效提高機組真空，從而降低發(fā)電煤耗，減少機組碳排放，在提高機組運行經(jīng)濟性的同時，達到節(jié)能減排的目的。

冷卻塔內(nèi)通風量以及風速在填料區(qū)分布的均勻性是影響冷卻塔冷卻性能的重要因素，二者受周圍環(huán)境大風的影響較大，特別是環(huán)境側(cè)風對其會產(chǎn)生直接的不利影響[5]。國內(nèi)外學者分別通過理論研究及模擬實驗分析了環(huán)境側(cè)風對冷卻塔的影響。文獻[6-8]通過數(shù)值計算及風洞模擬發(fā)現(xiàn)，自然風對進塔空氣的流場存在較大影響，可以通過在上風向設置擋風墻來予以緩解。文獻[9]認為環(huán)境側(cè)風會使冷卻塔進出口的壓力分布發(fā)生改變，從而破壞進風的均勻性，安裝擋風墻可以有效降低環(huán)境側(cè)風的不利影響。文獻[10-11]通過Fluent軟件三維模擬計算，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境風速為7.5 m/s時，冷卻塔的出塔水溫升高了1.7 ℃，其主要原因為側(cè)風導致冷卻塔內(nèi)的水汽分布不均勻，在冷卻塔進風口安裝擋風墻可有效改善側(cè)風情況下的冷卻塔熱力性能。文獻[12]指出，十字隔墻可以減小環(huán)境側(cè)風對冷卻塔背風面雨區(qū)的沖擊，取得一定的防風效果。上述研究通過模擬、計算等不同方法，一致分析認為環(huán)境側(cè)風影響了冷卻塔的進風均勻性，破壞了塔內(nèi)流場，降低了冷卻塔的冷卻能力；通過加裝擋風墻等裝置，可以被動地降低環(huán)境側(cè)風對冷卻塔的影響。

然而，對于主動引導環(huán)境側(cè)風進塔、均勻塔內(nèi)流場分布這一思路，目前國內(nèi)的研究基本停留在模擬計算的階段，缺乏相關的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)作為支撐。文獻[13]指出，環(huán)境側(cè)風不僅降低了通風量，還破壞了冷卻塔周向進風的均勻性，通過優(yōu)化冷卻塔周向進風，可以增強塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)均勻性，提高冷卻效率。文獻[14]認為，冷卻塔中心區(qū)域空氣的溫度高濕度大，影響整體的冷卻效果，通過在雨區(qū)外圍加裝導流板，使空氣旋轉(zhuǎn)上升，可以增加中心區(qū)域空氣擾動，增強換熱能力。

隨著國內(nèi)華能楊柳青電廠、華能黃臺電廠、上海吳涇電廠、安徽蚌埠電廠等項目陸續(xù)安裝冷卻塔空氣導流裝置，針對這一技術的驗證研究也越發(fā)迫切。目前國內(nèi)安裝空氣導流裝置的冷卻塔，普遍為600 MW級或300 MW級機組配用，并且上述冷卻塔環(huán)境年平均風速低于3 m/s，實際的應用效果并不明顯，缺乏技術經(jīng)驗和示范效應。隨著國內(nèi)機組的大型化，冷卻塔面積也越來越大，針對環(huán)境大風地區(qū)1 000 MW機組的自然通風冷卻塔設置空氣導流裝置進行試驗研究，不僅可以對這一技術進行有效驗證，也可以為后續(xù)同類項目提供設計依據(jù)。

1 主要研究內(nèi)容及測試工況

東南沿海地區(qū)某電廠冷端采用二次循環(huán)冷卻塔方案，每臺機組配置一座13 000 m2自然通風冷卻塔，當?shù)乩塾嫮h(huán)境年平均風速5.27 m/s。為優(yōu)化冷卻塔進風方式，在1號冷卻塔內(nèi)按照常規(guī)方式設置了十字擋風墻，在2號冷卻塔進風口人字柱外均勻設置了空氣導流裝置。塔芯部件為S型波淋水填料，PVC材質(zhì)，采用不等高布置方式。內(nèi)區(qū)、中區(qū)、外區(qū)填料組裝高度分別為1.50、1.75、2.00 m。配水系統(tǒng)采用中央豎井，主水槽呈正交布置，配水管分雙層，實行內(nèi)外區(qū)分區(qū)配水。

1號、2號冷卻塔布置在沿海區(qū)域，是臺風多發(fā)地區(qū)，累年環(huán)境平均風速達5.27 m/s，為國內(nèi)同類型工程之最。冷卻塔周圍及塔內(nèi)的空氣流場、溫度場與平原地區(qū)相比，存在較大的差異，必須采取降低自然風不利影響的措施。

