300 MW火电厂循环水冷却塔模化与空气动力特性计算

潘雯瑞，任建兴，翁建华，曾宪平

(上海电力学院能源与环境工程学院，上海 200090)

0 引言

在火电厂的运行中，凝汽器真空度直接影响电厂热经济性，湿式冷却塔作为循环冷却系统中重要的热力设备，其冷却性能直接影响凝汽器真空，进而影响机组能耗和发电效率。据测算，水温下降5℃，凝汽器真空可提高1%左右，中小型机组真空每提高1%，机组功率可增加1%，煤耗下降1%［1］。随着国家加大火电厂节能减排力度，电厂循环冷却系统节能降耗问题受到更多关注。对火电厂冷却塔的研究主要有2种方法:一是试验测量;二是计算机数值模拟。试验测量可分为现场测量和模型试验2类。由于火电厂冷却塔体积庞大，内部换热设备结构复杂，现场测量具有较大困难，但比较符合冷却塔运行的实际状况;模型试验可以针对特定问题制作模型及试验台，但试验费用比较昂贵，试验周期长。因此，试验测量方法各有利弊，需要针对实际研究问题，衡量各方面因素，综合考虑研究方法。相比之下，计算机数值模拟方法是运用计算流体力学知识，进行数值计算和数值模拟分析，费用低、分析数据全面，但模型往往进行了一系列简化，可能与实际情况有一定差距，需要试验的检验。

1 300 MW火电厂循环水冷却塔模化

1.1 冷却塔原型结构

300MW机组是目前我国火电领域的主力机组，其主流冷却塔塔型为自然通风双曲线逆流湿式冷却塔，其功能是将循环冷却水在凝汽器内吸收的热量通过塔内气、水热交换释放到周围大气环境中，以维持凝汽器内必要的真空。选择某300 MW火电厂自然通风双曲线逆流湿式冷却塔进行模化，它由通风筒、配水系统、淋水装置(填料)、通风设备、收水器和集水池6个部分组成(如图1所示)。循环冷却水由管道通过竖井送入配水系统，然后通过喷溅设备将水洒到填料上，经填料后成雨状落入集水池，冷却后的水被抽走重新使用。该冷却塔结构尺寸见表1。

图1 自然通风双曲线逆流湿式冷却塔结构图［2］

1.2 冷却塔模型基本结构

设计模型塔为抽风式逆流试验塔(模型塔结构如图2所示)，主要包括空气入口段、雨区、塑料薄膜填料层、管式配水系统、收水器、湿空气出口段，在湿空气出口处安装有轴流式风机，将湿空气排出室外。下部设有4个进风口(如图3所示)，各进风口开度可以通过挡板调节，进风口风速可以通过外部风机辅助调节，保证进塔水温度和流量可调。

表1 某300 MW火电厂冷却塔尺寸［3］ m

1.3 冷却塔模化准则及模型塔基本尺寸

1.3.1 几何相似

对模型试验而言，模型塔和原型塔首先要满足几何相似的条件。该试验模型塔是以某火电机组冷却塔为基础，按照1∶55的比例建成，长度比例尺kl=1/55。按照几何相似性原则以及冷却塔行业设计标准，塔筒设计为双曲线形式，塔高与底部直径之比为1.20～1.40，喉部面积与底部面积之比为0.30～0.36，喉部高度与塔高之比为0.80～0.85。喉部以上扩散角为8°～10°［4］。冷却塔模型的基本尺寸见表2。

表2 冷却塔模型基本尺寸 cm

1.3.2 动力相似

除了要满足几何相似之外，模型塔和实型塔之间还应该满足动力相似的条件［5］

式中:FrΔ为密度弗劳德数;vout为塔顶部出口气流速度，m/s;g为重力加速度，m/s2;he为冷却塔的有效高度，m;Δρ为塔外与塔内填料上面空气的密度差，kg/m3;ρout为塔出口处的湿空气密度，kg/m3。对于冷却塔热态模型试验，要满足原型塔和模型塔的FrΔ相等。

1.3.3 运动相似

体积流量比例尺

运动黏度比例尺

2 模型塔空气动力特性计算

2.1 空气动力特性计算

为了更好地掌握冷却塔空气动力特性，在完成循环冷却系统试验平台设计后，按照设计参数对冷却塔模型进行简单的空气动力计算。冷却塔几何尺寸如图4所示。

2.1.1 塔的抽力计算

图4 冷却塔几何尺寸图

式中:Fd为抽力，Pa;he为有效高度，m;g为重力加速度，m/s2;ρ1，ρ2为进塔空气密度、塔出口处空气密度，kg/m3。

式中:h2为淋水层与塔顶的间距;h3为淋水层与填料底层的间距;h0为填料层底部高度。

式中:θ1，θ2为空气进塔时和到达填料的温度，℃;hj，ht为空气进塔时和到达填料时的比焓，kJ/kg;tm为平均水温，℃;h″m为温度tm时的饱和空气比焓，kJ/kg。

