馬 麟，趙順安，2，章立新

（1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093； 2.中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

冷卻塔熱力性能評價方法的對比分析

馬 麟1，趙順安1，2，章立新1

（1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093； 2.中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

冷卻塔的冷卻能力是衡量其性能的重要參數(shù)，多數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)對冷卻能力的評價方法可分為冷卻水量法與冷卻水溫法。本文通過一組實測數(shù)據(jù)對比分析了冷卻水量法與冷卻水溫法這兩種評價方法以及各標(biāo)準(zhǔn)間的差異性及存在問題，得出國內(nèi)測試標(biāo)準(zhǔn)的冷卻水溫法評價結(jié)果比冷卻水量法和美國CTI標(biāo)準(zhǔn)評價結(jié)果均偏差約2.3%的結(jié)論。并分析出主要原因是標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計水溫差計算時風(fēng)量取值為實測風(fēng)量，為以后標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供了技術(shù)支持。

冷卻塔；熱力性能評價方法；對比分析；差異性

1 研究背景

冷卻塔是將冷卻水在其內(nèi)與大氣充分直接或間接接觸，使水的熱量傳給大氣的一種設(shè)備［1］，在工業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中應(yīng)用十分廣泛。如電力行業(yè)中，作為提高凝汽器真空度的冷端設(shè)備，冷卻塔的性能好壞直接影響發(fā)電機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)性；又如化工行業(yè)和冶金行業(yè)中，各種機(jī)械設(shè)備正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量如不能通過冷卻塔及時排出，嚴(yán)重時會造成設(shè)備的癱瘓從而停滯生產(chǎn)。因此，有必要對冷卻塔的實際運行狀態(tài)進(jìn)行檢測及性能計算，來評價冷卻塔的真實冷卻能力。

目前，國內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)［2-5］關(guān)于冷卻塔熱力性能的評價方法主要分為：冷卻水量法及冷卻水溫法。冷卻水量法是根據(jù)實測工況參數(shù)，求出修正到設(shè)計工況條件下的冷卻水量，再與設(shè)計水量相比來評價；而冷卻水溫法是根據(jù)實測工況參數(shù)，按冷卻塔熱力性能曲線或公式，計算出實測參數(shù)下冷卻水溫差并與該工況下的實測冷卻水溫差之比來評價。無論哪種方法，冷卻塔的冷卻能力實質(zhì)均應(yīng)該是實際表現(xiàn)與設(shè)計表現(xiàn)的比值。兩者除計算公式不同外，在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中也有部分差異，如關(guān)于冷卻數(shù)的計算：文獻(xiàn)［2］采用辛普森公式，日本標(biāo)準(zhǔn)［5］與美國CTI標(biāo)準(zhǔn)［6］采用切比雪夫公式；關(guān)于風(fēng)量的計算：文獻(xiàn)［3］、美國CTI標(biāo)準(zhǔn)［6］采用風(fēng)機(jī)軸功率來計算，文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［4］及日本標(biāo)準(zhǔn)［5］等卻優(yōu)先采用皮托管測定風(fēng)速來計算。關(guān)于不同標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，部分學(xué)者進(jìn)行了對比研究，如李德興［7］對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與美國CTI標(biāo)準(zhǔn)做了對比分析，認(rèn)為其最大不同是測量上的實施細(xì)則（測量風(fēng)量、水量等），其他條款相近；日本手?？∫唬?］對比日本標(biāo)準(zhǔn)與美國CTI標(biāo)準(zhǔn)后，認(rèn)為美國CTI標(biāo)準(zhǔn)最大不同是評價時對實測水量和實測風(fēng)量限制過嚴(yán)（須均接近設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值），如若偏差較大則難以得到正確的性能評價等等。而關(guān)于冷卻水量法與冷卻水溫法兩種評價方法，是否會造成評價結(jié)果的差異，目前還未有學(xué)者做過這方面對比研究。本文以一個實測案例對冷卻水量法與冷卻水溫法進(jìn)行了比較，并將各個標(biāo)準(zhǔn)［2-6］一同對比。發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［4］中的冷卻水溫法評價結(jié)果較冷卻水量法評價結(jié)果偏差了約2.3%；各標(biāo)準(zhǔn)間的評價結(jié)果基本一致。

