大型自然通风冷却塔热力性能研究

(1 西安建筑科技大学环境与市政工程学院 西安 710055； 2 西安热工研究院有限公司 西安 710032)

自然通风冷却塔是火力发电厂中重要的冷端设备，其冷却性能的优劣影响燃煤机组的经济性[1-3]。火电厂汽轮机的末端排气在凝结成水的过程中会产生大量的热，自然通风冷却塔可以通过接触传热、蒸发传热将这部分热量排到大气中[1]。随着火力发电厂机组功率的不断增大，需要更大淋水面积的自然通风冷却塔，因此对大型自然通风冷却塔的热力性能进行测试研究十分必要。

相关学者对冷却塔的热力性能进行了大量研究，N. Williamson等[4]建立二维模型分析了自然通风冷却塔的性能；R. Al-Waked等[5-6]利用三维数值模型研究了冷却塔塔内的传热传质情况，分析了不同工况对冷却塔热力性能的影响。赵元宾等[7-8]利用计算机对冷却塔内气水参数的分布及换热规律进行数值计算，分析冷却塔的冷却效果。胡三季等[9]在实验室内对冷却塔的塔心部件的热力及阻力性能进行了实验研究。但由于实验室的模拟塔与实际电厂中的工业冷却塔在配水方式、塔内参数等条件不同，当实验结果应用于工业塔时，需要对工业塔进行进一步实验验证，此类研究目前较少。

本文对某电厂一座淋水面积为12 000 m2的大型自然通风冷却塔的热力性能进行实验研究，得出该工业塔的热力性能方程式，得到模拟实验塔的修正系数，给出该塔的风温分布，分析了采用通风阻力经验系数公式计算出塔水温的优势，可为大型自然通风冷却塔的设计与改造提供参考。

1 冷却塔的设计条件

本实验对某大型工业逆流式自然通风冷却塔(以下简称工业塔)的热力性能进行测试。该电厂新建1 000 MW机组配用一座12 000 m2逆流式自然通风冷却塔，塔高167.16 m，淋水面积12 000 m2，顶部直径80.64 m，喉部直径76.79 m，进风高度11.50 m，进风口直径125.059 m，填料底层直径124.548 m。淋水填料采用“双斜波”形，材质为改性PVC，填料在塔内采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外阶梯型布置。该塔的设计参数为：湿球温度26.6 ℃，干球温度29.8 ℃，相对湿度77%，大气压强100.17 kPa，冷却水量103 680 m3/h，进塔水温42.68 ℃，出塔水温32.7 ℃。

2 测试参数介绍

2.1 测试项目

实验测试项目有：环境干、湿球温度(与进塔干、湿球温度合用)，大气风速风向、大气压力、进塔水温度、出塔水温度、进塔水体积流量、出塔空气温度。

2.2 实验测点的安装及测试方法

距该塔20 m处设置两个气象观测点，测点高度为7 m。大气干、湿球温度采用电动通风干湿表测量，仪表测试范围为0～80 ℃，分辨率为0.01 ℃，精度为A级；大气压力采用DYM3型空盒式大气压力表测量，仪表放在通风遮阳处，仪表测试范围为80～106.4 kPa，分辨率为0.1 kPa；环境风速采用EY-11B型便携式数字风速表监测；进塔水温通过在中央竖井内放置3支Pt100型铂电阻温度探头测量；出塔水温通过在回水槽内放置6支Pt100型铂电阻温度探头测量；进塔水体积流量通过在进水母管上用FLC-2012型超声波流量计测量，测量精度为±1.5%；塔内风温通过在塔内的4条主水槽上部设置24个测点，用Pt100型铂电阻温度探头测量，仪表测试范围为0～80 ℃，分辨率为0.01 ℃，精度为A级。塔内风速通过在塔内的4条主水槽上部设置72个测点，用MSF-1型电子微风表测量。上述所有Pt100型铂电阻温度计均接至分散式集中控制系统，由计算机连续采样。

2.3 测试工况

实验包括：两台循环水泵并联运行全塔配水机组满负荷运行，三台循环泵并联运行全塔配水机组满负荷运行。

3 实验结果与分析

3.1 工业塔实测热力性能

3.1.1工业塔的冷却能力

通过冷却水量对比法计算出该工业塔的冷却能力。根据《工业冷却塔测试规程》规定，当塔的实测冷却能力值达到95%以上时，应视为达到设计要求；当达到105%以上时，应视为超过设计要求[10]。对三泵并联全塔配水的59组工况进行冷却能力计算，其中47组数据达到设计要求，12组数据超出设计要求，该塔的平均冷却能力为101.1%。因此，该塔达到了设计要求。

3.1.2实验塔的热力性能方程式

实验塔为钢结构，实验段截面为1.0 m×1.0 m，全塔高13.3 m。塔内采用压力配水，配水装置由5根DN50钢管组成，每根管底部开一排直径为7 mm的孔，配水管下面由5条扁铁组成溅水板。配水装置上部装有除水器。实验塔尾部冷却高度为4.8 m。塔体两面进风，进风口设在集水池上部。用该塔对双斜波淋水填料进行热力性能测试，全塔平均淋水填料高度为1.25 m，对测试数据采用最小二乘法拟合，得到热力性能方程式：

N=2.15λ0.65

(1)

式中：N为冷却数；λ为气水比。

3.1.3工业塔的热力性能方程式

该工业塔采用双斜波淋水填料，填料在塔内采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外阶梯型布置，现场对冷却塔进行测试得到数据，依据测试数据计算出1机2泵、1机3泵全塔配水各工况点的气水比和冷却数，利用最小二乘法对各测试工况点计算的气水比和冷却数数据进行拟合，得到热力性能方程式：

N=2.26λ0.61

(2)

