大型自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能研究

(1 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 西安 710055； 2 西安熱工研究院有限公司 西安 710032)

自然通風(fēng)冷卻塔是火力發(fā)電廠中重要的冷端設(shè)備，其冷卻性能的優(yōu)劣影響燃煤機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[1-3]。火電廠汽輪機(jī)的末端排氣在凝結(jié)成水的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，自然通風(fēng)冷卻塔可以通過(guò)接觸傳熱、蒸發(fā)傳熱將這部分熱量排到大氣中[1]。隨著火力發(fā)電廠機(jī)組功率的不斷增大，需要更大淋水面積的自然通風(fēng)冷卻塔，因此對(duì)大型自然通風(fēng)冷卻塔的熱力性能進(jìn)行測(cè)試研究十分必要。

相關(guān)學(xué)者對(duì)冷卻塔的熱力性能進(jìn)行了大量研究，N. Williamson等[4]建立二維模型分析了自然通風(fēng)冷卻塔的性能；R. Al-Waked等[5-6]利用三維數(shù)值模型研究了冷卻塔塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)情況，分析了不同工況對(duì)冷卻塔熱力性能的影響。趙元賓等[7-8]利用計(jì)算機(jī)對(duì)冷卻塔內(nèi)氣水參數(shù)的分布及換熱規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析冷卻塔的冷卻效果。胡三季等[9]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)冷卻塔的塔心部件的熱力及阻力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。但由于實(shí)驗(yàn)室的模擬塔與實(shí)際電廠中的工業(yè)冷卻塔在配水方式、塔內(nèi)參數(shù)等條件不同，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于工業(yè)塔時(shí)，需要對(duì)工業(yè)塔進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此類研究目前較少。

本文對(duì)某電廠一座淋水面積為12 000 m2的大型自然通風(fēng)冷卻塔的熱力性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出該工業(yè)塔的熱力性能方程式，得到模擬實(shí)驗(yàn)塔的修正系數(shù)，給出該塔的風(fēng)溫分布，分析了采用通風(fēng)阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)公式計(jì)算出塔水溫的優(yōu)勢(shì)，可為大型自然通風(fēng)冷卻塔的設(shè)計(jì)與改造提供參考。

1 冷卻塔的設(shè)計(jì)條件

本實(shí)驗(yàn)對(duì)某大型工業(yè)逆流式自然通風(fēng)冷卻塔(以下簡(jiǎn)稱工業(yè)塔)的熱力性能進(jìn)行測(cè)試。該電廠新建1 000 MW機(jī)組配用一座12 000 m2逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，塔高167.16 m，淋水面積12 000 m2，頂部直徑80.64 m，喉部直徑76.79 m，進(jìn)風(fēng)高度11.50 m，進(jìn)風(fēng)口直徑125.059 m，填料底層直徑124.548 m。淋水填料采用“雙斜波”形，材質(zhì)為改性PVC，填料在塔內(nèi)采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外階梯型布置。該塔的設(shè)計(jì)參數(shù)為：濕球溫度26.6 ℃，干球溫度29.8 ℃，相對(duì)濕度77%，大氣壓強(qiáng)100.17 kPa，冷卻水量103 680 m3/h，進(jìn)塔水溫42.68 ℃，出塔水溫32.7 ℃。

2 測(cè)試參數(shù)介紹

2.1 測(cè)試項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目有：環(huán)境干、濕球溫度(與進(jìn)塔干、濕球溫度合用)，大氣風(fēng)速風(fēng)向、大氣壓力、進(jìn)塔水溫度、出塔水溫度、進(jìn)塔水體積流量、出塔空氣溫度。

