大型电站机械通风冷却塔群布置优化探析

中国华电集团有限公司 段喜民 赵迎九 华电重工股份有限公司 刘晓东

长期以来，冷却塔是化工、冶金、制药、酿造、发电等行业不可缺少的工业设备。根据冷却技术不同分为自然通风冷却塔和机械通风冷却塔[1]，其中机械通风冷却塔具有一次投资低、建设工期短的特点应用较多[2]，特别是在“一带一路”建设中成为海外电站项目中的首选设备。但由于机械通风冷却塔单台冷却水量较小，多为多排数台布置，形成冷却塔组或群，导致热回流现象和热干扰现象同时存在[3]，形成热气回流现象。受热气回流的影响冷却塔进风口处干球温度和湿球温度升高[3]，导致冷却塔出水温度升高，从而降低了冷却塔的冷却性能。

1 基本情况

某电站所在区域属于典型热带雨林气候无四季分别，北部受北半球季风影响7～9月降水量丰富，南部受南半球季风影响12月、1月、2月降水量丰富。由于夏季气象条件下热气回流对冷却塔性能影响最大，因此选择夏季10%气象为数值模型的输入条件：干球温度为28.1℃，湿球温度为26.2℃，大气压为1009.5hPa，风速为2.1m/s。考虑到风速2.1m/s为平均风速，而回流影响分析通常选择略大一点的短时风速，本项目中采用4m/s的风速（图1）。

冷却塔设计参数：每台机组配置18段机械通风冷却塔，16段运行2段备用，两台机组共配置36段，风机直径10.06m、电机功率200kW，塔群采用双侧进风方式。设计风量为3200000m3/h。每台机组的循环水量为84000m3/h，每段机械塔的循环水量为5250m3/h。进水温度为40℃，出水温度不高于32℃。机械塔的平面尺寸为20.4m×20.4m，塔高为17.9m，进风口高度为4.8m，填料底部标高5.5m，填料厚度为1.5m。冷却塔淋水填料为S波，材质为普通PVC材质，安装方式为搁置式。

冷却塔总体布置有两种方案：横向布置方案（图2）和斜向布置方案（图3）。横向布置时同一机组冷却塔之间的距离（后称“两侧塔排距离”）为70m，不同机组冷却塔塔排距离（后称“中间塔排距离”）为75m。斜向布置时两侧塔排距离和中间塔排距离都为65m。

2 技术路线

根据不同塔群布置方案，利用GAMBIT软件建立网格分析模型，利用FLUENT软件建立三维数值模拟分析模型；根据机械通风冷却塔一维模型计算10%气象工况条件下冷却塔出口气温和湿度，并将其作为三维模型的边界条件；利用三维计算模型，针对热空气回流情况建立多组分模型，研究温度分布、速度分布，统计出各个进风口的平均温度，给出热回流率；基于一维数值模型计算进风口空气的干球温度和湿球温度的升高值、出水温度的升高值，为建立厂用水系统[3]机械通风冷却塔设计条件的修正方法提供支撑。

3 热气回流研究

无风条件下热气回流分析：针对横向布置方案分析了无风条件下热气回流率。图4显示没有明显的热空气回流至进风口。通过统计36个塔的进风口温度，分析可知36个塔的平均回流率为0.6%，进风口干球温度升高幅度为0.06℃。这表明无风条件下热气回流对冷却塔性能影响较小可忽略不计。针对斜向布置的分析结果与上述相似，即无风条件下热气回流的影响亦可忽略不计。

不同风向条件下两种布置方案比较：由图5可知在年主导风向的自然风影响下热气回流现象明显。分析数据表明36个塔的平均热回流率为9.0%，进风口干球温度升高幅度为0.8℃；由图6可知在年主导风向的自然风影响下热气回流现象不明显。分析数据表明，36个塔的平均热回流率为2.0%，进风口干球温度升高幅度为0.2℃；图7显示横向布置的最不利风向是南风（与塔排风向垂直），回流率为10%。斜向布置的最不利风向也是南风，与塔排成45度角度。年次主导风方向为西北风，此时横向布置的回流率为9.6%，斜向布置的回流率为1.2%。夏季10%的次主导风向为东风，此时横向布置的回流率为1.3%，斜向布置的回流率为4.6%。考虑8个风向频率差异，斜向布置的回流率为3.8%，横向布置的回流率为7.6%。

上述分析表明，在年主导风向和自然风向条件下，斜向布置的回流率均小于横向布置，即斜向布置较优。

4 布置方案的进一步优化研究（排间距研究）

由于水泵房与冷却塔间的距离较近（16m）不宜再缩小。因此考虑水泵房的布置时不改变两侧塔排间距（保持65m），仅对中间塔排间距进行优化。图8～11分别为中间塔排间距改变时，回流率、进风口干球温度、进风口湿球温度和出水温度的变化情况，中间塔排间距由60m降至25m时，回流率变化幅度小于0.5%，进风口干球温度和湿球温度、出水温度的变化幅度均小于0.05℃，这表明中间塔排间距的大小对热气回流的影响较小，从经济性考虑结合厂区布置，中间塔排间距可减小至25m。

5 结语

这个项目机械通风量冷却塔集中布置问题采用FLUENT软件建立了机械通风冷却塔群三维分析模型，分别研究了无风、主导风向、自然风向条件下不同布置下的热气回流率，确定了较优的布置方案；并针对较优方案进一步分析了塔排间距对热气回流率、出水温度抬升值、进风口干湿球温度抬升值的影响，作出了进一步的优化布置方案。

主要研究成果如下：无风条件下可忽略热气回流对冷却塔热力性能的影响；主导风向、4m/s风速条件下，横向布置方案的回流率为9.0%，此时进风口湿球温度升高幅度为1.2℃，出水温度升高幅度为0.62℃。斜向布置方案的回流率2.0%，此时进风口湿球温度升高幅度为0.3℃，出水温度升高幅度为0.16℃，都小于横向布置，因此斜向布置方案较优；不考虑泵房、斜向布置时，塔排间距在25m至40m区间内回流率变化幅度较小，塔排间距在40m至60m区间内回流率随塔排间距增大而显著减小，综合考虑塔排间距为50m较优；主导风条件下，当保持两侧塔排间距不变（65m）、仅调整中间塔排距离时（25～65m）对热气回流率的影响小于0.5%，对进风口干球温度和湿球温度、出水温度的变化幅度均小于0.05℃，这表明中间塔排间距对热气回流的影响较小。