環(huán)境風對自然通風海水冷卻塔的性能影響原型觀測及分析

胡少華，李陸軍，吳襄竹，趙順安，宋小軍，宋志勇

（1.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518057；2.中國水利水電科學研究院 水力學研究所，北京 100038）

1 研究背景

在環(huán)境風作用下，核電超大型海水冷卻塔的阻力特性將會發(fā)生較為明顯的變化，環(huán)境風的影響受到研究人員的廣泛關(guān)注。研究環(huán)境風影響的方法包括理論分析、原型觀測、模型試驗和數(shù)值模擬［1-10］。在理論方面，依據(jù)能量平衡及繞流理論，可以將環(huán)境風影響問題，轉(zhuǎn)化為研究進風口阻力系數(shù)和出口阻力系數(shù)的問題。在原型觀測方面，法國EDF、中國水利水電科學研究院等做了大量的觀測工作，通常是針對出塔水溫進行分析，但由于觀測對象存在較大差異，故很難形成標準的環(huán)境風影響評估方法體系；在模型試驗方面，通常采用風洞試驗和水槽試驗，獲得進風口阻力和出口阻力特性隨環(huán)境風的變化規(guī)律；在數(shù)值模擬方面，通常整體建模，流場分布與實際更加接近，能夠獲得環(huán)境風對進風口阻力和出口阻力特性的影響規(guī)律，但是其準確性需要驗證。

依據(jù)環(huán)境風對冷卻塔進風口阻力系數(shù)及出口阻力系數(shù)的影響的研究成果［11］，本文修正了核電超大型海水冷卻塔受環(huán)境風影響下的熱力阻力計算方法，實現(xiàn)了環(huán)境風對大型自然通風冷卻塔出水溫度影響的快速分析功能。通過連續(xù)監(jiān)測不同環(huán)境風條件下某大型海水冷卻塔的運行狀態(tài)和參數(shù)，獲得了驗證對比數(shù)據(jù)。通過對比預測水溫、實測水溫和設(shè)計水溫，研究了環(huán)境風對冷卻塔出水溫度的影響規(guī)律，并驗證了環(huán)境風影響評估方法的可靠性，研究成果可為工程設(shè)計提供指導。

2 海水冷卻塔性能原型觀測

2.1 被測冷卻塔簡介被測冷卻塔是目前國內(nèi)已運行中最大規(guī)模的海水冷卻塔，冷卻塔尺寸設(shè)計參數(shù)見表1。塔內(nèi)淋水填料采用S波1.25 m至1.50 m不等高布置。配水系統(tǒng)采用雙豎井日字型配水，噴濺裝置采用反射型噴頭，配水管間距1200 mm，收水器采用波紋160-45型。

通過觀察，該塔外觀干凈整潔，雨區(qū)淋水基本均勻，塔內(nèi)部分區(qū)域有除水器掉落現(xiàn)象，冷卻塔系統(tǒng)整體工作正常。冷卻塔雨區(qū)情況及受環(huán)境風影響進風口飄水情況如圖1。測試對象是6#冷卻塔，該塔位于5#塔外側(cè)，靠近海邊，受環(huán)境風影響可能更加明顯，如圖2。

表1 塔型參數(shù)

參數(shù)名稱塔淋水面積/m2有效抽風高度/m進風口高度/m零米處直徑/m進風口頂處直徑/m塔面積/塔出口面積尺寸13000 163.5 12.0 142.3 133.4 2.63參數(shù)名稱塔總高度/m填料頂標高/m喉部直徑/m塔出口直徑/m喉部至塔頂距離/m填料高度/m尺寸177.2 14.5 77.9 79.3 36.1 1.25～1.50

圖1 被測冷卻塔進風口局部外觀

圖2 測點布置及位置關(guān)系

2.2 測試參數(shù)海水冷卻塔與淡水冷卻塔相比，僅在冷卻介質(zhì)方面存在差異，但在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行方式上無差別，因此對其冷卻性能的測試和考核可以按常規(guī)自然通風冷卻塔標準檢測方法進行，即按照《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》規(guī)定的方法和要求進行［12］。測試參數(shù)包括：環(huán)境風、環(huán)境大氣壓、進塔空氣干球和濕球溫度、出塔氣溫、水溫、循環(huán)水量、海水鹽度等。

