300 MW火電廠循環(huán)水冷卻塔?；c空氣動(dòng)力特性計(jì)算

潘雯瑞，任建興，翁建華，曾憲平

(上海電力學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

在火電廠的運(yùn)行中，凝汽器真空度直接影響電廠熱經(jīng)濟(jì)性，濕式冷卻塔作為循環(huán)冷卻系統(tǒng)中重要的熱力設(shè)備，其冷卻性能直接影響凝汽器真空，進(jìn)而影響機(jī)組能耗和發(fā)電效率。據(jù)測算，水溫下降5℃，凝汽器真空可提高1%左右，中小型機(jī)組真空每提高1%，機(jī)組功率可增加1%，煤耗下降1%［1］。隨著國家加大火電廠節(jié)能減排力度，電廠循環(huán)冷卻系統(tǒng)節(jié)能降耗問題受到更多關(guān)注。對火電廠冷卻塔的研究主要有2種方法:一是試驗(yàn)測量;二是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。試驗(yàn)測量可分為現(xiàn)場測量和模型試驗(yàn)2類。由于火電廠冷卻塔體積龐大，內(nèi)部換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場測量具有較大困難，但比較符合冷卻塔運(yùn)行的實(shí)際狀況;模型試驗(yàn)可以針對特定問題制作模型及試驗(yàn)臺(tái)，但試驗(yàn)費(fèi)用比較昂貴，試驗(yàn)周期長。因此，試驗(yàn)測量方法各有利弊，需要針對實(shí)際研究問題，衡量各方面因素，綜合考慮研究方法。相比之下，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法是運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬分析，費(fèi)用低、分析數(shù)據(jù)全面，但模型往往進(jìn)行了一系列簡化，可能與實(shí)際情況有一定差距，需要試驗(yàn)的檢驗(yàn)。

1 300 MW火電廠循環(huán)水冷卻塔?；?/h2>

1.1 冷卻塔原型結(jié)構(gòu)

300MW機(jī)組是目前我國火電領(lǐng)域的主力機(jī)組，其主流冷卻塔塔型為自然通風(fēng)雙曲線逆流濕式冷卻塔，其功能是將循環(huán)冷卻水在凝汽器內(nèi)吸收的熱量通過塔內(nèi)氣、水熱交換釋放到周圍大氣環(huán)境中，以維持凝汽器內(nèi)必要的真空。選擇某300 MW火電廠自然通風(fēng)雙曲線逆流濕式冷卻塔進(jìn)行?；赏L(fēng)筒、配水系統(tǒng)、淋水裝置(填料)、通風(fēng)設(shè)備、收水器和集水池6個(gè)部分組成(如圖1所示)。循環(huán)冷卻水由管道通過豎井送入配水系統(tǒng)，然后通過噴濺設(shè)備將水灑到填料上，經(jīng)填料后成雨?duì)盥淙爰兀鋮s后的水被抽走重新使用。該冷卻塔結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 自然通風(fēng)雙曲線逆流濕式冷卻塔結(jié)構(gòu)圖［2］

1.2 冷卻塔模型基本結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)模型塔為抽風(fēng)式逆流試驗(yàn)塔(模型塔結(jié)構(gòu)如圖2所示)，主要包括空氣入口段、雨區(qū)、塑料薄膜填料層、管式配水系統(tǒng)、收水器、濕空氣出口段，在濕空氣出口處安裝有軸流式風(fēng)機(jī)，將濕空氣排出室外。下部設(shè)有4個(gè)進(jìn)風(fēng)口(如圖3所示)，各進(jìn)風(fēng)口開度可以通過擋板調(diào)節(jié)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速可以通過外部風(fēng)機(jī)輔助調(diào)節(jié)，保證進(jìn)塔水溫度和流量可調(diào)。

表1 某300 MW火電廠冷卻塔尺寸［3］ m

1.3 冷卻塔模化準(zhǔn)則及模型塔基本尺寸

1.3.1 幾何相似

對模型試驗(yàn)而言，模型塔和原型塔首先要滿足幾何相似的條件。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ退且阅郴痣姍C(jī)組冷卻塔為基礎(chǔ)，按照1∶55的比例建成，長度比例尺kl=1/55。按照幾何相似性原則以及冷卻塔行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，塔筒設(shè)計(jì)為雙曲線形式，塔高與底部直徑之比為1.20～1.40，喉部面積與底部面積之比為0.30～0.36，喉部高度與塔高之比為0.80～0.85。喉部以上擴(kuò)散角為8°～10°［4］。冷卻塔模型的基本尺寸見表2。

