火电厂超大冷却塔配水系统优化

王 东， 程 凯， 王志韩

(1. 河南水利与环境职业学院， 郑州 450008；2. 中国电力建设集团河南省电力勘测设计院有限公司， 郑州 450007)

目前，我国大中型火力发电厂超大冷却塔的配水方式大多采用中央竖井的槽管结合式的管式配水布置方案，即塔体内主进水管和主配水管为槽式，分配水管为管式配水系统。为减少压力损失，管道设计大多采用光滑硬聚氯乙烯塑料材质。淋水面积超过11 000 m2的冷却塔为超大冷却塔，国内对超大冷却塔配水系统的研究较少。王丰等[1]将遗传算法引入水力计算中，并提出了管式配水的优化计算方法；赵顺安等[2]对12 000 m2淋水面积的超大冷却塔进行了水力计算分析。国内对超大冷却塔配水系统的计算研究大部分只考虑配水主管、支管、中央竖井的压力损失，没有将喷头特性纳入计算，而喷头特性会对整个配水系统的均匀性产生影响。

为了提高配水系统计算的精确性，笔者利用管网流体分析软件PIPENET，对14 000 m2淋水面积的超大冷却塔配水系统(包括喷头、配水管网、中央竖井等)建立水力整体模型，并对管网进行水力计算和研究分析，以及对喷头进行优化选型。通过对多种工况条件下的计算结果进行分析研究，探究超大冷却塔配水系统的较优方案，以为超大冷却塔配水系统水力计算提供参考。

1 水力计算方法

1.1 计算原理

超大冷却塔配水系统水力计算主要分为管网设计计算和管网及喷头水力优化计算。管网设计计算主要包括管径赋值计算和管网系统水力验算优化。管径赋值计算是利用PIPENET软件建立管道规格类型库及配水管网模型(管径未知)，根据给定已知边界条件和允许最大流速，计算出所需的配水管管径。配水系统水力计算优化是依据计算得出的管径，进行管网水力计算和配水均匀性验证，通过计算调整管道布置和规格，最终保证配水系统均匀性。

水力计算主要采用Darcy-Weisbach公式计算沿程阻力和局部阻力；采用Gardel公式计算三通管路的局部压力损失，在计算分流阻力和直通阻力时考虑了分流流量比与面积比等因素，较符合配水管与喷头的三通管路特点，计算结果精度较高。

1.2 喷头特性模拟

冷却塔喷头采用反射Ⅱ型，喷头见图1。喷头下方有上下重叠的两层溅散盘，水向下冲击下层溅散盘后，上溅到上层溅散盘，通过两盘之间的溅散与反射形成直径较小的水滴。

图1 反射Ⅱ型喷头

喷头实测流量曲线见图2。

图2 喷头实测流量曲线

PIPENET软件自带喷头模型，通过设置喷头的管径、流量系数、缩颈系数，可得到性能参数与实际相符合的配水喷头。将所建喷头模型与实际检测数据进行对比分析，在相同压力条件下，喷头体积流量误差控制在3%，因此喷头模拟计算较为精确。喷头水力计算公式为：

(1)

式中：p为压力，Pa；A为过流面积，m2；qm为质量流量，kg/s；Cd为流量系数，取0～1.0；Cv为喷头缩颈系数，取0～1.0；ρ为水密度，kg/m3。

2 配水系统模型及参数设置

某电厂有2台1 000 MW机组，每台机组拟采用一座淋水面积为14 000 m2的双曲线逆流式自然通风冷却塔。配水采用单竖井、管槽结合配水型式。主水槽呈十字布置，2条主水槽为双层，2条主水槽为单层，均为混凝土结构。配水管采用硬聚氯乙烯塑料管。为避免冬季2台水泵运行时冷却水量减少引起喷头水压降低及出现挂冰现象，冷却塔采用内外分区配水方式，冬季仅外区配水。配水管间距为1 m；喷溅装置为TP-II型，间距一般为1 m。