1.1 主要研究內(nèi)容

通過對1號冷卻塔（不設空氣導流裝置）和2號冷卻塔（設置空氣導流裝置）分別進行熱力性能實測，取得在不同機組負荷工況、不同環(huán)境側(cè)風速條件下冷卻塔的進塔水溫、出塔水溫、大氣壓力、進塔干球溫度、進塔濕球溫度、出塔氣溫、循環(huán)水量等熱力性能測試數(shù)據(jù)，從而獲得冷卻塔冷卻能力、熱力特性曲線等。

通過測試結(jié)果與設計的冷卻塔熱力性能進行對比分析，對2號安裝空氣導流裝置的冷卻塔熱力特性和冷卻能力作出評價和分析；同時對比不同風速下2座冷卻塔的性能，得到冷卻塔熱力性能隨環(huán)境風速變化的趨勢與規(guī)律。

1.2 測試工況

為比較不設空氣導流裝置的1號冷卻塔和設置空氣導流裝置的2號冷卻塔在環(huán)境風影響下的冷卻性能，設置測試工況1—工況3，對應環(huán)境風速范圍分別為0~3、3~5、5~8 m/s。

為保持2座冷卻塔運行狀態(tài)一致性，各工況測試過程中，1號、2號機組保持額定負荷穩(wěn)定運行，循環(huán)水系統(tǒng)聯(lián)絡門關閉，循環(huán)水泵運行方式相同。2臺機組均為100%負荷，2臺循環(huán)水泵運行，以確保 2座冷卻塔處于同一運行條件。

測試過程中，2臺機組保持單元制運行，所有測試數(shù)據(jù)同步記錄。

1.3 參數(shù)變化范圍

測試過程中各工況的測量參數(shù)變化范圍見表1。

表1 參數(shù)變化范圍Tab.1 The parameter variation range

2 試驗模型及計算方法

濕式冷卻塔中，水向空氣散熱主要是蒸發(fā)散熱與接觸散熱，以蒸發(fā)散熱為主。這一熱力過程中包含傳熱和傳質(zhì)2部分。針對蒸發(fā)散熱的機理，美國的Irving Langmuir于1912年提出，蒸發(fā)的水分子首先在水的表面形成與水體同溫的飽和空氣層，隨后再向大氣中擴散[15]。德國的Merkel于1925年提出將水面飽和空氣層與濕空氣的焓差作為散熱推動力，進一步將傳熱與傳質(zhì)2部分統(tǒng)一起來[15]。以此為基礎，結(jié)合濕空氣的狀態(tài)方程，可以得到冷卻塔計算的基本公式為

式中，Ω為冷卻數(shù)，t1、t2分別為冷卻塔進出水溫，cw為水的比熱容，h"為與水溫對應的飽和空氣比焓，h為濕空氣比焓。

根據(jù)容積散質(zhì)系數(shù)的定義，可以得到逆流式冷卻塔的計算公式為

式中，Ka為容積散質(zhì)系數(shù)，q為淋水密度，H為淋水填料高度。

根據(jù)《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》（DL/T 1027—2006），由實測工況參數(shù)，求出修正到設計條件下的冷卻能力為

式中，ηsQ為實測冷卻能力，Qc為修正到設計工況條件下的冷卻水量，Qd為設計冷卻水流量，Gt為實測進塔干空氣量，λc為修正到設計工況條件下的氣水比。

根據(jù)實測工況參數(shù)，最小二乘法擬合成熱力性能方程式：

式中，λ為氣水比，m為試驗指數(shù)，A為系數(shù)。

根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范》（GB/T 50102—2014），在冷卻塔出塔水溫計算過程中，冷卻塔的通風阻力系數(shù)為

式中，ζa為從冷卻塔進風口至喉部的阻力系數(shù)（不包括雨區(qū)），ζb為淋水狀態(tài)下的雨區(qū)阻力系數(shù)，ζe為冷卻塔出口的阻力系數(shù)。

在環(huán)境風速數(shù)據(jù)的測量中，測點高度為距地2.5 m的上風向開闊地帶，根據(jù)公式(5)來將其修正至10 m高程的風速數(shù)據(jù)：

式中：v2為10 m高程處的風速；v1為實測風速；z2=10 m，z1=2.5 m；α為風切變指數(shù)，由于缺乏當?shù)夭煌叨鹊膶崪y風速數(shù)據(jù)，此處α根據(jù)《風電場風能資源評估方法》（GB/T 18710—2002）取0.143（1/7）作為近似值。