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的安裝及測(cè)試方法

距該塔20 m處設(shè)置兩個(gè)氣象觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高度為7 m。大氣干、濕球溫度采用電動(dòng)通風(fēng)干濕表測(cè)量，儀表測(cè)試范圍為0～80 ℃，分辨率為0.01 ℃，精度為A級(jí)；大氣壓力采用DYM3型空盒式大氣壓力表測(cè)量，儀表放在通風(fēng)遮陽(yáng)處，儀表測(cè)試范圍為80～106.4 kPa，分辨率為0.1 kPa；環(huán)境風(fēng)速采用EY-11B型便攜式數(shù)字風(fēng)速表監(jiān)測(cè)；進(jìn)塔水溫通過(guò)在中央豎井內(nèi)放置3支Pt100型鉑電阻溫度探頭測(cè)量；出塔水溫通過(guò)在回水槽內(nèi)放置6支Pt100型鉑電阻溫度探頭測(cè)量；進(jìn)塔水體積流量通過(guò)在進(jìn)水母管上用FLC-2012型超聲波流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量精度為±1.5%；塔內(nèi)風(fēng)溫通過(guò)在塔內(nèi)的4條主水槽上部設(shè)置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，用Pt100型鉑電阻溫度探頭測(cè)量，儀表測(cè)試范圍為0～80 ℃，分辨率為0.01 ℃，精度為A級(jí)。塔內(nèi)風(fēng)速通過(guò)在塔內(nèi)的4條主水槽上部設(shè)置72個(gè)測(cè)點(diǎn)，用MSF-1型電子微風(fēng)表測(cè)量。上述所有Pt100型鉑電阻溫度計(jì)均接至分散式集中控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)連續(xù)采樣。

2.3 測(cè)試工況

實(shí)驗(yàn)包括：兩臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行全塔配水機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，三臺(tái)循環(huán)泵并聯(lián)運(yùn)行全塔配水機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工業(yè)塔實(shí)測(cè)熱力性能

3.1.1工業(yè)塔的冷卻能力

通過(guò)冷卻水量對(duì)比法計(jì)算出該工業(yè)塔的冷卻能力。根據(jù)《工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)塔的實(shí)測(cè)冷卻能力值達(dá)到95%以上時(shí)，應(yīng)視為達(dá)到設(shè)計(jì)要求；當(dāng)達(dá)到105%以上時(shí)，應(yīng)視為超過(guò)設(shè)計(jì)要求[10]。對(duì)三泵并聯(lián)全塔配水的59組工況進(jìn)行冷卻能力計(jì)算，其中47組數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，12組數(shù)據(jù)超出設(shè)計(jì)要求，該塔的平均冷卻能力為101.1%。因此，該塔達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.1.2實(shí)驗(yàn)塔的熱力性能方程式

實(shí)驗(yàn)塔為鋼結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)段截面為1.0 m×1.0 m，全塔高13.3 m。塔內(nèi)采用壓力配水，配水裝置由5根DN50鋼管組成，每根管底部開一排直徑為7 mm的孔，配水管下面由5條扁鐵組成濺水板。配水裝置上部裝有除水器。實(shí)驗(yàn)塔尾部冷卻高度為4.8 m。塔體兩面進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)口設(shè)在集水池上部。用該塔對(duì)雙斜波淋水填料進(jìn)行熱力性能測(cè)試，全塔平均淋水填料高度為1.25 m，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合，得到熱力性能方程式：

N=2.15λ0.65

(1)

式中：N為冷卻數(shù)；λ為氣水比。

3.1.3工業(yè)塔的熱力性能方程式

該工業(yè)塔采用雙斜波淋水填料，填料在塔內(nèi)采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外階梯型布置，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)冷卻塔進(jìn)行測(cè)試得到數(shù)據(jù)，依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出1機(jī)2泵、1機(jī)3泵全塔配水各工況點(diǎn)的氣水比和冷卻數(shù)，利用最小二乘法對(duì)各測(cè)試工況點(diǎn)計(jì)算的氣水比和冷卻數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到熱力性能方程式：

N=2.26λ0.61

(2)