2 冷卻能力評價方法

2.1 冷卻水量法各個冷卻塔測試標(biāo)準(zhǔn)［2-5］關(guān)于冷卻水量法的規(guī)定基本相同，即根據(jù)塔的實測工況參數(shù)，求出修正到設(shè)計工況條件下的氣水比λc和冷卻水量Qc，再與設(shè)計水量Qd相比（如圖1）。圖中：N為冷卻塔的冷卻數(shù)；λ為氣水比，即進(jìn)塔干空氣量與進(jìn)塔水流量的比值。

圖1 冷卻水量法計算示意

圖2 冷卻水溫法計算示意

評價指標(biāo)為：

式中：ηsq為評價指標(biāo)，%；G實為實測進(jìn)塔干空氣流量，kg/h；λc為修正到設(shè)計工況下的氣水比；Qc為修正到設(shè)計工況下的進(jìn)塔水流量，kg/h；Qd為設(shè)計冷卻水流量，kg/h。

2.2 冷卻水溫法除冷卻水量法外，標(biāo)準(zhǔn)［2-5］中關(guān)于冷卻水溫法的規(guī)定也基本相同，均是根據(jù)實測工況參數(shù)，按設(shè)計或制造單位提供冷卻塔的熱力性能曲線或公式，計算出實測參數(shù)下冷卻水溫差Δtt′與該工況下的實測冷卻水溫差Δtt之比（如圖2），評價指標(biāo)為：

式中：ηst為評價指標(biāo)，%；Δtt為實測的進(jìn)出塔水溫差，Δtt=實測進(jìn)塔水溫-實測出塔水溫，℃；Δtt′為修正到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況后的進(jìn)出塔水溫差，Δtt′實測進(jìn)塔水溫-修正后出塔水溫，℃。不同的是，日本標(biāo)準(zhǔn)［5］在計算出塔水溫時采用設(shè)計進(jìn)塔干空氣流量；而文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］卻采用實測進(jìn)塔干空氣流量，此計算結(jié)果并不能代表冷卻塔應(yīng)有的設(shè)計溫差。

2.3 美國CTI標(biāo)準(zhǔn)的特性曲線評價法美國CTI標(biāo)準(zhǔn)在國際上應(yīng)用較為廣泛，已被許多國家接受作為評價冷卻塔熱力性能的依據(jù)［9］，故選此標(biāo)準(zhǔn)作為本次研究的對比參照。此評價方法與上述的冷卻水量法基本相同，即：

所不同的是冷卻數(shù)計算采用切比雪夫公式。另外進(jìn)塔干空氣流量不是直接測定的，而是先測定其風(fēng)機(jī)功率，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率再計算進(jìn)塔干空氣量。采用下式計算：

式中：Gt、Gd分別為實際進(jìn)塔干空氣流量、設(shè)計進(jìn)塔干空氣流量，kg/h；vt、vd分別為實測進(jìn)塔干空氣比體積、設(shè)計進(jìn)塔干空氣比體積，m3/kg；Pt、Pd分別為實測風(fēng)機(jī)軸功率、設(shè)計風(fēng)機(jī)軸功率，kW；ρt、ρd分別為實測進(jìn)塔濕空氣密度、設(shè)計進(jìn)塔濕空氣密度，kg/m3。

2.4 實測工況水量評價法在采用冷卻水量法進(jìn)行評價計算時，各標(biāo)準(zhǔn)從冷卻能力的概念出發(fā)，將實測參數(shù)核算到設(shè)計工況。也可將設(shè)計參數(shù)核算到實測工況來評價，即：先根據(jù)塔的設(shè)計工況參數(shù)，求出修正到實測工況條件下的氣水比λ′c和冷卻水量Q′

c，再將實測冷卻水量Q實與之相比（如圖1）。評價指標(biāo)按下式計算：

式中：G設(shè)為設(shè)計進(jìn)塔干空氣流量，kg/h；λ′c為修正到實測工況條件下的氣水比；Q′

c為修正到實測工況下的進(jìn)塔水流量，kg/h；Q實為實際冷卻水流量，kg/h。

2.5 設(shè)計工況水溫評價法同2.4節(jié)，在運用冷卻水溫法進(jìn)行評價計算時，也可將實測參數(shù)核算到設(shè)計工況，具體為：根據(jù)設(shè)計工況參數(shù)，按實際冷卻塔的熱力性能曲線或公式計算出設(shè)計參數(shù)下的冷卻水溫差Δt′d，與設(shè)計冷卻水溫差Δtd相比（如圖2）。評價指標(biāo)按下式計算：