出塔空气比焓

式中:Δt为水温差，℃;c为水的比热容，kJ/(kg·K);λ =qVg，a/qVw为气水比，qVg，a为进塔干空气量，kg/h;qVw为进塔水质量流量，kg/h。

进塔湿空气比焓(kJ/kg)

饱和空气比焓(kJ/kg)

式中:φ为相对湿度;p0为大气压力，kPa;p″θ为空气在干球温度时的饱和蒸汽压力，kPa。求出hc，θ2查湿空气h－d图得出ρ2。

2.1.2 阻力计算

冷却塔的阻力计算主要有2种方法:一是各部分气流阻力相加，二是塔的整体阻力。这里选择第1种方法，主要考虑进风口阻力、雨区阻力、填料和收水器阻力，按照经验公式计算各部分阻力系数如下:

(1)进风口阻力系数

式中:D为进风口处塔直径，m;h为进风口高度，m。

(2)雨区阻力系数

式中:q为淋水密度，m3/(m2·h);R为雨区塔平均半径，m。

(3)填料、收水器阻力(这部分阻力一般通过模型塔试验来求出，选择江阴市冷却材料厂的S波填料阻力特性进行计算)

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为通过填料的气流速度，m/s;γa为空气容重，γa= ρa·g，N/m3，g 为重力加速度;Δp为填料阻力，N/m2。

收水器阻力按照以往试验成果表估计［2］。

式中:ρm为 m 断面空气密度，kg/m3，ρm=(ρ1+ρ2)/2;vm为m断面气流速度，m/s;ξ为阻力系数。

2.1.3 冷却塔内的通风量

对于火电厂冷却塔来说，在稳定工况下塔的阻力和抽力相平衡，即

则冷却塔内的通风量

式中:D为填料处塔直径，m;v0为填料断面气流速度，m/s。

由于模型塔自身尺寸的限制，无法实现塔自身抽力与阻力的平衡，需要风机的辅助抽力来达到稳定状态，模拟火电厂冷却塔的运行状况，即

式中:f为风机抽力。

进行校验:λ'=qV/(q·S)，式中的q为气、水比，S为填料处截面积，将λ'与λ进行对比，当两者数值相近，误差小于5%时，认为计算数值正确，否则进行重新设置。

2.2 设计参数与计算结果统计分析

根据进出填料水与空气的焓差相等和设定的空气与水的相关参数，采用Merkel积分法以及填料函数关系式，确定试验装置的设计参数(见表3)。并按照设计参数进行空气动力计算，统计结果见表4、表5。

表3 冷却塔模型设计参数

表4 主要计算参数

表5 空气动力计算结果

2.3 理论蒸发水量估算

进塔气流初参数:大气压力p=0.1 MPa，干球温度t1=20℃，相对湿度，通风量1.016 m3/s，塔出口参数t2=21.1℃，相对湿度，进塔水温t3=40℃，冷却后的水温t4=34℃。干空气和水蒸气的气体常数分别为:Rg，a=287J/(kg·K)，Rg，v=462J/(kg·K)，比定压热容分别为 cp，a=1.005 kJ/(kg·K)，cp，v=1.86 kJ/(kg·K)［6－9］。

由空气进口参数查饱和湿空气状态参数表，查得t1=20℃下的饱和蒸汽压力为ps1=2.337 kPa;则进口湿蒸汽中水蒸气分压力 pv1=φ1·ps1=1.168 kPa;空气入口处湿空气中水蒸气的质量流量qmv1=pv1qv1/Rg，at1=0.008 8 kg/s;空气入口处湿空气中干空气的质量流量qm，a1=(p－pv1)qv1/Rg，at1=1.21 kg/s。

由湿空气出口参数查饱和湿空气状态参数表查得对应温度下的饱和蒸汽压力ps2=2.5 kPa，则出口湿蒸汽中水蒸气分压力pv2=φ2ps2=1.625 kPa，塔出口处水蒸气与干空气的比值d2=0.622 pv2/(ppv2)=0.01;因为塔进出口干空气量相同，所以，出口干空气质量流量qma2=qma1=1.21kg/s，出口湿空气质量流量qma2=d2gqma2=0.0123 kg/s。

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

3 结论

按照模化准则对300 MW火电机组循环水冷却塔进行模化，确保冷却塔模型可以在一定程度上反映火电厂冷却塔实际运行情况。根据设计参数进行空气动力特性计算，通过计算得出塔自身抽力为0.152 Pa，塔总阻力为19.100 Pa，风机需要提供的抽力为18.950 Pa，可以维持模型塔阻力和抽力平衡。另外，理论蒸发水量为12.6 kg/h。这些计算可供风机选型以及电耗、水耗分析时参考。

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