文獻(xiàn)[11]中指出模擬實(shí)驗(yàn)塔冷卻數(shù)應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)塔時(shí)，需要考慮冷卻塔中氣流的不均勻性，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)塔得到的冷卻數(shù)需要乘一個(gè)不均勻系數(shù)Kv，對(duì)于自然通風(fēng)逆流式冷卻塔Kv=0.9。胡三季等[12]對(duì)實(shí)驗(yàn)塔和實(shí)際工業(yè)塔的不均勻系數(shù)進(jìn)行了研究，得出在自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能計(jì)算采用模擬實(shí)驗(yàn)塔的冷卻數(shù)結(jié)果時(shí)，若該塔為壓力配水時(shí)，冷卻數(shù)取模擬實(shí)驗(yàn)塔冷卻數(shù)的95%～98%；若該塔為多點(diǎn)豎井的槽式配水，冷卻數(shù)取模擬實(shí)驗(yàn)塔冷卻數(shù)的90%～95%；若該塔為中央豎井的槽式配水，冷卻數(shù)取模擬實(shí)驗(yàn)塔冷卻數(shù)的85%～90%。因此，如果實(shí)際工業(yè)塔塔內(nèi)淋水填料為等高布置時(shí)，冷卻數(shù)為模擬實(shí)驗(yàn)塔冷卻數(shù)的85%～90%。但本測(cè)試的工業(yè)塔塔內(nèi)填料采用不等高布置方式，填料類型與3.1.2中模擬實(shí)驗(yàn)塔相同。在常用氣水比工況條件下[13]，分別采用該工業(yè)塔的熱力性能方程式和模擬實(shí)驗(yàn)塔的熱力性能方程式計(jì)算冷卻數(shù)，并得到修正系數(shù)，如表1所示。

表1 工業(yè)塔的修正系數(shù)Tab.1 Correction coefficient of industrial tower

表2 二泵并聯(lián)工況運(yùn)行時(shí)，塔內(nèi)實(shí)測(cè)風(fēng)溫均方根誤差Tab.2 The RMS error of air temperature in the cooling tower under the condition of two pumps inparallel operating conditions

由表1可知，在常用氣水比下，通過(guò)該工業(yè)塔的熱力性能方程計(jì)算的冷卻數(shù)大于通過(guò)實(shí)驗(yàn)塔的熱力性能方程計(jì)算的冷卻數(shù)，修正系數(shù)為1.047～1.081。由此可見(jiàn)，當(dāng)工業(yè)塔塔內(nèi)填料采用不等高布置，模擬實(shí)驗(yàn)塔塔內(nèi)填料采用等高布置時(shí)，修正系數(shù)為1.047～1.081；當(dāng)工業(yè)塔和模擬實(shí)驗(yàn)塔塔內(nèi)填料均采用等高布置時(shí)，修正系數(shù)為0.85～0.90。說(shuō)明填料的不等高布置，提高了冷卻塔的冷卻數(shù)；隨著氣水比的增大，修正系數(shù)變小，說(shuō)明冷卻塔氣水比的增加，工業(yè)塔和實(shí)驗(yàn)塔的冷卻數(shù)逐漸靠近；為通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)塔(填料等高布置)的冷卻數(shù)推算工業(yè)冷卻塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)提供參考。

3.2 工業(yè)塔塔內(nèi)實(shí)測(cè)風(fēng)溫分布

塔內(nèi)風(fēng)溫越均勻，冷卻效果越好[14-15]。表2所示為該工業(yè)塔二泵并聯(lián)運(yùn)行全塔配水時(shí)，塔內(nèi)實(shí)測(cè)風(fēng)溫均方根誤差。均方根誤差計(jì)算式為：

(3)

表2中測(cè)點(diǎn)的布置按等面環(huán)方法由塔壁(測(cè)點(diǎn)1)至塔心(測(cè)點(diǎn)6)通過(guò)等面環(huán)的方法布置，塔門處的測(cè)道為A半徑，順時(shí)針走向，依次為B半徑、C半徑、D半徑，測(cè)點(diǎn)布局示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布局示意圖Fig.1 Measuring points layout

