超大型自然通风冷却塔进风口区域阻力特性研究

张东文，张宇阳

（1.国核电力规划设计研究院，北京100095；2.冀北电力有限公司检修分公司，北京102400）

超大型自然通风冷却塔进风口区域阻力特性研究

张东文1，张宇阳2

（1.国核电力规划设计研究院，北京100095；2.冀北电力有限公司检修分公司，北京102400）

随着淋水面积的逐渐增大，现行的阻力计算公式已不再适用于超大型冷却塔的计算。本文通过对应建立超大型冷却塔冷态气流阻力试验模型，对不同规模冷却塔的支撑结构（包括人字柱及塔内支撑柱）、不同淋水填料阻力、不同进风口高度等进行组合试验，对其相应阻力特性进行了分析，在此基础上提出了适用于超大型常规逆流式自然通风冷却塔进风口区域阻力系数计算公式，并经过了工程验证。

超大型自然通风冷却塔；进风口；阻力特性

1 研究背景

自然通风冷却塔在运行中，塔内空气经过吸热升温，密度降低，与环境空气形成密度差，从而产生抽力，促使空气流动。同时，冷却塔塔体各部分对空气的流动有阻碍作用，形成阻力。在计算中，使抽力与阻力相等求得断面风速，是自然通风逆流式冷却塔设计计算中关键的一步。自然通风冷却塔阻力部分主要包括进风口区域、雨区以及塔筒区域。其中，进风口区域在整体阻力计算中占有很大的比重。目前我国现行的冷却塔阻力计算公式多是针对淋水面积较小，进风口高度较低的冷却塔经过试验提出的，而对于淋水面积大于12 000 m2的超大型冷却塔，上述公式的应用则具有一定的局限性和误差，因此需要对原有公式进行校正或者提出新的计算公式。由于核电配套冷却塔需要更大的淋水面积，所以进风口高度也相应增大，而进风口高度的增大对于厂用电很敏感。内陆核电适用的超大型冷却塔进风口相对高度往往低于0.35，而现行公式只适用于进风口相对高度0.35～0.45的冷却塔设计范围，因此现行公式对于超大型冷却塔的优化不再适用。而进风口区域的阻力占整塔很大部分，所以急需针对超大型冷却塔的进风口区域阻力特性展开研究，提出合理的计算公式。

本文针对三种超大型自然通风冷却塔塔型，采用模型试验方法，研究进风口高度、淋水填料、塔壳支柱以及支撑柱等对超大型自然通风逆流式冷却塔进风口区域（除雨区外）的阻力系数的影响，分析进风口高度、塔壳支撑柱、淋水填料以及支撑柱等构件的阻力特性，以获得进风口区域（除雨区外）阻力计算公式。

2 模型设计

超大型冷却塔进风口区域阻力特性试验装置系统布置见图1，系统主要包括悬吊装置、风机、过渡段风筒、塔筒、模拟填料孔板、模拟支撑柱、模拟人字柱以及测试系统。

参考某电厂13 000 m2海水塔等塔型参数，模型塔筒采用双曲线设置，底部直径取1.20 m，淋水填料采用阻力系数相同的孔板模拟，孔板顶部直径1.19 m，底部直径1.196 m。模型进风口区域主要结构包括塔筒支柱（人字柱）、塔内支柱以及塔芯材料等，而模型中这些结构的模拟也主要基于初步设计13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2淋水面积的冷却塔的设计尺寸，为使模型试验结果具有更广泛的适用性和代表性，模型构件除塔芯材料采用孔板替代外，其余均基于同一塔筒的基础上，分别按照1∶108.1，1∶127.2，1∶146.9的比尺分别模拟13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2淋水面积的冷却塔的相应结构。同时共设计有阻力系数10、20、30、40四种孔板。

为减小周围环境气流对冷却塔模型的干扰，模型安装在室内较开阔的区域。模型塔内的通风即进塔气流由风机提供，风机风量应满足模型相似律即雷诺数要求。模型采用抽风式设计，轴流风机安装在模型塔筒顶部，气流自塔底进风口吸入，经过进风口区域及塔体后，从风机出口排出。为防止风机叶轮涡流对塔内气流的干扰，喉部以上安装约50 cm扩展段。由于模型主要模拟塔进风口区域阻力特性，因此，模型对塔喉部以上出口部分不作模拟，塔筒喉部与扩展段之间由30 cm的直段塔筒相接。变频器调节风量大小。模型四周用钢结构与风机进行固定和支撑，塔体底部采用可升降平台，可以调节模型进风口高度。

