核电厂重要厂用水系统鼓风式机械通风冷却塔优化研究

毋飞翔，赵顺安

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

核电厂重要厂用水系统鼓风式机械通风冷却塔优化研究

毋飞翔，赵顺安

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

核电厂的重要厂用水系统通常采用鼓风式机械通风冷却塔，而鼓风式机械通风冷却塔的相关研究比较少，对塔内的空气动力特性不太了解。本文通过物理模型试验的方法对其空气动力特性进行研究并对塔型进行优化，研究表明：塔的总阻力系数随塔出口收缩段高度的增大而增大，随收缩段与水平夹角α的减小而减小，随填料安装高度的减小而减小；填料断面风速分布均布系数基本不受收缩段高度的影响，其随α的减小而增大，随填料安装高度的减小而减小。

鼓风式冷却塔；塔型；阻力系数；风速均匀性

1 研究背景

相比于滨海核电厂，我国的内陆核电正处于起步阶段，而对于内陆核电厂的重要厂用水系统来讲，其用水量虽然不大，但却直接影响核电厂的安全。鼓风式机械通风冷却塔因其抵御地震灾害的能力更强，设备维修、保养更简单等优点而常被用于内陆核电厂重要厂用水系统。

鼓风式机械通风冷却塔在通风方式上有别于抽风式机械通风冷却塔，在塔型结构布置上也有明显差异，其风机安装在地面上，相对比较安全，出风口设置了挡板，可以有效的抵挡外来飞射物对冷却塔的影响。我国的相关设计规范和资料对鼓风式机械通风冷却塔没有明确的设计计算方法［1-6］。为了解鼓风式机力塔的运行特性并对塔型进行优化，需要进行相关的研究。本文通过冷态物理模型试验（即不考虑淋水和水气的热质交换）的方法对塔型进行优化，提出一个比较合理的塔型。合理的塔型对冷却塔的正常安全运行、节省建设及运行管理费用具有重要意义，试验数据对冷却塔的设计也具有重要的参考价值。

2 模型设计

该模型试验主要关注的是塔内的气流动力特性，模型设计为冷态模型，即不模拟冷却塔内空气的状态变化。要反映冷却塔内的气流动力特性，须模拟冷却塔单元进风口、鼓风机、冷却塔塔体、塔芯材料、出口及附近区域。由于冷却塔集水池塔内气流运动状态，因此，单元塔集水池以下区域不进行模拟。要保证模型与原型的相似，首先要求几何相似，但淋水填料片距的几何尺寸较小无法作到几何相似，试验中以阻力相似来处理，即作到原、模型的阻力系数相等或接近，综合考虑配套风机、实验条件及试验测量方便等因素，模型比尺选为1∶6.67。

物理模型布置示意图如图1所示，模型的塔体结构采用透明的有机玻璃，便于观察，风机安装在地面上，风机前后导流段采用木质材料，配水管采用有机玻璃管模拟，填料部分采用有机玻璃孔板按阻力系数相等的要求进行模拟，不同规格的孔板模拟不同阻力系数的淋水填料，收水器采用塑料薄丝网模拟。

图1 冷却塔空气动力物理模型布置示意图（单位：mm）

3 测量参数及整理方法

3.1 测量参数试验主要测试项目包括塔内通风量、填料断面风速分布及整塔阻力等，测试断面主要有塔进口断面、填料断面、除水器断面和塔出口断面，测量参数包括大气干、湿球温度、大气压、不同断面的全压、风速等，其中风速与压力采用热线风速仪配合S型毕托管测量，环境温度采用机械通风干湿表测量，大气压的测量采用空盒气压计。测试中在填料断面均匀布置36个测点，分别测取各测点的风速Vi。

3.2 整理方法评价冷却塔空气动力特性的参数主要有两个，塔的总阻力系数和填料断面的风速分布均匀性。其中，总阻力系数可按下式进行计算：

或：

式中：ΔP为气流经过某区域前后断面的全压差，Pa；ρ为空气密度，kg/m3为填料断面平均风速，m/s。

填料区域是冷却塔主要的换热区域，该区域的风速分布状况直接影响其换热的效率。定义填料断面为特征断面，用其风速分布均方差来反映填料区域的流场分布情况。风速分布均布系数可表示为：

式中：α为填料断面风速分布均布系数；Vi为填料断面各点风速，m/s；-Vf为填料断面平均风速，m/s。n为风速统计点的个数。

4 试验成果及分析

4.1 收缩段高度与阻力系数的关系选定填料，保证塔出口收缩段大小尺寸不变，将收缩段整体上下移动，测试对模型阻力系数和填料断面风速分布均匀性的影响，其结果汇总于图2和图3（HC为收缩段至进风口上沿的距离，L为塔宽）。由图2可看出塔的总阻力系数随收缩段高度的减小而减小。当HC/L小于0.70时，总阻力系数随收缩段高度的减小变化很小，当HC/L小于0.65时，总阻力系数基本不再变化。由此可见，HC/L取0.65～0.70时为宜。（由于填料上、下风速分布不均匀等因素导致测试填料阻力发生变化。）