由于超大冷却塔配水系统较为复杂，喷头和配水管道的数量也较多。因此，必须对计算模型进行简化处理。考虑到冷却塔配水管网是平面双向对称，水力计算采用冷却塔面积的四分之一。配水系统共有3 305个喷头，配水管和中央竖井等共有3 826根管道、6 963个节点。冷却塔配水系统分为3个区域(A区、B区、C区)，其中：A区为内围配水，B区和C区为外围配水。设置计算模型边界条件中央竖井供水体积流量为24 800 m3/h，喷头出口压力水头设置为0 m。对中央竖井、配水槽、配水管及喷头进行简化处理后，得到水力计算模型见图3。

图3 简化后的水力计算模型

3 计算及分析

3.1 水力计算工况

分析研究阶段主要依据设计阶段PIPENET软件计算得出的配水管网规格，利用内外围配水系统的喷头型号差异，选择不同工况进行计算分析，来验证配水系统是否满足配水均匀性要求，并通过对比多种工况得到较优方案，计算工况划分见表1。

表1 水力计算工况

冷却塔循环倍率取55，循环水体积流量为99 200 m3/h，则四分之一塔循环水体积流量为24 800 m3/h。

3.2 配水均匀性验证方法

同一区域内的水量应均匀分布，单个喷头体积流量与同一区域平均单个喷头体积流量相差应不大于5%。喷头群组合均布系数计算公式[3]为：

(2)

3.3 不同工况计算分析

通过对冷却塔在5个工况下的计算结果进行研究，得到冷却塔配水计算参数见表2。

表2 冷却塔配水系统计算参数

由表2可得：

(1) 内围(A区)配水较均匀，外围(B区和C区)配水均匀性相对较差。A区靠近中央竖井，配水槽和配水主管长度也较短，压力损失较小，作用在最近与最远喷头的压力变化较小，喷头流量也比较接近。B区和C区配水槽长度较长，并且不同配水管的长度差距较大，因此各喷头位置处的压力水头变化也较大，配水均匀性相对较差。

(2) 中央竖井水位随着喷头直径的增大而减小，主要因为在一定流量边界条件时，大直径喷头所需的压力水头较小，使用大直径喷头有利于减小循环水泵扬程。但是，均布系数随着喷头直径增大而增加，大直径喷头易造成配水不均匀，并且其造价较高，因此实际工程中并不是直径越大越好。

(3) 工况3和工况5的B区均布系数大于5%，配水均匀性较差；工况1比工况2和工况4的配水效果好，内围和外围的均布系数都较小。因此，选择工况1进行校核工况计算。

3.4 校核工况计算分析

冷却塔在工况1时，配水管网循环倍率分别为33(冬季时)、50、55、60的条件下，对配水均匀性进行校核验证计算，得到的结果见表3。由表3可得：选择工况1时，在不同配水条件下，该工况都能满足均匀性要求，可以将计算结果应用于实际工程中，因此将工况1作为推荐方案。

表3 冷却塔在工况1下配水管网验算数据

4 结语

以14 000 m2淋水面积的超大冷却塔为例，利用PIPENET软件对多工况下的配水系统进行水力计算分析，并对内外围配水喷头规格进行优化选型，得到的主要结论为：

(1) 采用工况1，即内围喷头直径为28 mm、外围喷头直径为30 mm的方案，配水系统水量分布较均匀，各区域均布系数均不大于5%，配水系统设计符合要求。同时，工况1配水管网在各工况下均能满足配水均匀性要求，可以应用于实际工程中。

(2) 利用PIPENET软件能较好地将内外围喷头和配水管网、配水槽、中央竖井等作为整体，以对配水系统进行水力计算，并能对内外围喷头进行选型优化，可为超大冷却塔水力计算提供参考。

研究中没有考虑冷却塔内外围配水区域风速对配水均匀性的影响，但其影响较小，计算结果精度可满足实际工程需求。