2.3 測點布置各參數(shù)測點布置見圖2。針對環(huán)境風設(shè)置兩個測點；針對環(huán)境大氣壓設(shè)置一個測點；針對進塔空氣干球和濕球溫度設(shè)置兩個測點。所有測點距離集水池邊沿約75 m、距地面高度約為2m的開闊地點。水量測點布置在進塔母管上預留測量井內(nèi)的直管段，傳感器安裝采用Z法。測試期間同時監(jiān)測集水池水位、豎井水位變化情況。進塔水溫測點布置在塔內(nèi)配水豎井中，每個豎井布置一個測點；出塔水溫測點布置在泵房前池入口處過水斷面，均勻布置三個測點。出水溫度測量值為三個測點的均值。計算分析中，考慮了集水池水溫與測量值的滯后效應，滯后時間為30 min。出塔空氣溫度的測點，布置在配水槽廊道上方約4 m高度處，采用等間距方式布置27個測點。

2.4 測試方法及儀器（1）環(huán)境風：采用自動風速風向記錄儀連續(xù)測量，其采樣周期為1 min、風速精度為0.1 m/s、風向角度精度為1°；（2）環(huán)境大氣壓：采用數(shù)字氣壓表測量，其測量精度為10 Pa；（3）進塔空氣干球和濕球溫度：在每個測點布置1個百葉箱，安裝干濕球溫度計進行自動連續(xù)監(jiān)測，溫度計精度±0.1℃，采樣間隔1 min；（4）海水鹽度：海水鹽度采用光學鹽度儀測試，儀器分辨率2‰；（5）水量：采用Controlotron-1010P超聲波時差式流量計進行測量，其分辨率1.0 m3/h，精度±1.5%；（6）水溫：水溫測試采用多點無線溫度測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計算機自動同步采集和記錄溫度數(shù)據(jù)，溫度測試分辨率0.1℃，精度為±0.2℃；（7）出塔氣溫度：采用無線多點溫度計測試。該處空氣濕度接近飽和，干濕球溫度近似為相等。

2.5 測試數(shù)據(jù)分析方法每一工況出塔氣溫取各點算術(shù)平均值，按下式計算。

式中：θ為塔內(nèi)空氣平均干球溫度，℃；θj為塔內(nèi)各測點干球溫度，℃；n為測點數(shù)。

塔的通風量可通過塔的總體熱平衡求出：

式中：G為塔內(nèi)空氣流量，kg/h；Δt為冷卻塔進出水溫差，℃；i1為進塔空氣的焓，kJ/kg；i2為出塔空氣的焓，kJ/kg；Q為循環(huán)水量，m3/h；Cw為水的比熱，kJ/（kg×℃）。

填料斷面的風速為：

式中：V為填料斷面的平均風速，m/s；A為淋水面積，m2；ρ為濕空氣密度，kg/m3。

3 環(huán)境風對海水冷卻塔性能影響評估

針對冷卻塔出水溫度的預測，已有成熟的一維計算程序。針對環(huán)境風對出水溫度的影響，需依據(jù)環(huán)境風熱力阻力特性研究成果，在一維計算方法基礎(chǔ)上進行修正，使其能夠預測環(huán)境風的影響。

根據(jù)環(huán)境風對冷卻塔熱力阻力影響相關(guān)研究成果可知，環(huán)境風主要是影響了冷卻塔進風口阻力和冷卻塔出口阻力特性，從而影響到冷卻塔的冷卻性能。因此，為了能夠預測環(huán)境風對出水溫度的影響，需要按照下式對冷卻塔阻力特性進行修正。式（4）和式（5）是對冷卻塔出口系數(shù)的修正，式（6）和式（7）是對冷卻塔進風口阻力系數(shù)的修正［11-12］。

式中：ξo為出口阻力系數(shù)減小值；α為地面10 m高處環(huán)境風速與冷卻塔填料斷面平均風速比；dj為冷卻塔淋水面積與出口面積比；H為冷卻塔高度，m；γ為環(huán)境風剖面分布指數(shù)，與當?shù)氐匦螚l件相關(guān)，無資料時可取0.19。

