空气导流装置对大型自然通风湿式冷却塔性能影响研究

王明勇，闵昌发，贾继武，郑天帅，邓 佳，韩 立，王 斌

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.贵州粤黔电力有限责任公司，贵州 六盘水 553505；3.华能嘉祥发电有限公司，山东 济宁 273199）

冷却塔是发电厂冷端系统二次循环的重要部分，其冷却性能直接影响机组真空，从而影响机组节能减排效果和运行经济性[1]。文献[2]以某引进型300 MW机组为例进行了计算，其结果显示降低进水温度0.1 ℃，真空可提高0.026 kPa。文献[3]指出，循环水流量不变的前提下，由于冷却塔的冷却能力降低，导致出塔水温升高1 ℃时，200 MW机组煤耗增加1.107 g/(kW·h)，300 MW机组煤耗增加0.798 g/(kW·h)。文献[4]通过6座冷却塔的改造实例，证明了通过改造塔芯部件提高冷却塔的冷却能力，可以降低煤耗2~4 g/(kW·h)，带来显著的节能效果。由此可见，在保证冷却塔的结构安全、控制项目整体投资的前提下，通过科学手段提高冷却塔的冷却性能，进一步降低出塔水温，可有效提高机组真空，从而降低发电煤耗，减少机组碳排放，在提高机组运行经济性的同时，达到节能减排的目的。

冷却塔内通风量以及风速在填料区分布的均匀性是影响冷却塔冷却性能的重要因素，二者受周围环境大风的影响较大，特别是环境侧风对其会产生直接的不利影响[5]。国内外学者分别通过理论研究及模拟实验分析了环境侧风对冷却塔的影响。文献[6-8]通过数值计算及风洞模拟发现，自然风对进塔空气的流场存在较大影响，可以通过在上风向设置挡风墙来予以缓解。文献[9]认为环境侧风会使冷却塔进出口的压力分布发生改变，从而破坏进风的均匀性，安装挡风墙可以有效降低环境侧风的不利影响。文献[10-11]通过Fluent软件三维模拟计算，发现在环境风速为7.5 m/s时，冷却塔的出塔水温升高了1.7 ℃，其主要原因为侧风导致冷却塔内的水汽分布不均匀，在冷却塔进风口安装挡风墙可有效改善侧风情况下的冷却塔热力性能。文献[12]指出，十字隔墙可以减小环境侧风对冷却塔背风面雨区的冲击，取得一定的防风效果。上述研究通过模拟、计算等不同方法，一致分析认为环境侧风影响了冷却塔的进风均匀性，破坏了塔内流场，降低了冷却塔的冷却能力；通过加装挡风墙等装置，可以被动地降低环境侧风对冷却塔的影响。

然而，对于主动引导环境侧风进塔、均匀塔内流场分布这一思路，目前国内的研究基本停留在模拟计算的阶段，缺乏相关的现场试验数据作为支撑。文献[13]指出，环境侧风不仅降低了通风量，还破坏了冷却塔周向进风的均匀性，通过优化冷却塔周向进风，可以增强塔内传热传质均匀性，提高冷却效率。文献[14]认为，冷却塔中心区域空气的温度高湿度大，影响整体的冷却效果，通过在雨区外围加装导流板，使空气旋转上升，可以增加中心区域空气扰动，增强换热能力。

随着国内华能杨柳青电厂、华能黄台电厂、上海吴泾电厂、安徽蚌埠电厂等项目陆续安装冷却塔空气导流装置，针对这一技术的验证研究也越发迫切。目前国内安装空气导流装置的冷却塔，普遍为600 MW级或300 MW级机组配用，并且上述冷却塔环境年平均风速低于3 m/s，实际的应用效果并不明显，缺乏技术经验和示范效应。随着国内机组的大型化，冷却塔面积也越来越大，针对环境大风地区1 000 MW机组的自然通风冷却塔设置空气导流装置进行试验研究，不仅可以对这一技术进行有效验证，也可以为后续同类项目提供设计依据。