文献[11]中指出模拟实验塔冷却数应用于实际工业塔时，需要考虑冷却塔中气流的不均匀性，通过模拟实验塔得到的冷却数需要乘一个不均匀系数Kv，对于自然通风逆流式冷却塔Kv=0.9。胡三季等[12]对实验塔和实际工业塔的不均匀系数进行了研究，得出在自然通风冷却塔热力性能计算采用模拟实验塔的冷却数结果时，若该塔为压力配水时，冷却数取模拟实验塔冷却数的95%～98%；若该塔为多点竖井的槽式配水，冷却数取模拟实验塔冷却数的90%～95%；若该塔为中央竖井的槽式配水，冷却数取模拟实验塔冷却数的85%～90%。因此，如果实际工业塔塔内淋水填料为等高布置时，冷却数为模拟实验塔冷却数的85%～90%。但本测试的工业塔塔内填料采用不等高布置方式，填料类型与3.1.2中模拟实验塔相同。在常用气水比工况条件下[13]，分别采用该工业塔的热力性能方程式和模拟实验塔的热力性能方程式计算冷却数，并得到修正系数，如表1所示。

表1 工业塔的修正系数Tab.1 Correction coefficient of industrial tower

表2 二泵并联工况运行时，塔内实测风温均方根误差Tab.2 The RMS error of air temperature in the cooling tower under the condition of two pumps inparallel operating conditions

由表1可知，在常用气水比下，通过该工业塔的热力性能方程计算的冷却数大于通过实验塔的热力性能方程计算的冷却数，修正系数为1.047～1.081。由此可见，当工业塔塔内填料采用不等高布置，模拟实验塔塔内填料采用等高布置时，修正系数为1.047～1.081；当工业塔和模拟实验塔塔内填料均采用等高布置时，修正系数为0.85～0.90。说明填料的不等高布置，提高了冷却塔的冷却数；随着气水比的增大，修正系数变小，说明冷却塔气水比的增加，工业塔和实验塔的冷却数逐渐靠近；为通过模拟实验塔(填料等高布置)的冷却数推算工业冷却塔(填料不等高布置)的冷却数提供参考。

3.2 工业塔塔内实测风温分布

塔内风温越均匀，冷却效果越好[14-15]。表2所示为该工业塔二泵并联运行全塔配水时，塔内实测风温均方根误差。均方根误差计算式为：

(3)

表2中测点的布置按等面环方法由塔壁(测点1)至塔心(测点6)通过等面环的方法布置，塔门处的测道为A半径，顺时针走向，依次为B半径、C半径、D半径，测点布局示意图如图1所示。

图1 测点布局示意图Fig.1 Measuring points layout

该塔的填料采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外阶梯形布置，由表2可知，二泵并联时，塔内风温均方根误差为0.56～0.67 ℃。而文献[16]研究的冷却塔塔内填料采用等高布置，高度为1.25 m，二泵并联时，塔内实测风温均方根误差为0.73～1.78 ℃。由此可知，当塔内淋水填料不等高布置时，塔内风温的均方根误差小于塔内淋水填料等高布置的均方根误差，因此填料的不等高布置能使塔内风温相对更均匀。塔内风温越均匀，证明塔内气水之间的热传递越好，冷却塔的冷却效果越好。因此，塔的不等高布置能强化冷却塔的冷却效果。

3.3 不同阻力公式计算出塔水温

基于工业塔的实测数据，采用工业塔热力性能方程式，冷却塔分别以二泵并联(小流量)、三泵并联(大流量)的工况运行时，通过阻力经验系数公式和《GB/T 50102—2006》推荐的阻力系数公式分别计算出塔水温的差值如图2所示。

图2 两阻力系数公式计算的出塔水温差值Fig.2 The difference of outflow water temperature between the two resistance coefficient formula

由图2可知，当冷却塔在二泵并联(小流量)工况下运行时，两种阻力计算公式计算出塔水温的差值t1的区间为0.15～0.59 ℃；当冷却塔在三泵并联(大流量)工况下运行时，两种阻力计算公式计算出塔水温的差值t2的区间为0.06～0.21 ℃，其中t2小于t1的最小值0.15 ℃的测试点有53个，占总测试点的89.8 %。此外，当冷却塔在三泵并联(大流量)工况下运行时，t2的值较小，说明两种阻力公式计算的出塔水温比较接近。因此为了计算简便，当冷却塔进水塔水体积流量较大时，可选用通风阻力经验公式来计算出塔水温。

4 结论

1)利用工业塔现场测试计算得到的热力性能方程式和实验室模拟塔的热力性能方程式分别在常用气水比范围内计算冷却数，求得工业塔(填料不等高布置)的冷却数与模拟实验塔(填料等高布置)的冷却数的修正系数为1.047～1.081。填料不等高布置的冷却塔冷却数高于填料等高布置的冷却塔，且在没有模拟冷却塔(填料不等高布置)的冷却数时，可通过模拟冷却塔(填料等高布置)的冷却数推算实际工业塔(填料不等高布置)的冷却数。

2)冷却塔塔内风温均方根误差越小风温分布越均匀。本实验得到该工业塔(填料不等高布置)的塔内风温均方根误差为0.56～0.67 ℃，小于填料等高布置的冷却塔[16]。因此，填料不等高布置的冷却塔塔内风温相比于填料等高布置的冷却塔塔内风温更均匀，即冷却效果更好。

3)当冷却塔进塔水体积流量较大时，通过冷却塔通风阻力经验系数公式计算各工况点的出塔水温和通过《GB/T 50102—2003》冷却塔通风阻力推荐公式计算各实验点的出塔水温非常接近，可采用冷却塔通风阻力经验系数公式计算各工况点的出塔水温以提高计算效率。