式中：Δtd為設(shè)計冷卻水溫差，Δtd=設(shè)計進(jìn)塔水溫-設(shè)計出塔水溫，℃；Δt′d為修正到實測工況后的進(jìn)出塔水溫差，Δt′d為設(shè)計進(jìn)塔水溫-修正后出塔水溫，℃。

2.6 匯總各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于冷卻塔熱力性能的評價方法主要分為兩種：冷卻水量法與冷卻水溫法。所核算的工況也分兩種：設(shè)計工況與實測工況。表1將上述評價方法、所核算工況及涉及的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了匯總，如下：

表1 各類評價方法匯總

3 評價方法對比分析

3.1 實測案例本文采用了一組實測數(shù)據(jù)來進(jìn)行各個評價方法的對比分析。其中設(shè)計參數(shù)和驗收測量值見表2。

表2 設(shè)計參數(shù)與驗收測量值

表3 不同公式下N值計算結(jié)果

設(shè)計熱力性能公式為：N=1.3λ0.61

3.2 冷卻數(shù)N計算的差異各標(biāo)準(zhǔn)［2-6］對于冷卻數(shù)N的計算公式主要分為兩種：辛普森公式和切比雪夫公式。計算結(jié)果見表3。

由于各標(biāo)準(zhǔn)對k值（蒸發(fā)水量帶走熱量的修正系數(shù)）的選用存在差別（文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］選用k值進(jìn)行計算，而文獻(xiàn)［1］文獻(xiàn)［5］文獻(xiàn)［6］不選用k值），所得出的冷卻數(shù)也稍有偏差，其中設(shè)計值最大偏差6%，實測值最大偏差7%。

表4 冷卻水量法與冷卻水溫法評價結(jié)果

3.3 冷卻水量法與冷卻水溫法評價結(jié)果對比各個標(biāo)準(zhǔn)［2-5］采用冷卻水量法與冷卻水溫法評價計算后的結(jié)果見表4。需要說明的是：文獻(xiàn)［3］在2008年進(jìn)行修訂時，對于冷卻水量超過1000t/h的冷卻塔，性能評價方法由水溫降對比法（冷卻水溫法）改為冷卻水量法。

可以看出，針對本次案例，文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］中的冷卻水量法評價結(jié)果較冷卻水溫法偏差了2.3%；文獻(xiàn)［5］中的冷卻水量法評價結(jié)果與冷卻水溫法是一致的。各個標(biāo)準(zhǔn)中采用冷卻水量法進(jìn)行評價后的結(jié)果亦均一致。

3.4 各標(biāo)準(zhǔn)評價結(jié)果對比將文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］中的實測進(jìn)塔干空氣量改為設(shè)計進(jìn)塔干空氣量后進(jìn)行評價，其結(jié)果同其他標(biāo)準(zhǔn)及方法的評價結(jié)果進(jìn)行對比，見表5。

表5 各標(biāo)準(zhǔn)間評價結(jié)果

可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)間的評價結(jié)果均無差別，說明k值的選用對各個標(biāo)準(zhǔn)、各個方法的評價結(jié)果影響較小。此外，設(shè)計工況水量評價法、實測工況水溫評價法的評價結(jié)果較其他標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

3.5 數(shù)據(jù)分析

3.5.1 冷卻水量法與冷卻水溫法差別 文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］中冷卻水溫法較冷卻水量法的評價結(jié)果偏差了2.3%，在經(jīng)過將設(shè)計風(fēng)量代替實測風(fēng)量進(jìn)行評價計算后，其結(jié)果才達(dá)成一致。說明偏差因素僅僅是實測干空氣量導(dǎo)致的，究其原因，是因為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量屬于設(shè)定好的參數(shù)（即設(shè)計條件），不可隨意變動。而文獻(xiàn)［5］中兩種評價方法的評價結(jié)果本就一致，說明冷卻水量法與冷卻水溫法均能真實客觀的反映冷卻塔的熱力特性。

