大型電站機(jī)械通風(fēng)冷卻塔群布置優(yōu)化探析

中國(guó)華電集團(tuán)有限公司 段喜民 趙迎九 華電重工股份有限公司 劉曉東

長(zhǎng)期以來(lái)，冷卻塔是化工、冶金、制藥、釀造、發(fā)電等行業(yè)不可缺少的工業(yè)設(shè)備。根據(jù)冷卻技術(shù)不同分為自然通風(fēng)冷卻塔和機(jī)械通風(fēng)冷卻塔[1]，其中機(jī)械通風(fēng)冷卻塔具有一次投資低、建設(shè)工期短的特點(diǎn)應(yīng)用較多[2]，特別是在“一帶一路”建設(shè)中成為海外電站項(xiàng)目中的首選設(shè)備。但由于機(jī)械通風(fēng)冷卻塔單臺(tái)冷卻水量較小，多為多排數(shù)臺(tái)布置，形成冷卻塔組或群，導(dǎo)致熱回流現(xiàn)象和熱干擾現(xiàn)象同時(shí)存在[3]，形成熱氣回流現(xiàn)象。受熱氣回流的影響冷卻塔進(jìn)風(fēng)口處干球溫度和濕球溫度升高[3]，導(dǎo)致冷卻塔出水溫度升高，從而降低了冷卻塔的冷卻性能。

1 基本情況

某電站所在區(qū)域?qū)儆诘湫蜔釒в炅謿夂驘o(wú)四季分別，北部受北半球季風(fēng)影響7～9月降水量豐富，南部受南半球季風(fēng)影響12月、1月、2月降水量豐富。由于夏季氣象條件下熱氣回流對(duì)冷卻塔性能影響最大，因此選擇夏季10%氣象為數(shù)值模型的輸入條件：干球溫度為28.1℃，濕球溫度為26.2℃，大氣壓為1009.5hPa，風(fēng)速為2.1m/s。考慮到風(fēng)速2.1m/s為平均風(fēng)速，而回流影響分析通常選擇略大一點(diǎn)的短時(shí)風(fēng)速，本項(xiàng)目中采用4m/s的風(fēng)速（圖1）。

冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)：每臺(tái)機(jī)組配置18段機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，16段運(yùn)行2段備用，兩臺(tái)機(jī)組共配置36段，風(fēng)機(jī)直徑10.06m、電機(jī)功率200kW，塔群采用雙側(cè)進(jìn)風(fēng)方式。設(shè)計(jì)風(fēng)量為3200000m3/h。每臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水量為84000m3/h，每段機(jī)械塔的循環(huán)水量為5250m3/h。進(jìn)水溫度為40℃，出水溫度不高于32℃。機(jī)械塔的平面尺寸為20.4m×20.4m，塔高為17.9m，進(jìn)風(fēng)口高度為4.8m，填料底部標(biāo)高5.5m，填料厚度為1.5m。冷卻塔淋水填料為S波，材質(zhì)為普通PVC材質(zhì)，安裝方式為擱置式。

冷卻塔總體布置有兩種方案：橫向布置方案（圖2）和斜向布置方案（圖3）。橫向布置時(shí)同一機(jī)組冷卻塔之間的距離（后稱(chēng)“兩側(cè)塔排距離”）為70m，不同機(jī)組冷卻塔塔排距離（后稱(chēng)“中間塔排距離”）為75m。斜向布置時(shí)兩側(cè)塔排距離和中間塔排距離都為65m。

2 技術(shù)路線

根據(jù)不同塔群布置方案，利用GAMBIT軟件建立網(wǎng)格分析模型，利用FLUENT軟件建立三維數(shù)值模擬分析模型；根據(jù)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔一維模型計(jì)算10%氣象工況條件下冷卻塔出口氣溫和濕度，并將其作為三維模型的邊界條件；利用三維計(jì)算模型，針對(duì)熱空氣回流情況建立多組分模型，研究溫度分布、速度分布，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)進(jìn)風(fēng)口的平均溫度，給出熱回流率；基于一維數(shù)值模型計(jì)算進(jìn)風(fēng)口空氣的干球溫度和濕球溫度的升高值、出水溫度的升高值，為建立廠用水系統(tǒng)[3]機(jī)械通風(fēng)冷卻塔設(shè)計(jì)條件的修正方法提供支撐。

3 熱氣回流研究

無(wú)風(fēng)條件下熱氣回流分析：針對(duì)橫向布置方案分析了無(wú)風(fēng)條件下熱氣回流率。圖4顯示沒(méi)有明顯的熱空氣回流至進(jìn)風(fēng)口。通過(guò)統(tǒng)計(jì)36個(gè)塔的進(jìn)風(fēng)口溫度，分析可知36個(gè)塔的平均回流率為0.6%，進(jìn)風(fēng)口干球溫度升高幅度為0.06℃。這表明無(wú)風(fēng)條件下熱氣回流對(duì)冷卻塔性能影響較小可忽略不計(jì)。針對(duì)斜向布置的分析結(jié)果與上述相似，即無(wú)風(fēng)條件下熱氣回流的影響亦可忽略不計(jì)。