該塔的填料采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外階梯形布置，由表2可知，二泵并聯(lián)時(shí)，塔內(nèi)風(fēng)溫均方根誤差為0.56～0.67 ℃。而文獻(xiàn)[16]研究的冷卻塔塔內(nèi)填料采用等高布置，高度為1.25 m，二泵并聯(lián)時(shí)，塔內(nèi)實(shí)測(cè)風(fēng)溫均方根誤差為0.73～1.78 ℃。由此可知，當(dāng)塔內(nèi)淋水填料不等高布置時(shí)，塔內(nèi)風(fēng)溫的均方根誤差小于塔內(nèi)淋水填料等高布置的均方根誤差，因此填料的不等高布置能使塔內(nèi)風(fēng)溫相對(duì)更均勻。塔內(nèi)風(fēng)溫越均勻，證明塔內(nèi)氣水之間的熱傳遞越好，冷卻塔的冷卻效果越好。因此，塔的不等高布置能強(qiáng)化冷卻塔的冷卻效果。

3.3 不同阻力公式計(jì)算出塔水溫

基于工業(yè)塔的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用工業(yè)塔熱力性能方程式，冷卻塔分別以二泵并聯(lián)(小流量)、三泵并聯(lián)(大流量)的工況運(yùn)行時(shí)，通過(guò)阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)公式和《GB/T 50102—2006》推薦的阻力系數(shù)公式分別計(jì)算出塔水溫的差值如圖2所示。

圖2 兩阻力系數(shù)公式計(jì)算的出塔水溫差值Fig.2 The difference of outflow water temperature between the two resistance coefficient formula

由圖2可知，當(dāng)冷卻塔在二泵并聯(lián)(小流量)工況下運(yùn)行時(shí)，兩種阻力計(jì)算公式計(jì)算出塔水溫的差值t1的區(qū)間為0.15～0.59 ℃；當(dāng)冷卻塔在三泵并聯(lián)(大流量)工況下運(yùn)行時(shí)，兩種阻力計(jì)算公式計(jì)算出塔水溫的差值t2的區(qū)間為0.06～0.21 ℃，其中t2小于t1的最小值0.15 ℃的測(cè)試點(diǎn)有53個(gè)，占總測(cè)試點(diǎn)的89.8 %。此外，當(dāng)冷卻塔在三泵并聯(lián)(大流量)工況下運(yùn)行時(shí)，t2的值較小，說(shuō)明兩種阻力公式計(jì)算的出塔水溫比較接近。因此為了計(jì)算簡(jiǎn)便，當(dāng)冷卻塔進(jìn)水塔水體積流量較大時(shí)，可選用通風(fēng)阻力經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算出塔水溫。

4 結(jié)論

1)利用工業(yè)塔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試計(jì)算得到的熱力性能方程式和實(shí)驗(yàn)室模擬塔的熱力性能方程式分別在常用氣水比范圍內(nèi)計(jì)算冷卻數(shù)，求得工業(yè)塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)與模擬實(shí)驗(yàn)塔(填料等高布置)的冷卻數(shù)的修正系數(shù)為1.047～1.081。填料不等高布置的冷卻塔冷卻數(shù)高于填料等高布置的冷卻塔，且在沒(méi)有模擬冷卻塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)時(shí)，可通過(guò)模擬冷卻塔(填料等高布置)的冷卻數(shù)推算實(shí)際工業(yè)塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)。

2)冷卻塔塔內(nèi)風(fēng)溫均方根誤差越小風(fēng)溫分布越均勻。本實(shí)驗(yàn)得到該工業(yè)塔(填料不等高布置)的塔內(nèi)風(fēng)溫均方根誤差為0.56～0.67 ℃，小于填料等高布置的冷卻塔[16]。因此，填料不等高布置的冷卻塔塔內(nèi)風(fēng)溫相比于填料等高布置的冷卻塔塔內(nèi)風(fēng)溫更均勻，即冷卻效果更好。

3)當(dāng)冷卻塔進(jìn)塔水體積流量較大時(shí)，通過(guò)冷卻塔通風(fēng)阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)公式計(jì)算各工況點(diǎn)的出塔水溫和通過(guò)《GB/T 50102—2003》冷卻塔通風(fēng)阻力推薦公式計(jì)算各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的出塔水溫非常接近，可采用冷卻塔通風(fēng)阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)公式計(jì)算各工況點(diǎn)的出塔水溫以提高計(jì)算效率。