1 主要研究内容及测试工况

东南沿海地区某电厂冷端采用二次循环冷却塔方案，每台机组配置一座13 000 m2自然通风冷却塔，当地累计环境年平均风速5.27 m/s。为优化冷却塔进风方式，在1号冷却塔内按照常规方式设置了十字挡风墙，在2号冷却塔进风口人字柱外均匀设置了空气导流装置。塔芯部件为S型波淋水填料，PVC材质，采用不等高布置方式。内区、中区、外区填料组装高度分别为1.50、1.75、2.00 m。配水系统采用中央竖井，主水槽呈正交布置，配水管分双层，实行内外区分区配水。

1号、2号冷却塔布置在沿海区域，是台风多发地区，累年环境平均风速达5.27 m/s，为国内同类型工程之最。冷却塔周围及塔内的空气流场、温度场与平原地区相比，存在较大的差异，必须采取降低自然风不利影响的措施。

1.1 主要研究内容

通过对1号冷却塔（不设空气导流装置）和2号冷却塔（设置空气导流装置）分别进行热力性能实测，取得在不同机组负荷工况、不同环境侧风速条件下冷却塔的进塔水温、出塔水温、大气压力、进塔干球温度、进塔湿球温度、出塔气温、循环水量等热力性能测试数据，从而获得冷却塔冷却能力、热力特性曲线等。

通过测试结果与设计的冷却塔热力性能进行对比分析，对2号安装空气导流装置的冷却塔热力特性和冷却能力作出评价和分析；同时对比不同风速下2座冷却塔的性能，得到冷却塔热力性能随环境风速变化的趋势与规律。

1.2 测试工况

为比较不设空气导流装置的1号冷却塔和设置空气导流装置的2号冷却塔在环境风影响下的冷却性能，设置测试工况1—工况3，对应环境风速范围分别为0~3、3~5、5~8 m/s。

为保持2座冷却塔运行状态一致性，各工况测试过程中，1号、2号机组保持额定负荷稳定运行，循环水系统联络门关闭，循环水泵运行方式相同。2台机组均为100%负荷，2台循环水泵运行，以确保 2座冷却塔处于同一运行条件。

测试过程中，2台机组保持单元制运行，所有测试数据同步记录。

1.3 参数变化范围

测试过程中各工况的测量参数变化范围见表1。

表1 参数变化范围Tab.1 The parameter variation range

2 试验模型及计算方法

湿式冷却塔中，水向空气散热主要是蒸发散热与接触散热，以蒸发散热为主。这一热力过程中包含传热和传质2部分。针对蒸发散热的机理，美国的Irving Langmuir于1912年提出，蒸发的水分子首先在水的表面形成与水体同温的饱和空气层，随后再向大气中扩散[15]。德国的Merkel于1925年提出将水面饱和空气层与湿空气的焓差作为散热推动力，进一步将传热与传质2部分统一起来[15]。以此为基础，结合湿空气的状态方程，可以得到冷却塔计算的基本公式为

式中，Ω为冷却数，t1、t2分别为冷却塔进出水温，cw为水的比热容，h"为与水温对应的饱和空气比焓，h为湿空气比焓。

根据容积散质系数的定义，可以得到逆流式冷却塔的计算公式为

式中，Ka为容积散质系数，q为淋水密度，H为淋水填料高度。

根据《工业冷却塔测试规程》（DL/T 1027—2006），由实测工况参数，求出修正到设计条件下的冷却能力为

式中，ηsQ为实测冷却能力，Qc为修正到设计工况条件下的冷却水量，Qd为设计冷却水流量，Gt为实测进塔干空气量，λc为修正到设计工况条件下的气水比。

根据实测工况参数，最小二乘法拟合成热力性能方程式：

式中，λ为气水比，m为试验指数，A为系数。

根据《工业循环水冷却设计规范》（GB/T 50102—2014），在冷却塔出塔水温计算过程中，冷却塔的通风阻力系数为

式中，ζa为从冷却塔进风口至喉部的阻力系数（不包括雨区），ζb为淋水状态下的雨区阻力系数，ζe为冷却塔出口的阻力系数。

在环境风速数据的测量中，测点高度为距地2.5 m的上风向开阔地带，根据公式(5)来将其修正至10 m高程的风速数据：

式中：v2为10 m高程处的风速；v1为实测风速；z2=10 m，z1=2.5 m；α为风切变指数，由于缺乏当地不同高度的实测风速数据，此处α根据《风电场风能资源评估方法》（GB/T 18710—2002）取0.143（1/7）作为近似值。