冷却塔的阻力主要集中在塔进风口区域，冷却塔塔筒对气流阻力较小，同时，气流流经塔筒喉部位置时，径向流速几乎为零，且纵向流速沿断面分布较均匀。因此，本试验中塔内通风量（由断面风速计算）及阻力测试均在喉部断面进行，即阻力测试结果均是指从塔进风口至喉部断面之间区域的阻力特性。

图1 试系布置图

3 试验资料整理方法

3.1 阻力测试喉部断面各测点阻力等于该点与塔外大气的全压差值，取各点算术平均值作为塔进口至喉部断面的平均阻力，用下式计算：

式中：ΔP为平均阻力及喉部断面各测点与塔外大气全压差值的平均值，Pa；ΔPi为单个测点处全压差，Pa；n是测点个数。

3.2 通风量及断面平均风速模型塔通风量由喉部断面测试各测点动压Ei，则塔内通风量可表示为：

在得到整个模型的塔通风量之后，相应的填料的断面平均风速求解方法如下：

式中：Vf为相应填料的断面平均风速，m/s；Af为淋水填料断面面积，m2；

3.3 阻力系数根据试验测得的数据求出阻力与断面平均风速之后，即可求出冷却塔各部分阻力系数：

式中：ξ为模型冷却塔总阻力系数；ρm为塔内平均空气密度，因本试验为冷态试验，所以平均空气密度取环境空气密度，可通过环境干湿球和大气压求得kg/m3；Vf为填料断面平均风速，m/s。

4 试验方法与试验结果

在初始进行的雷诺数与阻力系数的敏感性关系试验分析可得，当模型填料断面雷诺数大于1.0× 105（临界值）后，气流运动达到阻力平方区，冷却塔的总阻力系数不再发生变化。所以模型试验中塔的总阻力系数的试验结果取填料断面雷诺数不小于1.0×105的测量结果。

在此基础上，进行孔板阻力特性测试，实测结果与4种孔板设计阻力系数值10、20、30、40相当，满足试验要求。

4.1 进风口高度影响阻力特性因为塔内的阻力系数主要受淋水填料及进风口阻力影响，人字柱及塔内支柱影响较小，可以暂时不考虑。所以本试验首先在没有安装人字柱和塔内支柱的情况下，通过调节升降平台，调整进风口高度，在所测得数据的基础上求得总阻力系数减去孔板阻力系数即为进风口阻力系数。

在实际工程中，常用进风口相对高度来表征进风口高度变化，进风口相对高度ε即为进风口面积与塔壳底面积的比值。目前常用的相对高度的设计范围在0.35～0.45之间，不完全满足超大型冷却塔设计要求。

本试验选取4个进风口高度来反映其变化对冷却塔阻力的影响，使得ε范围在0.30～0.50之间。对不同进风口高度与不同孔板条件下的进风口区域阻力系数测试结果经过处理后汇总于图2—5中。试验结果表明，在进风面积与底壳面积比在0.2～0.6区域内，阻力系数与进风口相对高度近似成反比关系，但不同区域降低幅度不同；在0.27～0.35之间，阻力系数变化明显；在0.35～0.45之间，降低幅度减缓；而在0.50以上，阻力系数变化幅度较小，说明进风口高度增加到一定程度后，对冷却塔进风口区域阻力的影响将不明显。

将试验结果进行整理可得不同进风口高度条件下阻力系数计算公式：

式中：A=0.005ξf2-0.1289ξf+1.7847；B=2×10-4ξf

2+0.04ξf-3.01；ε为进风口相对高度（进风口面积与塔底壳面积比），取值范围为0.3～0.5；ξf为淋水填料阻力系数。式（5）仅仅考虑了进风口气流拐弯和淋水填料的阻力。

各孔板阻力系数下，阻力系数随ε变化分别见图2—5。

4.2 人字柱的阻力特性选取阻力系数为20的孔板对淋水面积13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2相应比尺下不同直径的人字柱进行模拟试验。在数据处理时，人字柱的阻力无法直接测量，试验通过比较模型塔在有、无人字柱时阻力的差值进行计算。

