孟加拉某燃煤电厂大型机械通风冷却塔方案比对

郭锐敏

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

孟加拉当地缺乏石材，工程用混凝土及砂石等建材需要进口，土建造价非常高，而且当地施工水平较差，采用玻璃钢机械通风冷却塔可以有效地缩短建设工期，节约投资[1]。但大型火电厂冷却水用量大，孟加拉地区高温高湿，因此单台冷却水量大于3000m3/h的大型机械通风冷却塔[2]被广泛运用到工程之中。大型冷却塔塔排的布置方案，既要考虑冷却效果，又要重视占地情况。本文基于孟加拉某2×660MW电厂条件，对大型机械通风冷却塔进行布置研究并辅以数值模拟分析，以期实现降低占地面积、节约投资目的。

1 工程概况

孟加拉某2×660MW燃煤电厂工程，采用带机械冷却通风塔的二次循环冷却系统。每台机组配置3×10.2m3/s立式湿井可抽式、固定转速、单级混流泵(2用1备)，单元制方式运行；16×4900m3/h逆流式机械通风冷却塔(15用1备)；循环水母管DN3200。工程2台机组共计6台循环水泵，32台机械通风冷却塔。

冷却塔塔体，采用大跨度混凝土框架结构，两端采用混凝土围护面板，其余采用玻璃钢围护面板，冷却塔的主要工艺参数如表1所示。

2 塔排布置方案

2.1 塔排间距要求

冷却塔为双侧进风形式，根据《工业循环水冷却塔设计规范》[3]要求，宜平行夏季主导风向布置。32台冷却塔难以实现长轴在同一直线上的单列布置，因此考虑将其分成若干塔排阵列，并参考《工业循环水冷却塔设计规范》(下简称《规范》)中罗列的英国、美国等国家对塔排布置的有关要求，对塔排间距进行初步选择：

表1 机械通风冷却塔主要参数表

表2 塔排间距国内外推荐值对比表

H0：冷却塔进风口高度，m；L1、L2：相邻塔排长度，m。

表2是塔排间距国内外推荐值对比表。从表2中可以看到，美国、英国的推荐参考值一致，塔排净距要求很大。中国规范的塔排净距要求最小，从《规范》条文中可知，此推荐参考值主要是考虑塔的通风要求，并未考虑湿热空气回流和干扰的影响。由于孟加拉当地高温高湿，且该工程冷却塔数量多、单塔处理水量大，回流影响不可轻视。考虑到我国的研究多是基于前苏联的成果，因此塔排的净距根据前苏联B·A·格拉特科夫推荐的参考值，暂按45m考虑。

为了研究冷却塔排出的湿热空气回流和干扰对冷却效果的影响，则需对冷却塔的布置方案进行数值模拟分析。

2.2 布置方案及流场数值模拟分析

2.2.1方案一：塔排长轴平行夏季主导风向布置

(1)布置概况

塔排长轴平行夏季主导风向，32台冷却塔每4台一列，净距按45m考虑，8列总占地面积约为465.4m×76.5m，如图1～图2所示。

图1 塔排长轴平行风向模型图

图2 塔排长轴平行风向平面布置图

(2)模型建立

图1中，干冷空气从绿色区域往冷却塔方向流动，红色圆形区域为风筒出风口，湿热空气从此处排出。蓝色区域为冷却塔的进风面，计算蓝色1～4区域干冷空气和湿热空气中的含水量，即可知道冷却塔的回流率，如式(1)：

(1)

式中：

R——回流率，%；

Wi——进风面空气含水量，kg/kg；

WD——干空气含水量，kg/kg；

WW——湿空气含水量，kg/kg。

(3)模型边界条件

绿色区域的环境风速，分别设定为0、1、5、7、10、14、20m/s，并将此区域的干空气条件设定为干球温度30.7℃，相对湿度60%。

红色区域的出塔风速设定为9.9m/s，并将此区域的干空气条件设定为干球温度30.7℃，相对湿度100%。

(4)数值模拟分析回流率影响

选取第1、3、5、8台的右侧进风面(图1中的1～4)，在不同的风速下，各进风面的回流率如图3所示。

图3 回流率与风速关系图一

从图3中可以看到，塔排平行夏季主导风向的布置方案，有以下特点：

①对于单个塔排，风速小时回流率大，风速1m/s时回流率最大，随风速加大，回流率趋于0%。

②对于整个塔排组，两外侧塔排的回流率小，中间塔排的回流率大，其最高回流率为0.8%。塔排总体回流率并不大，冷却效果比较理想。

该方案占地约35 603m2，并且多塔排布置时，进出水管路比较复杂。对于工程而言，厂址征地有限，紧凑布置缩小占地必要。为此，需要再考虑一个能节约用地的方案作为对比。

2.2.2方案二：塔排长轴垂直夏季主导风向布置

(1)布置概况

塔排长轴垂直夏季主导风向，32台冷却塔每16台一列，净距按45m考虑，2列总占地面积约为305.7m×82.6m，为方案一的71%，如图4～图5所示。

图4 塔排长轴垂直风向模型图

图5 塔排长轴垂直风向平面布置图

(2)模型建立

图4中，干冷空气从绿色区域往冷却塔方向流动，红色圆形区域为风筒出风口，湿热空气从此处排出。蓝色区域为冷却塔的进风面，计算蓝色1～4区域干冷空气和湿热空气各自的所占比例，冷却塔的回流率计算公式同式(1)。

