高位收水冷卻塔冷卻性能自主化設計計算對比研究

范 攀，杜志方，楊迎哲，李 誠，王 蓓

(1.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075；2.中國電力國際發展有限公司平頂山姚孟發電有限責任公司，河南 平頂山 467033)

0 引言

冷卻塔的作用是將攜帶廢熱的冷卻水在塔內與空氣進行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣[1]。高位收水冷卻塔是一種節能環保型自然通風濕式冷卻塔，相比常規濕冷塔，其利用設置在淋水填料下方的收水裝置將循環水在高位收集，提高了循環水泵吸水水位，從而顯著節約了循環水泵揚程，且有效降低了冷卻塔雨區噪音，可以說高位收水冷卻塔是冷卻塔家族的先進代表。

上世紀90年代，我國自主設計建造了國內第一座300 MW燃煤發電機組的高位收水冷卻塔，但2016年之前國內已投運的1 000 MW級燃煤發電機組高位收水冷卻塔均為直接引進外方技術設計，其中以歐洲某公司高位冷卻塔技術占主導地位，高位收水冷卻塔工藝布置復雜，各部件熱力、阻力系數均被嚴格保密，以致其技術服務費用高昂，工程單位造價居高不下，因此盡快突破高位冷卻塔技術壁壘具有積極的現實意義。近年來，國內相繼開展了超大型高位收水冷卻塔的自主化設計研究，通過物理模型、數學模型，甚至等比例實物模型研究了高位收水冷卻塔的熱力、阻力特性，并優化了高位收水裝置的水力特性、濺漏水率、力學特性及節點連接等內容。

本文是在筆者所屬公司多年來對高位收水冷卻塔技術研究成果和工程實踐經驗的基礎上，以國內已投運的某歐洲公司設計的燃煤發電機組高位收水冷卻塔為依托，將該高位塔冷卻性能自主化計算結果與國外高位塔工程公司對該塔的設計結果進行對比分析，同時也與該高位塔的實測運行數據進行對比研究，綜合分析自主化計算方法及結果的可靠性，進一步提高我們的設計水平，降低國內高位收水冷卻塔的綜合造價。

1 依托工程冷卻塔概況

依托工程建設2×1 000 MW超超臨界濕冷機組，每臺機組各配置一臺冷卻面積為60 000 m2的凝汽器和一座填料淋水面積為12 500 m2的逆流式自然通風高位收水冷卻塔。高位收水冷卻塔由歐洲某冷卻塔工程公司總體設計施工，整塔淋水填料、噴頭、收水裝置等均由外方進口提供并安裝。

2015年5月項目正式并網發電，同年8月業主對高位收水冷卻塔進行了現場性能考核試驗，在接近夏季10%氣象頻率設計工況下，高位收水冷卻塔實測冷卻能力優于設計計算值。

2 設計工況下設計值對比

設計工況下設計值對比是以上述高位收水冷卻塔為依托，在相同氣象資料、熱力參數(相同循環水量和溫升)、冷卻塔尺寸、塔芯材料參數下，通過自主化計算方法計算得出設計工況下的出塔水溫，將其與外方設計的出塔水溫進行對比分析。

2.1 冷卻塔系統設計參數

2.1.1 氣象參數及熱力參數

設計工況下依托高位收水冷卻塔氣象參數及熱力參數匯總見表1所列。

表1 設計工況氣象參數及熱力參數表

2.1.2 冷卻塔設計參數

依托高位收水冷卻塔塔型參數見表2所列。

表2 冷卻塔尺寸參數表

2.1.3 塔芯淋水填料

本工程塔芯采用Cool film-SNCS型淋水填料，聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)材質，片間距為20 mm，懸吊方式安裝，高度1.5 m。