图2 孔板阻力系数10，阻力系数随ε变化图

图3 孔板阻力系数20，阻力系数随ε变化图

图4 孔板阻力系数30，阻力系数随ε变化图

图5 孔板阻力系数40，阻力系数随ε变化图

式中：ξr为人字柱阻力系数；ξε为进风口阻力系数；ξf为填料阻力系数；AD为人字柱在垂向进风口断面投影面积，m2；A为进风口面积，m2；εr=AD/A。

4.3 塔内支撑柱的阻力特性选取阻力系数为30的孔板对淋水面积13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2相应比尺下不同直径的人字柱进行模拟试验。试验通过比较模型塔在有、无人字柱是阻力的差值进行计算。将试验数据进行处理后分析，并结合传统经验公式可知，支撑柱的阻力系数随支撑柱阻风面积与进风口面积的比值增大而增大，绘制其关系图如图7。

图6 人字柱阻力系数随变化

图7 xz与ez的关系

结合数据与图7，支柱阻力系数计算公式可拟合如下：

式中ez为支撑柱阻风面积与进风口面积比。

4.4 总结进风口区域的的阻力系数通过模型试验测试得到了各个部分的试验值，淋水填料的阻力系数与气流转弯不可分割，其它可相加，表示如下：

5 工程验证

邹县电厂四期12 000 m2自然通风逆流式冷却塔是我国目前已经运行的百万千瓦级火电机组配套的淡水冷却塔，该塔于2007年8月进行了冷却塔的性能试验。塔总高165.00 m，有效抽风高度151.8m，进风口高度11.64 m，喉部高度127.05 m，喉部直径75.21 m，塔壳底部直径124.79 m，填料采用PVC塑料哈蒙复合波填料。采用一维计算方法，带入阻力公式（8），具体计算方法参考文献［1-4］。

由表1可以看出，计算的最大误差为-0.47，平均误差为-0.22，满足冷却塔精度计算要求。

表1 一机两泵全塔配水运行工况（循环水量112294t/h）（单位：℃）

6 结论

本文针对淋水面积分别为13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2模型塔，对应建立了冷却塔冷态气流阻力试验模型，对不同规模冷却塔的支撑结构（包括人字柱及塔内支撑柱）、不同淋水填料阻力、不同进风口高度等进行组合试验，对其相应阻力特性进行了分析，在此基础上提出了适用于超大型常规逆流式自然通风冷却塔进风口区域阻力系数计算公式，并经过工程验证，主要结论如下：

（1）进风口高度是影响进风口区域阻力系数的重要参数。进风口区域阻力系数与进风口高度近似成反比关系。

（2）人字柱的阻力系数不仅和人字柱投影面积与进风口面积的比值相关，还与进风口阻力系数大小相关。

（3）支撑柱的阻力系数随支撑的阻风面积与进风口面积的比值增大而增大，二者呈线性关系。

（4）通过模型试验，总结出了进风口区域各部件和组合的阻力系数计算公式，建立超大型常规逆流湿式冷却塔计算模型奠定基础。

（5）通过对比计算和工程实例验证，本文章提出的进风口区域阻力系数计算公式，完全满足超大型冷却塔的计算要求。

［1］宋小军.超大型冷却塔一二维热力计算方法对比分析研究报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2007.

［2］工业循环水冷却设计规范：GB/T50102-2014［S］.

［3］火力发电厂水工设计规范：DL/T5339-2006［S］.

［4］赵顺安.冷却塔工艺原理［M］.北京：中国建筑工业出版社，2015.

Research on inlet resistant of super large natural draft cooling tower

ZHANG Dongwen1，ZHANG Yuyang2
（1.State Nuclear Power Design and Research Institute，Beijing100095，China；
2.Jibei Electric Power Maintenance Company，Beijing102400，China）

Cooling tower is becoming larger and larger，so the present calculation formula can’t be used to calculate the resistance of super large natural draft cooling tower.In this paper，we try to establish the test model of super large natural draft cooling tower(without hot water)，then test it under different condi⁃tions，including different support structures，different fills and different inlet heights，and analyze the resis⁃tance of each part，and propose a calculation formula which could be used to calculate the inlet resistance of super large natural draft cooling tower，and at the end，verify the new formula through engineering prac⁃tice.

super large natural draft cooling tower；inlet；resistance

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.002

1672-3031（2016）05-0328-06

（责任编辑：李福田）

2016-05-04

张东文（1964-），男，山东济南人，教授级高级工程师，主要从事冷却塔方面的研究。

E-mail：zhangdongwen@snpdri.com