并列运行的自然通风冷却塔热力计算方法

刘道远，朱蓬勃，姜国策，黄启川

并列运行的自然通风冷却塔热力计算方法

刘道远1，朱蓬勃2，姜国策2，黄启川1

（1.淮浙煤电有限责任公司凤台发电分公司，安徽 淮南 232131；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

目前，关于冷却塔并列运行热力计算的研究开展得还不充分。本文通过分析自然通风冷却塔并列运行的特点，综合运用焓差法、穷举法和回归分析法进行并列运行冷却塔热力计算的方法研究，并通过实例实际验证该方法的有效性。结果表明：并列运行时，2座冷却塔的结构型式、气候条件、进水温度、等效温升与进出凝汽器冷却水温升均相同；一机两塔和一机一塔的循环水的蒸发损失相等；相较于一机一塔运行方式，一机两塔并列运行在各种负荷下均有显著的节能效果。本文结果可对相关改造项目以及运行节能分析提供参考。

自然通风冷却塔；并列运行；热力计算；一机两塔；一机一塔；焓差法；穷举法

随着我国能源结构调整，太阳能、风能和核能等新能源发电方式快速发展，以煤炭为主要原料的火电机组年利用小时数总体呈逐年下降趋势[1-3]。为加强环境保护，东部沿海地区已经开始对煤电运行提出了更加严格的要求，比如浙江省出台了能源“双控”政策：为达到控煤和节能降耗的目的，各电厂一部分机组调停，一部分维持较高负荷运行成为常态，这具备了进行一机两塔运行的外部条件。从节能降耗角度考虑，燃煤机组有进行一机两塔节能改造的需求。文献[4]按照冷却塔循环水流量平均分配的原则，采用常规冷却塔热力计算的方法对节能效果分析；文献[5-7]依据改造后的热力试验结果对节能效果进行了评价。结果显示：改造后，夏季时一机两塔运行节能效果显著。本文在随机分配2座并列运行冷却塔循环水进水比例的工况下，进行冷却塔热力计算，为相关节能改造提供参考。

1 冷却塔并列运行

1.1 一机两塔运行改造

一机两塔运行改造是指在2台机组的循环水回水母管上设置联络管和隔离阀，当1台机组停运时，另外1台机组的循环水可采用2座冷却塔并列运行进行冷却，即一机两塔运行，系统如图1所示。

1—冷却塔；2—循环水泵；3—联络闸板；4—循环水泵出口阀；5—循环水供水母管联络阀；6—凝汽器进口阀；7—凝汽器出口阀；8—凝汽器；9—循环水回水母管联络阀。

1.2 并列运行特点分析

1）2座冷却塔的结构型式及气候条件相同 由于扩大单元制运行的2台机组一般均采用相同的边界条件设计，因此假定冷却塔的塔高、进风口高度、淋水面积、填料特性等均相同；由于2座冷却塔相邻布置，相同时刻的气候条件也相同。

2）2座冷却塔的进水温度相同 根据一机两塔运行方式可知，当采用一机两塔运行时，2座冷却塔的进水温度均为运行机组的凝汽器出水温度，因此2座冷却塔的进水温度相同。

3）进出2座冷却塔冷却水的等效温升与进出凝汽器冷却水温升相同 由于一机一塔运行时，在不考虑循环水补水及泵功的情况下，冷却塔的进水温度等于凝汽器冷却水的出水温度，冷却塔的出水温度等于凝汽器冷却水的进水温度[8]。将并列运行的2座冷却塔的出水混合后的温度称为冷却塔的等效出水温度，冷却塔的进水温度与等效出水温度之差为等效温升。由于冷却塔的进水温度即为凝汽器冷却水的出水温度，冷却塔的等效出水温度即为凝汽器冷却水的进水温度，因此并列运行的2座冷却塔的等效温升与凝汽器的冷却水温升相同。

2 热力计算方法

2.1 常规计算

2.1.1冷却塔温升计算

根据凝汽器的热平衡方程，冷却水在凝汽器内的温升可表达为[9]