表2 冷卻塔模型基本尺寸 cm

1.3.2 動(dòng)力相似

除了要滿足幾何相似之外，模型塔和實(shí)型塔之間還應(yīng)該滿足動(dòng)力相似的條件［5］

式中:FrΔ為密度弗勞德數(shù);vout為塔頂部出口氣流速度，m/s;g為重力加速度，m/s2;he為冷卻塔的有效高度，m;Δρ為塔外與塔內(nèi)填料上面空氣的密度差，kg/m3;ρout為塔出口處的濕空氣密度，kg/m3。對于冷卻塔熱態(tài)模型試驗(yàn)，要滿足原型塔和模型塔的FrΔ相等。

1.3.3 運(yùn)動(dòng)相似

體積流量比例尺

運(yùn)動(dòng)黏度比例尺

2 模型塔空氣動(dòng)力特性計(jì)算

2.1 空氣動(dòng)力特性計(jì)算

為了更好地掌握冷卻塔空氣動(dòng)力特性，在完成循環(huán)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)后，按照設(shè)計(jì)參數(shù)對冷卻塔模型進(jìn)行簡單的空氣動(dòng)力計(jì)算。冷卻塔幾何尺寸如圖4所示。

2.1.1 塔的抽力計(jì)算

圖4 冷卻塔幾何尺寸圖

式中:Fd為抽力，Pa;he為有效高度，m;g為重力加速度，m/s2;ρ1，ρ2為進(jìn)塔空氣密度、塔出口處空氣密度，kg/m3。

式中:h2為淋水層與塔頂?shù)拈g距;h3為淋水層與填料底層的間距;h0為填料層底部高度。

式中:θ1，θ2為空氣進(jìn)塔時(shí)和到達(dá)填料的溫度，℃;hj，ht為空氣進(jìn)塔時(shí)和到達(dá)填料時(shí)的比焓，kJ/kg;tm為平均水溫，℃;h″m為溫度tm時(shí)的飽和空氣比焓，kJ/kg。

出塔空氣比焓

式中:Δt為水溫差，℃;c為水的比熱容，kJ/(kg·K);λ =qVg，a/qVw為氣水比，qVg，a為進(jìn)塔干空氣量，kg/h;qVw為進(jìn)塔水質(zhì)量流量，kg/h。

進(jìn)塔濕空氣比焓(kJ/kg)

飽和空氣比焓(kJ/kg)

式中:φ為相對濕度;p0為大氣壓力，kPa;p″θ為空氣在干球溫度時(shí)的飽和蒸汽壓力，kPa。求出hc，θ2查濕空氣h－d圖得出ρ2。

2.1.2 阻力計(jì)算

冷卻塔的阻力計(jì)算主要有2種方法:一是各部分氣流阻力相加，二是塔的整體阻力。這里選擇第1種方法，主要考慮進(jìn)風(fēng)口阻力、雨區(qū)阻力、填料和收水器阻力，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各部分阻力系數(shù)如下:

(1)進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù)

式中:D為進(jìn)風(fēng)口處塔直徑，m;h為進(jìn)風(fēng)口高度，m。

(2)雨區(qū)阻力系數(shù)

式中:q為淋水密度，m3/(m2·h);R為雨區(qū)塔平均半徑，m。

(3)填料、收水器阻力(這部分阻力一般通過模型塔試驗(yàn)來求出，選擇江陰市冷卻材料廠的S波填料阻力特性進(jìn)行計(jì)算)

式中:A=1.036×10－3q2+7.792×10－3q+0.719;m=2.88×10－4q2+1.19×10－4q+1.97;v為通過填料的氣流速度，m/s;γa為空氣容重，γa= ρa(bǔ)·g，N/m3，g 為重力加速度;Δp為填料阻力，N/m2。