图2 收缩段高度与阻力系数关系

图3 收缩段高度与均布系数的关系

由图3可看出，填料断面风速均布系数基本不受HC/L的影响。

4.2 收缩段角度与阻力系数的关系保证收水器上收缩段大小尺寸不变和HC/L为0.69时出口位置不变，调整收缩段与水平面的夹角，测试其对模型整塔阻力系数和填料断面风速分布均匀性的影响，其结果汇总于图4—图5。由图4可看出塔的总阻力系数随着收缩段角度α的减小略有减小。当α小于27°时，总阻力系数随收缩段角度的减小变化很小。由此可见，α取24°～27°时为宜。由图5可以看出，填料断面风速均布系数随α的减小而增大。

图4 收缩段角度与阻力系数关系

图5 收缩段角度与均布系数的关系

综合考虑两方面的因素，α取27°时比较合适。

4.3 填料安装高度与阻力系数的关系保证收水器上收缩段大小尺寸不变和HC/L为0.69、α为27°时位置不变，调整填料、配水管和收水器的安装高度，测试其对模型整塔阻力系数和填料断面风速均匀性的影响，其结果汇总于图6—图7（HF为填料底至进风口上沿的距离，L为塔宽）。由图6可看出塔的总阻力系数随HF/L的减小而减小，当HF/L小于0.21时，总阻力系数随收缩段角度的减小变化很小。由此可见，HF/L取0.17～0.21时为宜。由图7可看出填料断面风速均布系数随HF/L的减小而减小，即风速分布随填料安装高度的减小而趋于均匀。

考虑到填料下需安装支撑结构等，填料安装高度不适宜降低太多，综合各方面因素，取HF/L为0.19时比较合适，此时，填料底距离塔进口上沿约1.02 m。

图6 填料安装高度与阻力系数关系

图7 填料安装高度与均布系数关系

5 结论

物理模型试验结果表明：（1）冷却塔出口收缩段高度位置影响冷却塔的阻力不影响填料断面风速分布均匀性，随收缩段位置降低总阻力系数减小。当HC/L在0.65～0.70之间时整塔阻力系数较小。（2）冷却塔出口收缩角越小阻力越小，但填料上风速分布均布系数变大，综合考虑，当相对收缩角α在24°～27°之间时即能保证塔内阻力系数较小又能保证填料断面风速分布相对均匀。（3）塔的总阻力系数和填料断面风速分布均布系数均随填料安装高度的减小而减小，综合考虑填料下需安装支撑结构等因素，取HF/L为0.19时较合适，此时填料底距离塔进口上沿约1.02 m。

［1］ 赵顺安.海水冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［2］ 赵顺安，廖内平，徐铭.逆流式自然通风冷却塔二维数值模拟优化设计［J］.水利学报，2003（10）：26-31.

［3］ 赵振国.冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，1997.

［4］ 中华人民共和国国家标准 .GB/T50102-2003，工业循环水冷却设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

［5］ 中华人民共和国国家标准 .GB/T50392-2006，机械通风冷却塔设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2007.

［6］ 中华人民共和国行业标准.DL39-2006，火力发电水工设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

Optimizing study on the forced draft mechanical cooling tower of nuclear power plant

WU Fei-xiang，ZHAO Shun-an
（Deparment of Hydraulics，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

The forced draft mechanical cooling tower is commonly used in the nuclear power plant，while the relevant research is relatively less，especially for the aerodynamic characteristics of the tower.This pa⁃per researches the aerodynamic characteristics of the forced draft mechanical cooling tower based on the physical model test and optimizes the design of the cooling tower.The results show that the total resistance coefficient increases with the convergent section height of tower increasing，and decreases with the angle α between convergent section and horizontal line and installation height of fill decreasing.The wind velocity distribution coefficient has nothing to do with the convergent section height.The smaller the angle α is，the bigger the distribution coefficient is.The lower the height of the fill is，the smaller the wind velocity distribution coefficient is.

the forced draft mechanical cooling tower；tower shape；resistance coefficient；wind velocity distribution uniformity

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.018

1672-3031（2014）03-0323-04

（责任编辑：李福田）

2013-11-10

毋飞翔（1987-），河南人，硕士生，主要从事冷却塔方面的研究。E-mail：wufeixiang188@163.com