由式(1)可知：当汽轮机排汽量一定时，循环水温升取决于冷却水流量；而机组冷却倍率一定时，凝汽器温升为1个常数。并列运行冷却塔的冷却水等效温升也存在上述特征。因此，机组负荷和循环水泵运行方式确定后，凝汽器温升即可计算得到。

2.1.2冷却塔热力计算

逆流式冷却塔一般采用焓差法[11]进行热力计算，计算公式为

式中：为淋水填料的体积，m3；为进入冷却塔的循环水流量，kg/s；为考虑蒸发水量散热的系数；a为淋水填料的散热系数，kg/(m3·s)；1和2分别为冷却塔进水温度和出水温度，℃；为湿空气的比焓，kJ/kg；″为与水温相应的饱和空气比焓，kJ/kg；W为循环水的比热容，kJ/(kg·℃)。

式(2)右边称为冷却塔的冷却数，它与气象条件有关，与冷却塔的构造无关，用表示，一般采用辛普逊积分法[12]进行计算。式(2)左边称为冷却塔的特性数（用表示），表征在一定的淋水填料和塔型下冷却塔所具有的冷却能力，也可以表达为[13]

式中：和为常数；为气水比；1为冷却塔进口风速，m/s；1为冷却塔进风口面积，m2；1为冷却塔进口干空气密度，kg/m3；为冷却塔进口空气体积流量，m3/s。

式(2)为一个非线性方程式，一般采用迭代法进行计算。计算过程为：首先假设冷却塔的出塔温 度2，然后分别计算出特性数和冷却数，如满足条件=，则2即为冷却塔出口水温的计算 值，否则改变2的值继续进行迭代，直至满足上 述条件为止[14]。

2.2 并列运行计算

冷却塔并列运行时，如果循环水等分进入2座冷却塔中，假定2座塔的设计参数、气象条件等均相同，则2座冷却塔的温升也相同，即每座冷却塔温升均等于凝汽器的温升（或者等效温升），这时每座冷却塔就可以按照已知温升和循环水流量采用常规的焓差法进行热力计算。但实际中，由于2台机组循环水系统布置不完全一致、联络管管径及阀门产生新的阻力等因素的影响，一机两塔改造后两塔并列运行时循环水不能均匀分配到2座冷却塔中，这时2座冷却塔的温升不同，就不能直接采用焓差法进行热力计算。此时，可以根据冷却塔并列运行的特点采取如下方法求解。

1）假设2座冷却塔分别为1、2号冷却塔，循环水流量分别为1和2（1＞2），进出水温度分别为11、12和21、22，进出水焓值分别为11、12和21、22，温升分别为∆1、∆2，等效温升为∆。

2）根据冷却塔的换热原理，相同的气候条件和冷却塔规格，淋水密度增加，冷却塔的换热效果降低[15]，故有∆1＜∆＜∆2。

3）根据上述关系，采用穷举法分别取1组足够数量的∆1和∆2，又已知1和2，可采用焓差法分别计算1组∆1、∆2对应的11、21，然后分别绘制出1、2号冷却塔各自不同温升与对应的循环水进水温度关系的曲线。采用回归分析法分别得到函数11=(∆1)和21=(∆2)。

4）根据并列运行冷却塔的特点，并列运行的2座冷却塔进水温度相同，故：

5）根据能量守恒原理，循环水在凝汽器内的吸热量等于循环水在冷却塔内的散热量，故有

6）联立式(5)、式(6)可计算得到∆1、∆2，进而求出11、21和12、22，完成冷却塔热力计算。

2.3 冷却塔蒸发损失分析

冷却塔蒸发水率计算公式为[12]

式中：e为蒸发损失水率；ZF为系数，1/℃。

根据并列运行的冷却塔的特点，2座冷却塔进塔干球空气温度相同，故ZF相等。则一机一塔运行时的蒸发损失为

一机两塔运行时总的蒸发损失为

由式(6)、式(8)、式(9)可得Z=Z′。因此，一机两塔和一机一塔的循环水蒸发损失相等。

3 计算实例

某电厂一期工程为超临界2×600 MW火电机组，采用带双曲线逆流式自然通风冷却塔的扩大单元制循环水系统。每台机组配1座冷却塔，2台循环水泵。2台机组的循环水母管管径为3 040 mm×16 mm。原设计运行方式为冬季采用一机一泵运行，春秋季采用二机三泵运行，夏季采用一机两泵运行方式。2018年，通过在2台机组的循环水回水母管设置3 040 mm×16 mm的联络管及隔离阀改造实现一机两塔运行。