(3)模型边界条件

绿色区域的环境风速，分别设定为0、1、3、7、9、10、14、20m/s，并将此区域的干空气条件设定为干球温度30.7℃，相对湿度60%。

红色区域的出塔风速，设定为9.9m/s，且将此区域的干空气条件设定为干球温度30.7℃，相对湿度100%。

(4)数值模拟分析回流率影响

选取两列冷却塔的4个进风面，测定其不同风速下的回流率，如图6所示。

图6 回流率与风速关系图二

从图6中可以看到，塔排垂直夏季主导风向的布置方案，有以下特点：

①无风时，塔排间没有热回流的影响。风机将湿热空气垂直向上抽吸，并不会影响到另一侧的进风口。

②风速7～10m/s的区间内，回流率较大，越远离此区间，回流率越小。毋飞翔等人的研究[4]中也有回流率存在峰值的结论。

③垂直风向的第一个进风面，完全没有回流影响，两塔排中间的进风面回流影响较大。

2.2.3数值模拟分析结果探讨

根据上述两个方案各自的特点，结合典型代表工况下的回流情况(图7～图10)，分别进行讨论。

图7是平行风向方案，塔排组中间的冷却塔在风速1m/s时回流情况(此工况回流率最大)。从图7中可以看到，风筒出风口风速(9.9m/s)将湿热空气垂直向上排出，干冷风向水平移动且风速较小，湿热空气较缓地向下风位移动，其中一部分被本塔排及相邻塔排下风位的冷却塔进风口吸入，这是产生回流的原因。

结合图3可以发现，端头侧塔排的进风面1没有受到回流影响，同为端头但有相邻塔排的进风面4却有回流影响，由此认为，相邻塔排上风位风机排出的湿热空气，是造成回流的主因。

当风速增大至10m/s时，如图8所示，由于塔排长度并不长，干冷风向可以在短时间内推着湿热空气穿越塔排，降低了对相邻塔排的影响，从而回流率下降。

图7 平行布置风速1m/s回流情况图

图8 平行布置风速10m/s回流情况图

图9是垂直风向方案，塔排中部的冷却塔在风速1m/s时回流情况。风筒出风口风速(9.9m/s)比水平风速大，湿热空气主要是往塔排上空移动，结合图6可知，此时回流率并不大。

当风速逐渐增大时，湿热空气开始往下风位移动，由于干冷空气密度大且位于上空，上升的湿热空气被其阻碍难以得到扩散，如图10所示，在2个塔排之间，湿热空气出现滞留回旋，这是造成回流影响的主要原因，同时也解释了图6中两塔排组间的进风口回流率较大的现象。

图6中的进风面1，作为垂直风向的第一个进风面，完全没有回流问题。进风面4背对风向，受到上风位湿热空气影响较小，同时其后方是开阔场地，湿热空气更容易扩散，因此其回流率要低于塔排组中间的进风面。

图9 垂直布置风速1m/s回流情况图

图10 垂直布置风速7m/s回流情况图

3 工程设计方案

从冷却效果来看，冷却塔采用多塔排布置时，长轴平行风向方案的冷却效果要优于长轴垂直风向方案。高坤华等人的研究[5]中也得到相同的结论。

该工程受主厂房和出线方向的限制，冷却塔区域的用地为一个长边垂直夏季风向的矩形区域，用地形状和范围已定，再额外征地难度大。

对于冷却效果好的8塔排方案(方案一)，虽然占地形状与可用地区域相同，但其占地过大，比方案二要多占地约10 352m2，已经超出了可用地范围。此外，多塔排的进出水管道布置较为复杂，塔排间的空地零碎，不好利用。

对于2塔排长轴平行风向方案(即方案二转置90°)，其占地形状与可用地区域完全不符，不在考虑范围内。

对于2塔排长轴垂直风向方案(即方案二)，其最高的回流量为27%，出现在7～10m/s的风速范围内，根据该工程的水文气象报告，厂址所在地平均风速为2.19m/s，对应的回流率约为9%。考虑到年均的回流影响不大，且该方案有不需要额外征地、进出水管的布置简洁流畅等优点，决定基于此方案再做优化。

根据可用地的范围条件，将塔排的脱开距离增加到50m；为充分利用占地，将循环水排水池及排污水泵布置在两塔排中间。最终布置如图11所示。

图11 该工程冷却塔最终布置方案图

4 结论

大型冷却塔的布置方案对冷却效果有很大的影响，随塔排数量增多，其占地面积迅速增大，对电厂的总平布置及工程用地有很大的影响。本文基于孟加拉某2×660MW电厂条件，对大型机械通风冷却塔进行方案布置和数值模拟分析研究，得到以下结论：

(1)冷却塔多塔排布置时，长轴平行风向方案的冷却效果优于长轴垂直风向方案。

(2)该工程场地条件下，塔排长轴平行风向布置时，在低风速范围内有回流影响，随风速增大影响逐渐减少，但总体回流率不大。

(3)基于该工程场地条件，塔排长轴垂直风向布置时，在7～10m/s的风速范围内，回流影响较大，距此区域越远，影响越小。

(4)受工程征地形状和范围的影响，冷却塔设计方案应尽可能充分利用占地，既要考虑系统运行的效果，也要兼顾设备、管道施工与布置的方便。