间接空冷阻力特性试验研究

黄春花，赵顺安

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

1 引言

随着世界各国经济的迅速持续发展和人类生活水平的不断提高，电力工业也得到了突飞猛进的发展。与此同时水资源的日益紧缺和人们环保意识的逐步增强，使得电力行业逐步向节水环保型发展。与同容量的湿冷机组相比，空冷系统本身节水可达97%以上，全厂性节水约65%，一般建设1 000MW湿冷机组所需的水量，可以建一个规模比其大三倍的空冷机组，由此，空冷技术在全世界范围内得到了广泛的应用。

空冷散热器和空冷塔是空冷系统的重要组成部件，其阻力特性将直接影响空冷系统的冷却效率，有研究［1］显示当塔的损失超过1个出口动能头时，冷却水的温度将升高1℃。纵观目前对空冷系统阻力特性的研究方法［2-3］，采用的主要途径是分项研究，即对散热器、支撑柱以及进口转角等各项的阻力特性进行研究，总结出各自相应的经验阻力系数，然后将各分项相加即得总的经验阻力系数，该研究方法没有总结出一套适用的总阻力系数的经验计算公式。本文进行的是散热器垂直布置于塔外条件下，散热器与空冷塔组装后的整塔阻力特性的研究，给出适用于一定范围的总阻力系数的经验计算公式，为工程设计提供便利的参考。

2 模型设计

2.1 工程概况试验研究是以A电厂所配备的空冷塔设计数据为参考，该电厂装机容量2×660MW，按照1机1塔设置，设计气温14.6℃，汽轮机设计背压为12.5kPa，循环水冷却采用表面式凝汽器间接空冷系统。空冷散热器垂直布置在空冷塔进风口的外侧。

2.2 模型系统设计模型设计按照雷诺准则，但是在模型试验中使Rem=Rep成立是不可能的，因此，为了提高试验研究的准确性，满足气流运动的相似，在模型试验研究中，确保气流运动处于阻力平方区，原型与模型的阻力系数相等，模型比尺的选取尽量大。本项研究综合考虑各项影响因素，最终选取长度比尺为Lr=100，制作整体正态模型，模型试验装置示意图见图1。模型中，空冷塔塔体采用无色透明有机玻璃制作，塔体曲线以参考工程的实际数据按比例缩小，垂直布置于塔外的散热器用多孔板组合按照等效阻力［4］的方法来模拟。

2.3 测量参数及整理方法在试验研究中，风速和全压的测量是在塔筒喉部断面处进行的，采用的仪器是美国TSI公司8386型多参数热线风速仪和L型毕托管；大气压的测量仪器是DYM3型盒式气压表；气温的测量采用铂电阻温度计；风机的风量由变频调速器来控制。喉部断面处风速和全压的测量按照等面环的方法来测取，测试中在喉部设置8个等面积环，测取各个测点上的风速Vi和全压Pi，则通风量及喉部全压为：

式中：Q为总通风量，m3/s；A为喉部断面面积，m2；Vi为等面积环上测点处风速，m/s；Pi为等面积环上测点处全压，Pa；P为全压，Pa。

阻力系数经验计算公式的整理是以散热器迎面风速为参照的，散热器和空冷塔组合后的整塔阻力系数由两部分组成，即：进口至喉部断面的阻力系数ξh和塔出口阻力系数ξo，计算方法如下：

式中：P0为塔外大气压力，可设为0；ρ为空气密度，kg/m3；Vy为迎面风速，m/s；Ao为塔出口面积，m2；ξo为塔出口阻力系数；ξh为至喉部阻力系数；ξn为整塔阻力系数。

3 试验研究结果

A电厂空冷散热器设计高度为25m，散热片的阻力系数为20。为了能够在实际工程中广泛地使用试验研究的结果，在进行模型设计时，考虑散热器高度分别按照20m、25m和30m，散热片阻力系数分别按照15、20、33进行模拟。试验中用多孔板按照等效阻力的方法来设计散热片，由多孔板组合成多孔三角来模拟实际的散热三角进行试验研究。

3.1 试验工况试验按照3种散热器高度、3种散热片阻力系数和4种通风量组合进行研究，具体研究工况见表1。试验时在多孔三角内、外测取静压，通过计算可获得多孔三角的阻力系数；在塔筒喉部测量风量和全压，从而算出进口至喉部的阻力系数。

3.2 实测多孔三角的阻力系数在模型塔中，通过测取多孔三角内、外静压来获取实测多孔三角的阻力系数。设计多孔板的阻力系数是以迎面风速为基准的，因此下文中阻力系数的整理均以迎面风速为准，散热三角阻力系数与迎面风速的关系见图2。

表1 试验工况

分析图2可知，当迎面气流运动达到阻力平方区后，多孔三角的阻力系数均趋于稳定，稳定后的阻力系数值见表2。

表2 多孔三角实测阻力系数

3.3 空冷塔总阻力系数模型中散热器的高度分别为20cm、25cm、30cm，相应的迎面面积与塔筒底部面积比ε1为1.462、1.879、2.230，与塔筒出口面积比ε2为2.460、3.160、3.902。经过对试验中所测得的数据的整理计算，得各个风量、各孔板设计阻力系数下，从进口至喉部的阻力系数见表3，至喉部阻力系数与迎面风速关系曲线见图3。

表3 至喉部及塔总阻力系数汇总

分析以上图、表中的数据，可知各种散热器高度下，当迎面风速达到2.0m/s后，气流运动达到阻力平方区，所测的至喉部的阻力系数均基本稳定不变，稳定后的散热三角、至喉部及整塔的阻力系数汇总见表4。

表4 阻力系数汇总

将上表中的数据进行整理，以迎面风速表示的塔总阻力系数ξz的经验计算公式如下：

式中：ξy为以迎面风速表示的实测散热三角阻力系数；ε1为迎风面面积与塔筒底部面积之比，范围：1.462～2.320；ε2为迎风面面积与塔出口面积之比，范围：2.460～3.902。

4 结论

本文以660MW级机组的空冷系统为例，对空冷塔和散热器组合的系统进行物理模型试验研究，最终给出空冷塔和散热器组合的总阻力系数，为后续空冷塔的性能研究提供依据和参照。试验研究表明：空冷塔与散热器组合的整体阻力系数与实测散热三角的阻力系数、散热三角的迎面面积与塔筒底部面积比以及塔筒出口面积比都相关，因此要获得较好性能的空冷塔，就需要对相关的空冷塔塔型及散热三角进行优化研究。

［1］Moore F K.Aerodynamic design problems of dry cooling systems［C］//Proceedings of the IAHR Cooling Tower Workshop San Francisco，California，1980：1-26.

［2］Detlev G Kröger.Air-cooled heat exchangers and cooling towers［M］.Volume 1，Penn Well Corporation，2003.

［3］Van Aarde D J，Körger D G.Flow losses through an array of a-frame heat exchangers［J］.Heat Transfer Engi⁃neering，1993，14（1）：43-51.

［4］华绍曾，杨学宁，等编译.实用流体阻力手册［M］.北京：国防工业出版社，1985.

［5］丁尔谋.发电厂空冷技术［M］.北京：水利电力出版社，1992.