3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場試驗獲得的實測數(shù)據(jù)，計算冷卻塔在不同環(huán)境風速下的氣水比與冷卻數(shù)，并用最小二乘法將冷卻數(shù)擬合成Ω=f(λ)方程式，按照環(huán)境風速與1號、2號冷卻塔出塔水溫差的對應關系，得到出塔水溫差隨環(huán)境風速的變化趨勢。

3.1 冷卻塔實測熱力性能

試驗按照DL/T 1027—2006進行測量。進出塔水溫測點設置在中央豎井及回水溝，出塔空氣溫度設置在塔內(nèi)人工通道上方。進水塔水溫、出塔空氣溫度采用Pt-100型鉑電阻溫度計測量，儀表測量范圍0~80 ℃，分辨率0.01 ℃，精度A級。用精密水銀溫度計對上述測點進行校核。精密水銀溫度計測量范圍0~50 ℃，最小分度值0.1 ℃，精度0.2級。環(huán)境風速采用旋杯式風向風速儀，測量范圍0~30 m/s，分辨率0.1 m/s。進塔水流量測點設置在上水母管具備測量條件處，采用超聲波流量計測量，測量范圍0~32 m/s，分辨率0.001 m/s，測量精度±1.0%。

受現(xiàn)場測試條件的限制，無法較大幅度地對冷卻塔的循環(huán)水量進行調(diào)節(jié)，因而冷卻塔的氣水比變化幅度不大，在擬合Ω=f(λ)方程式時，本文選取設計冷卻塔淋水填料熱力性能方程式指數(shù)0.73來作為實測性能熱力性能方程式的指數(shù)。

由于不同環(huán)境風速下冷卻塔的熱力性能存在一定程度的差別，因此，在對冷卻塔的熱力性能進行擬合時，根據(jù)實測數(shù)據(jù)的情況，將冷卻塔熱力性能方程式按照環(huán)境風速“v＜3 m/s”“3 m/s≤v＜5 m/s”“5 m/s≤v＜8 m/s”的不同，做了相應的分類，并分別進行擬合，具體結(jié)果見表2。

表2 冷卻塔實測熱力性能Tab.2 The measured thermal performance of cooling towers

從表2可以看出：隨著環(huán)境風速的增大，2座冷卻塔的熱力性能均逐漸降低，不設空氣導流裝置的1號冷卻塔的熱力性能下降明顯，設置空氣導流裝置的2號冷卻塔的熱力性能下降相對趨緩；相同氣水比下冷卻數(shù)表征了冷卻塔綜合熱、質(zhì)交換能力特性，在常用氣水比下1號塔冷卻數(shù)下降幅度超過2號塔，且風速越大，1號塔冷卻數(shù)下降越大，1號塔冷卻數(shù)與2號塔冷卻數(shù)差值越大。

3.2 出塔水溫差隨環(huán)境風速變化趨勢

2座冷卻塔在不同環(huán)境風速下的出塔水溫及溫差數(shù)據(jù)見表3。

由表3可見：環(huán)境風速v＜3 m/s，2座冷卻塔出塔水溫基本一致，出塔水溫差值變化范圍為0.01~0.18 ℃；3 m/s≤v＜5 m/s，2座冷卻塔出塔水溫差值變化范圍為0.24~0.61 ℃；5 m/s≤v＜8 m/s，2座冷卻塔出塔水溫差值變化范圍為0.71~0.97 ℃。

綜上所述，受環(huán)境風速的影響，不設空氣導流裝置的1號冷卻塔比設置空氣導流裝置的2號冷卻塔的出塔水溫偏高，并且隨著環(huán)境風速的不斷增大，二者的出塔水溫差也進一步升高。

在擬合的2座冷卻塔實測性能熱力性能方程式的基礎上，將冷卻塔循環(huán)水流量和機組負荷修正到同一狀態(tài)下，可以得到2座冷卻塔的修正出塔水溫差值如圖1所示。從圖1可以看出，除個別工況點的水溫差值互有高低外，修正的出塔水溫差與實測的出塔水溫差整體趨勢保持一致。

4 結(jié) 論

1）在年平均環(huán)境風速較大地區(qū)，逆流式自然通風冷卻塔設置空氣導流裝置可以有效降低環(huán)境風速對冷卻塔熱力性能的不利影響，與不設空氣導流裝置的冷卻塔相比較，其熱力性能隨環(huán)境風速增加的下降趨勢得以減緩，從而保證冷卻塔熱力性能相對良好，出塔水溫滿足機組凝汽器運行要求。

2）冷卻塔在一機2臺循環(huán)水泵、機組100%負荷率工況條件下，設置空氣導流裝置與不設空氣導流裝置相比較，環(huán)境風速v＜3 m/s、3 m/s≤v＜5 m/s、5 m/s≤v＜8 m/s時出塔水溫差平均值分別為0.07、0.47、0.83 ℃。