3 试验结果分析

根据现场试验获得的实测数据，计算冷却塔在不同环境风速下的气水比与冷却数，并用最小二乘法将冷却数拟合成Ω=f(λ)方程式，按照环境风速与1号、2号冷却塔出塔水温差的对应关系，得到出塔水温差随环境风速的变化趋势。

3.1 冷却塔实测热力性能

试验按照DL/T 1027—2006进行测量。进出塔水温测点设置在中央竖井及回水沟，出塔空气温度设置在塔内人工通道上方。进水塔水温、出塔空气温度采用Pt-100型铂电阻温度计测量，仪表测量范围0~80 ℃，分辨率0.01 ℃，精度A级。用精密水银温度计对上述测点进行校核。精密水银温度计测量范围0~50 ℃，最小分度值0.1 ℃，精度0.2级。环境风速采用旋杯式风向风速仪，测量范围0~30 m/s，分辨率0.1 m/s。进塔水流量测点设置在上水母管具备测量条件处，采用超声波流量计测量，测量范围0~32 m/s，分辨率0.001 m/s，测量精度±1.0%。

受现场测试条件的限制，无法较大幅度地对冷却塔的循环水量进行调节，因而冷却塔的气水比变化幅度不大，在拟合Ω=f(λ)方程式时，本文选取设计冷却塔淋水填料热力性能方程式指数0.73来作为实测性能热力性能方程式的指数。

由于不同环境风速下冷却塔的热力性能存在一定程度的差别，因此，在对冷却塔的热力性能进行拟合时，根据实测数据的情况，将冷却塔热力性能方程式按照环境风速“v＜3 m/s”“3 m/s≤v＜5 m/s”“5 m/s≤v＜8 m/s”的不同，做了相应的分类，并分别进行拟合，具体结果见表2。

表2 冷却塔实测热力性能Tab.2 The measured thermal performance of cooling towers

从表2可以看出：随着环境风速的增大，2座冷却塔的热力性能均逐渐降低，不设空气导流装置的1号冷却塔的热力性能下降明显，设置空气导流装置的2号冷却塔的热力性能下降相对趋缓；相同气水比下冷却数表征了冷却塔综合热、质交换能力特性，在常用气水比下1号塔冷却数下降幅度超过2号塔，且风速越大，1号塔冷却数下降越大，1号塔冷却数与2号塔冷却数差值越大。

3.2 出塔水温差随环境风速变化趋势

2座冷却塔在不同环境风速下的出塔水温及温差数据见表3。

由表3可见：环境风速v＜3 m/s，2座冷却塔出塔水温基本一致，出塔水温差值变化范围为0.01~0.18 ℃；3 m/s≤v＜5 m/s，2座冷却塔出塔水温差值变化范围为0.24~0.61 ℃；5 m/s≤v＜8 m/s，2座冷却塔出塔水温差值变化范围为0.71~0.97 ℃。

综上所述，受环境风速的影响，不设空气导流装置的1号冷却塔比设置空气导流装置的2号冷却塔的出塔水温偏高，并且随着环境风速的不断增大，二者的出塔水温差也进一步升高。

在拟合的2座冷却塔实测性能热力性能方程式的基础上，将冷却塔循环水流量和机组负荷修正到同一状态下，可以得到2座冷却塔的修正出塔水温差值如图1所示。从图1可以看出，除个别工况点的水温差值互有高低外，修正的出塔水温差与实测的出塔水温差整体趋势保持一致。

4 结 论

1）在年平均环境风速较大地区，逆流式自然通风冷却塔设置空气导流装置可以有效降低环境风速对冷却塔热力性能的不利影响，与不设空气导流装置的冷却塔相比较，其热力性能随环境风速增加的下降趋势得以减缓，从而保证冷却塔热力性能相对良好，出塔水温满足机组凝汽器运行要求。

2）冷却塔在一机2台循环水泵、机组100%负荷率工况条件下，设置空气导流装置与不设空气导流装置相比较，环境风速v＜3 m/s、3 m/s≤v＜5 m/s、5 m/s≤v＜8 m/s时出塔水温差平均值分别为0.07、0.47、0.83 ℃。