式中：ξi為進風口阻力系數(shù)增大值；其他符號同上。

風速實際測量高度為2 m，依據(jù)式（8）換算到10 m高度。

式中：vw，10m為地面10 m高處環(huán)境風速，m/s；vw，2m為地面2 m高處環(huán)境風速，m/s。

4 結(jié)果分析

為了研究環(huán)境風的影響，需要選擇風速和風向保持穩(wěn)定的風速段。測試期間環(huán)境風的變化包括兩個典型的風速段：小風速段和大風速段。下面針對上述兩個風速段進行研究，通過比較出水溫度的實測值、設(shè)計值和預測值，以獲得環(huán)境風對出水溫度的影響規(guī)律，其中設(shè)計值是在不考慮環(huán)境風條件下的預測值。

4.1 小風速段分析圖3給出了小風速段各測量參數(shù)隨時間的變化。在小風速段，風速變化范圍為0～4 m/s，平均風速約為2.5 m/s；風向變化范圍為200°～270°，平均風向為230°，即主導風向為西北風。干球溫度隨時間緩慢下降、后快速上升，其變化范圍為21℃～24℃，其平均值約為22℃；濕球溫度隨時間先保持平穩(wěn)、后快速上升，其變化范圍為20℃～21.5℃；進水溫度隨時間先增大、然后減小、再增大，其變化范圍為34℃～38℃；出口氣溫隨時間先增大、然后減小、再增大，其變化范圍為30℃～33℃。

圖3 小風速段各測量參數(shù)隨時間的變化

圖4給出了小風速段出水溫度的實測值、設(shè)計值和預測值的比較。根據(jù)圖4可知，實測值與預測值吻合良好，且都略大于設(shè)計值。比較圖3和圖4可知，對于環(huán)境風的快速變化（噪率高），預測模型比較敏感，能夠快速響應，但是實測的出水溫度對風速變化敏感性較小，變化比較平緩。其原因是：在冷卻塔實際運行過程中，由于集水池的作用，出水溫度變化的噪率有所減小，即起到了降噪的作用。進一步分析可知，在平均風速為2.4 m/s的小風速段，出水溫度實測值比設(shè)計值高0.4℃，出水溫度預測值比設(shè)計值高0.3℃。

4.2 大風速段分析圖5給出了大風速段各測量參數(shù)隨時間的變化。在大風速段，風速變化范圍為3～9 m/s，平均風速約為5 m/s；風向變化范圍為190°～260°，平均風向為220°，即主導風向為西北風。干球溫度隨時間先上升、后下降，其變化范圍為23℃～29℃，其平均值約為27℃；濕球溫度隨時間保持緩慢上升，其變化范圍為21℃～22.5℃；進水溫度隨時間先增大、然后減小、再增大和再減小，其變化范圍為36℃～39℃；出口氣溫隨時間先增大、然后減小、再增大、再減小，其變化范圍為31℃～35℃。

圖4 小風速段出水溫度的實測值、設(shè)計值和預測值比較

圖5 大風速段各測量參數(shù)隨時間的變化

圖6給出了大風速段出水溫度的實測值、設(shè)計值和預測值的比較。根據(jù)圖6可知，預測值最大，設(shè)計值最小，實測值居中。比較圖5和圖6可知，對于環(huán)境風的快速變化，預測模型比較敏感，能夠快速響應，但是實測的出水溫度對風速變化敏感性較小，變化比較平緩。進一步分析可知，在平均風速為5.2 m/s的大風速段，出水溫度實測值比設(shè)計值高1.2℃，出水溫度預測值比設(shè)計值高1.4℃。

圖6 大風速段出水溫度的實測值、設(shè)計值和預測值比較

5 結(jié)論

通過對某海水冷卻塔在有環(huán)境風條件下的現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)合冷卻塔熱力阻力在考慮環(huán)境風修正后的分析模型，比較了出水溫度的實測值、設(shè)計值和考慮環(huán)境風的預測值，得出主要結(jié)論如下：環(huán)境風會對冷卻塔的冷卻性能產(chǎn)生不利影響，該影響是一個漸變過程，且隨風速增大，不利影響愈加明顯；在平均風速為2.4 m/s的小風速段，出水溫度實測值比設(shè)計值高0.4℃，出水溫度預測值比設(shè)計值高0.3℃。在平均風速為5.2m/s的大風速段，出水溫度實測值比設(shè)計值高1.2℃，出水溫度預測值比設(shè)計值高1.4℃；集水池對于環(huán)境風的影響，起到了降噪的作用，即出水溫度變化頻率低于環(huán)境風的變化頻率；通過比較出水溫度實測值和預測值可知，修正后的冷卻塔熱力阻力分析模型能夠預測環(huán)境風的影響。