收水器阻力按照以往試驗(yàn)成果表估計(jì)［2］。

式中:ρm為 m 斷面空氣密度，kg/m3，ρm=(ρ1+ρ2)/2;vm為m斷面氣流速度，m/s;ξ為阻力系數(shù)。

2.1.3 冷卻塔內(nèi)的通風(fēng)量

對于火電廠冷卻塔來說，在穩(wěn)定工況下塔的阻力和抽力相平衡，即

則冷卻塔內(nèi)的通風(fēng)量

式中:D為填料處塔直徑，m;v0為填料斷面氣流速度，m/s。

由于模型塔自身尺寸的限制，無法實(shí)現(xiàn)塔自身抽力與阻力的平衡，需要風(fēng)機(jī)的輔助抽力來達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，模擬火電廠冷卻塔的運(yùn)行狀況，即

式中:f為風(fēng)機(jī)抽力。

進(jìn)行校驗(yàn):λ'=qV/(q·S)，式中的q為氣、水比，S為填料處截面積，將λ'與λ進(jìn)行對比，當(dāng)兩者數(shù)值相近，誤差小于5%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算數(shù)值正確，否則進(jìn)行重新設(shè)置。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)進(jìn)出填料水與空氣的焓差相等和設(shè)定的空氣與水的相關(guān)參數(shù)，采用Merkel積分法以及填料函數(shù)關(guān)系式，確定試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)(見表3)。并按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行空氣動(dòng)力計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4、表5。

表3 冷卻塔模型設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 主要計(jì)算參數(shù)

表5 空氣動(dòng)力計(jì)算結(jié)果

2.3 理論蒸發(fā)水量估算

進(jìn)塔氣流初參數(shù):大氣壓力p=0.1 MPa，干球溫度t1=20℃，相對濕度，通風(fēng)量1.016 m3/s，塔出口參數(shù)t2=21.1℃，相對濕度，進(jìn)塔水溫t3=40℃，冷卻后的水溫t4=34℃。干空氣和水蒸氣的氣體常數(shù)分別為:Rg，a=287J/(kg·K)，Rg，v=462J/(kg·K)，比定壓熱容分別為 cp，a=1.005 kJ/(kg·K)，cp，v=1.86 kJ/(kg·K)［6－9］。

由空氣進(jìn)口參數(shù)查飽和濕空氣狀態(tài)參數(shù)表，查得t1=20℃下的飽和蒸汽壓力為ps1=2.337 kPa;則進(jìn)口濕蒸汽中水蒸氣分壓力 pv1=φ1·ps1=1.168 kPa;空氣入口處濕空氣中水蒸氣的質(zhì)量流量qmv1=pv1qv1/Rg，at1=0.008 8 kg/s;空氣入口處濕空氣中干空氣的質(zhì)量流量qm，a1=(p－pv1)qv1/Rg，at1=1.21 kg/s。

由濕空氣出口參數(shù)查飽和濕空氣狀態(tài)參數(shù)表查得對應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓力ps2=2.5 kPa，則出口濕蒸汽中水蒸氣分壓力pv2=φ2ps2=1.625 kPa，塔出口處水蒸氣與干空氣的比值d2=0.622 pv2/(ppv2)=0.01;因?yàn)樗M(jìn)出口干空氣量相同，所以，出口干空氣質(zhì)量流量qma2=qma1=1.21kg/s，出口濕空氣質(zhì)量流量qma2=d2gqma2=0.0123 kg/s。

故蒸發(fā)的水量 Δqmw=qmv2－qmv1=0.003 5(kg/s)，折合 12.6 kg/h。

3 結(jié)論

按照?；瘻?zhǔn)則對300 MW火電機(jī)組循環(huán)水冷卻塔進(jìn)行模化，確保冷卻塔模型可以在一定程度上反映火電廠冷卻塔實(shí)際運(yùn)行情況。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行空氣動(dòng)力特性計(jì)算，通過計(jì)算得出塔自身抽力為0.152 Pa，塔總阻力為19.100 Pa，風(fēng)機(jī)需要提供的抽力為18.950 Pa，可以維持模型塔阻力和抽力平衡。另外，理論蒸發(fā)水量為12.6 kg/h。這些計(jì)算可供風(fēng)機(jī)選型以及電耗、水耗分析時(shí)參考。

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