2.2 設計計算對比

2.2.1 自主化計算輸入數據表

自主化計算氣象及熱力參數見表1所列；冷卻塔尺寸輸入參數見表2所列；塔芯填料參數整理匯總見表3所列。

表3 塔芯填料參數表

2.2.2 自主化計算依據

1)規范標準

自主化設計計算參考使用的規范標準主要包括：T/CSEE 0146—2020《高位收水冷卻塔設計規程》[2]、GB 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》、GB/T 50102—2014《工業循環冷卻設計規范》、DL/T 5525—2017《冷卻塔塔芯部件選擇設計導則》和DL/T 742—2019《冷卻塔塑料部件技術條件》等。

2)計算公式

式中：N為冷卻數；Ψ為熱力計算綜合修正系數；A為淋水填料的熱力特性系數；λ為氣水比；m為淋水填料的熱力特性指數；t1為進塔水溫，℃；t2為出塔水溫，℃；Cw為循環水比熱，kJ/(kg·℃)；dt為溫度積分單元，℃；h''為與水溫相應的飽和空氣比焓，kJ/kg；h為濕空氣的比焓，kJ/kg。

依據各實測有效試驗點的冷卻數，用最小二乘法擬合本工程熱力性能方程式，其中淋水填料的熱力特性系數Ψ為2.13，淋水填料的熱力特性指數m為0.56。

式中：H為冷卻塔的全部通風阻力，Pa；ξ為冷卻塔通風總阻力系數；ρm為計算空氣密度，kg/m3；vm為淋水填料計算斷面的平均風速，m/s。

式中：Z為冷卻塔抽力，Pa；He為冷卻塔有效抽風高度，m；g為重力加速度，m/s2；ρ1為冷卻塔進塔濕空氣密度，kg/m3；ρ2為冷卻塔出塔濕空氣密度，kg/m3。

3)自主化計算冷卻塔阻力系數

高位收水冷卻塔在阻力方面與常規冷卻塔的最大區別是其沒有雨區，相比常規冷卻塔增加了收水斜板和收水槽裝置，通過對依托工程熱力性能說明書中相關高位冷卻塔結構尺寸參數、夏季10%頻率氣象參數下熱力參數等數據的反算得到高位收水冷卻塔總阻力系數ξ為53.71，塔進風口阻力系數ξ1為6.07，收水裝置與淋水填料阻力系數ξ2為25.94，配水系統與除水器阻力系數ξ3為6.08，環境風影響阻力系數ξ4為9.63，冷卻塔出口阻力系數ξ5為5.99。

我國冷卻塔研究機構研究了風筒式自然通風逆流式冷卻塔的通風阻力，通過對模型塔的阻力試驗研究，建立了冷卻塔內氣流總阻力系數的計算方法。采用該計算方法并根據依托高位收水冷卻塔的結構尺寸及上述反算結果，計算得本次自主化設計采用的總阻力系數ξ約為49.03，其中從塔的進風口至塔喉部的阻力系數ξa為4.39，冷卻塔出口阻力系數ξb為4.64。

2.2.3 自主化設計計算結果對比

自主化計算淋水填料的有效面積為毛面積減去配水槽、中央豎井、填料支柱截面和懸吊桿的阻風面積，通過自主化設計計算，在設計工況下的出塔水溫對比見表4所列。

表4 設計工況下出塔水溫對比表℃

由表4可以看出，夏季頻率10%氣象條件下，換熱溫差8.97 ℃時，自主化設計計算出塔水溫較引進設計值高0.11 ℃；年平均氣象條件下，換熱溫差8.73 ℃時，自主化設計計算出塔水溫較引進設計值低0.13 ℃。

2.3 小結

從計算結果的對比看，自主化計算結果與引進技術計算值的平均絕對值偏差在0.12℃范圍內，最大絕對值偏差為0.13℃。參考DL/T 1027—2006《工業冷卻塔測試規程》中對被測冷卻塔冷卻能力評價的規定，即當塔的實測冷卻能力達到95%及以上時，應視為達到設計要求。一般來說，當對采用不同計算方法得出的出塔水溫，其計算偏差在±0.3℃以內時，認為是可接受的。因此可以看出自主化計算結果與外方計算結果相當，能夠滿足工程設計要求。