不同風(fēng)向條件下兩種布置方案比較：由圖5可知在年主導(dǎo)風(fēng)向的自然風(fēng)影響下熱氣回流現(xiàn)象明顯。分析數(shù)據(jù)表明36個(gè)塔的平均熱回流率為9.0%，進(jìn)風(fēng)口干球溫度升高幅度為0.8℃；由圖6可知在年主導(dǎo)風(fēng)向的自然風(fēng)影響下熱氣回流現(xiàn)象不明顯。分析數(shù)據(jù)表明，36個(gè)塔的平均熱回流率為2.0%，進(jìn)風(fēng)口干球溫度升高幅度為0.2℃；圖7顯示橫向布置的最不利風(fēng)向是南風(fēng)（與塔排風(fēng)向垂直），回流率為10%。斜向布置的最不利風(fēng)向也是南風(fēng)，與塔排成45度角度。年次主導(dǎo)風(fēng)方向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，此時(shí)橫向布置的回流率為9.6%，斜向布置的回流率為1.2%。夏季10%的次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，此時(shí)橫向布置的回流率為1.3%，斜向布置的回流率為4.6%。考慮8個(gè)風(fēng)向頻率差異，斜向布置的回流率為3.8%，橫向布置的回流率為7.6%。

上述分析表明，在年主導(dǎo)風(fēng)向和自然風(fēng)向條件下，斜向布置的回流率均小于橫向布置，即斜向布置較優(yōu)。

4 布置方案的進(jìn)一步優(yōu)化研究（排間距研究）

由于水泵房與冷卻塔間的距離較近（16m）不宜再縮小。因此考慮水泵房的布置時(shí)不改變兩側(cè)塔排間距（保持65m），僅對(duì)中間塔排間距進(jìn)行優(yōu)化。圖8～11分別為中間塔排間距改變時(shí)，回流率、進(jìn)風(fēng)口干球溫度、進(jìn)風(fēng)口濕球溫度和出水溫度的變化情況，中間塔排間距由60m降至25m時(shí)，回流率變化幅度小于0.5%，進(jìn)風(fēng)口干球溫度和濕球溫度、出水溫度的變化幅度均小于0.05℃，這表明中間塔排間距的大小對(duì)熱氣回流的影響較小，從經(jīng)濟(jì)性考慮結(jié)合廠區(qū)布置，中間塔排間距可減小至25m。

5 結(jié)語(yǔ)

這個(gè)項(xiàng)目機(jī)械通風(fēng)量冷卻塔集中布置問(wèn)題采用FLUENT軟件建立了機(jī)械通風(fēng)冷卻塔群三維分析模型，分別研究了無(wú)風(fēng)、主導(dǎo)風(fēng)向、自然風(fēng)向條件下不同布置下的熱氣回流率，確定了較優(yōu)的布置方案；并針對(duì)較優(yōu)方案進(jìn)一步分析了塔排間距對(duì)熱氣回流率、出水溫度抬升值、進(jìn)風(fēng)口干濕球溫度抬升值的影響，作出了進(jìn)一步的優(yōu)化布置方案。

主要研究成果如下：無(wú)風(fēng)條件下可忽略熱氣回流對(duì)冷卻塔熱力性能的影響；主導(dǎo)風(fēng)向、4m/s風(fēng)速條件下，橫向布置方案的回流率為9.0%，此時(shí)進(jìn)風(fēng)口濕球溫度升高幅度為1.2℃，出水溫度升高幅度為0.62℃。斜向布置方案的回流率2.0%，此時(shí)進(jìn)風(fēng)口濕球溫度升高幅度為0.3℃，出水溫度升高幅度為0.16℃，都小于橫向布置，因此斜向布置方案較優(yōu)；不考慮泵房、斜向布置時(shí)，塔排間距在25m至40m區(qū)間內(nèi)回流率變化幅度較小，塔排間距在40m至60m區(qū)間內(nèi)回流率隨塔排間距增大而顯著減小，綜合考慮塔排間距為50m較優(yōu)；主導(dǎo)風(fēng)條件下，當(dāng)保持兩側(cè)塔排間距不變（65m）、僅調(diào)整中間塔排距離時(shí)（25～65m）對(duì)熱氣回流率的影響小于0.5%，對(duì)進(jìn)風(fēng)口干球溫度和濕球溫度、出水溫度的變化幅度均小于0.05℃，這表明中間塔排間距對(duì)熱氣回流的影響較小。