以1号机组采用一机两泵两塔运行为例，根据设计条件，进行一机两塔运行时循环水系统阻力特性计算，得到汽轮机额定功率工况时的初始参数：凝汽 器温升7.76 ℃，1、2号塔循环水流量分别为45 288、26 352t/h，特性数1.960.53，大气压力99.55 kPa，湿球温度27.3 ℃，干球温度29.8 ℃。

将相关参数代入式(6)，可得

由于Q1＞Q2，根据冷却塔换热原理有∆t1＜7.76，∆t2＞7.76。在上述范围内，∆t1从大到小，∆t2从大到小，分别罗列出足够多和足够精度的∆t1和∆t2值，然后分别采用焓差法进行冷却塔的出塔温度和进塔温度计算，分别绘制1、2号冷却塔进水温度随各自温升变化曲线，如图2所示。

根据图2中的曲线分别拟合出2座冷却塔的进水温度随温升变化的函数：

由式(5)、式(11)和式(12)可得

由式(10)和式(13)联立可求得∆1=7.289 ℃，∆2=8.563 ℃；进而求出冷却塔进水温度11/21=37.838 ℃，1号冷却塔和2号冷却塔的出水温度分别为30.541 ℃和29.275 ℃。至此，并列运行冷却塔的热力计算完成。

根据上述结果可得，采用一机两塔并列运行时，凝汽器冷却水进水温度为30.078 ℃；而相同外部条件下，一机一塔运行方式时凝汽器冷却水进水温度为32.180 ℃，比前者高约2.102 ℃。采用同样方法可以求得当机组负荷分别为450、300 MW时，一机两塔比一机一塔分别降低约2.14、1.78 ℃。因此，一机两塔并列运行方式无论在额定负荷还是部分负荷均有显著的节能效果。

4 结 语

本文通过分析并列运行冷却塔的特点，综合运用焓差法、穷举法以及回归分析法给出一机两塔运行时冷却塔的热力计算方法并通过实例进行热力计算，可对相关改造项目的可行性研究以及运行节能分析提供有益的参考。

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Thermodynamic calculation method for natural ventilation cooling towers running in parallel

LIU Daoyuan1, ZHU Pengbo2, JIANG Guoce2, HUANG Qichuan1

(1. Huaizhe Coal & Power Fengtai Power Generation Branch Co., Ltd., Huainan 232131, China;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

At present, the study on thermodynamic calculation of cooling towers running in parallel is insufficient. On the basis of analyzing the characteristics of parallel operation of natural ventilation cooling towers, this paper carries out a comprehensive study on thermodynamic calculation methods for cooling towers in parallel operation, by using the enthalpy potential method, exhaustion method and regression analysis method. Moreover, combining with the practical examples, it verifies the effectiveness of the methods. The results show that, in parallel operation, the parameters of the two cooling towers, such as the structural type, climatic conditions, water inlet temperature, equivalent temperature rise, and the temperature rise of the cooling water flowing in and out of the condenser, are the same. The evaporation loss of the circulating water of one unit with double-tower and one unit with one tower are equal. Compared with the operating mode of one unit with one tower, the parallel operation of one unit with double-tower can save the energy significantly at different loads. The results can provide references for relevant renovation projects and the analysis on operational energy saving.

natural ventilation cooling tower, parallel operation, thermodynamic calculation, one unit with two towers, one unit with one tower, enthalpy difference method, exhaustion method

TK172

B

10.19666/j.rlfd.201905138

刘道远，朱蓬勃，姜国策，等. 并列运行的自然通风冷却塔热力计算方法[J]. 热力发电, 2019, 48(12): 134-137. LIU Daoyuan, ZHU Pengbo, JIANG Guoce,et al. Thermodynamic calculation method for natural ventilation cooling towers running in parallel[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 134-137.

2019-05-05

刘道远(1972)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为火电厂节能与环保技术，daoyuanemail@163.com。

（责任编辑 刘永强）