3 工業塔測試值和自主化計算值對比

3.1 依托高位塔測試

以第1章所述高位冷卻塔為依托，所有測試數據均來自對該高位塔的觀測結果，冷卻塔熱力性能測試依據CTI Code ATC—105《冷卻塔驗收測試規程》和《工業冷卻塔測試規程》相關內容。

3.1.1 測試工況

8月份對高位收水冷卻塔在循環水滿流量(三臺循環水泵并聯運行)，全塔配水和汽輪機負荷1 000 MW的工況下，進行了性能測試試驗。

觀測參數主要包括：環境干球溫度、環境濕球溫度、大氣風速風向、大氣壓力、進塔水溫度、進塔水量和出塔水溫等其他運行參數。

3.1.2 主要測試參數合規性

根據《工業冷卻塔測試規程》，判斷主要測試參數允許偏離設計值范圍的合規性，主要測試參數合規性匯總見表5所列。

表5 主要測試參數合規性匯總表

3.1.3 測試工況數據表[2]

對收集到的多組原塔有效測試數據經過篩選，按數據完整度選取共6組測試數據，其中包括測試工況中的最大和最小濕球溫度所在數據組。測試數據匯總見表6所列。

表6 高位塔熱力性能試驗數據匯總表

可以看出原塔型測試期間，全塔運行循環水量為96 480 t/h，平均溫升約9.84 ℃；對比夏季10%氣象條件設計工況下，全塔運行循環水量為104 580 t/h，溫升8.97 ℃，測試工況熱負荷為設計工況的101.2%，循環水量為設計工況的92.2%，測試數據合規性滿足《工業冷卻塔測試規程》要求，可用于3.2節的對比分析。

3.2 自主化設計計算值

自主化設計計算值是以依托高位收水冷卻塔的測試數據為基礎，在相同氣象資料、熱力參數(相同循環水量和溫升)、冷卻塔尺寸及淋水填料參數下，利用自主化高位塔計算公式及方法，計算出測試工況下的出塔水溫值。匯總6組計算結果見表7所列，運行工況有效測試值與自主化計算值對比匯總見表8所列。

表7 高位塔自主化設計計算結果匯表

由表8可以看出，運行工況下，原塔型實測出塔平均水溫大部分低于自主化計算值，最大出塔水溫差絕對值0.23℃，最小出塔水溫差絕對值0.02℃，出塔水溫差絕對值的平均值約0.12℃。運行工況冷卻塔出塔水溫實測值與自主化計算值比較如圖1所示。

圖1 出塔水溫實測值與自主化設計值比較

表8 運行工況有效測試值與自主化設計計算值對比匯表

3.3 小結

通過與高位塔原塔實測值的分析比較，可以看出：

1)運行工況有效測試值是在循環水量為設計工況的92.2%條件下測定的，實測出塔平均水溫大部分低于自主化設計平均值，平均出塔水溫差約0.12 ℃，最大出塔水溫差絕對值0.23 ℃，最小出塔水溫差絕對值0.02 ℃。

2)實測數據由于設備、技術、測試條件等因素影響客觀會存在一定誤差，實測值與計算值之間存在偏差是不可避免的，當實測循環水量和設計循環水量的差值在±10%以內時，冷卻塔出塔水溫的實測值與計算值之間的偏差控制在0.3 ℃范圍內，認為設計是滿足要求的。因此高位收水冷卻塔自主化計算結果是符合實際、可靠的。

4 結語

自主化高位收水冷卻塔冷卻性能計算方法及公式適用于逆流式自然通風高位收水冷卻塔，計算水平與國外高位塔工程公司相當，計算結果與實塔測試數據吻合度高，是可靠的。自主化計算方法及公式可用于對工業塔的對比分析、評價及對新建高位冷卻塔的設計計算。