另外，當(dāng)冷卻塔在進(jìn)塔水量偏離設(shè)計水量或在進(jìn)塔水溫偏離設(shè)計進(jìn)塔水溫等條件下運行時，實測出塔水溫往往達(dá)不到預(yù)期效果，且偏離程度越大，效果越差，這在一定程度上會影響冷卻水溫法與冷卻水量法的真實評價。且在評價計算過程中由于冷卻水量法受實測進(jìn)塔干空氣量的限制更嚴(yán)（實測干空氣量與水量、進(jìn)塔水溫等相關(guān)聯(lián)：水量變化會影響淋水密度和塔阻的變化，進(jìn)而影響風(fēng)量；入塔水溫會造成空氣密度的變化亦會影響風(fēng)量），其評價結(jié)果的偏差會比冷卻水溫法更大。

3.5.2 各標(biāo)準(zhǔn)差別 各個標(biāo)準(zhǔn)間主要存在參數(shù)取值、k值選取、計算公式等差別。經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)，參數(shù)取值與計算公式造成的偏差可忽略不計，只有k值選取會對冷卻數(shù)計算造成較大偏差，但并不影響其評價結(jié)果的一致。說明就同一組數(shù)據(jù)而言，各個標(biāo)準(zhǔn)均能得出相一致的評價結(jié)果。

3.5.3 實測工況水量評價法、設(shè)計工況水溫評價法的差別 這兩種方法從冷卻概念角度來看，與冷卻水量法、冷卻水溫法并無差別，僅是核算工況相反。其評價結(jié)果的偏差在0.1%以內(nèi)，屬于合理范圍。因此不失為一種有效評價冷卻塔性能的新方法。

4 結(jié)論

在經(jīng)過對比分析了冷卻水量法與冷卻水溫法以及各標(biāo)準(zhǔn)間的差異性后，得出以下結(jié)論：（1）各個標(biāo)準(zhǔn)對于k值（蒸發(fā)水量帶走熱量修正系數(shù)）的選用雖存在差別，但不影響最后對冷卻塔性能結(jié)果的評價，建議在冷卻塔性能評價計算中k值取1。（2）國內(nèi)測試標(biāo)準(zhǔn)中冷卻水溫法的評價結(jié)果比冷卻水量法偏差約2.3%。是因為冷卻水溫法中的風(fēng)量取值存在問題，應(yīng)將實測進(jìn)塔干空氣流量改為設(shè)計進(jìn)塔干空氣流量，建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時予以修正。（3）各個標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行冷卻塔評價計算時，無論是核算到設(shè)計工況還是實測工況，對同一組數(shù)據(jù)均能得出相一致的結(jié)果。

［1］ 趙順安.冷卻塔工藝原理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

［2］ 東北電力設(shè)計院.DL/T1027-2006工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程［S］.中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2006.

［3］ 機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計研究院，中國水利水電科學(xué)研究院，上海交通大學(xué)，等.GB/T7190.2-2008玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔第2部分：大型玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔［S］.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2008.

［4］ 西安建筑科技大學(xué)，國家電力公司東北電力設(shè)計院，國家電力公司熱工研究院，等.CECS118-2000冷卻塔驗收測試規(guī)程［S］.中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)，2000.

［5］ 日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)原案作成委員會.JISB8609-2008，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的性能試驗［S］.日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2008.

［6］ Cooling Technology Institute.CTIATC-105-2000 Acceptance Test Code forWater Cooling Towers［S］.American National Standards，2000.

［7］ 李德興.冷卻塔熱力性能驗收評價方法的運用［J］.工業(yè)用水與廢水，2011，42（2）：69-71.

［8］ 孫格非.機(jī)械通風(fēng)式冷卻塔的熱工性能換算方法、試驗標(biāo)準(zhǔn)和評價方法（二）［J］.制冷技術(shù)，1987（3）：1-8.

［9］ 楊國棟.冷卻塔性能評價［J］.制冷，2005（增刊）：85-87.

Comparative analysis of cooling tower thermal performance evaluation method

MA Lin2，ZHAO Shunan1，2，ZHANG Lixin1
（1.University ofShanghaiforScienceand Technology，SchoolofEnergy and PowerEngineering，Shanghai 200093，China；2.DepartmentofHydraulics，China InstituteofWaterResourcesand HydropowerResearch，Beijing 100038，China）

The cooling ability is one ofimportant parameters tomeasure the capacity of the cooling tower.Generally speaking，the current cooling ability evaluationmethod consists ofthe coolingwateryieldmethod and the coolingwater temperaturemethod.The studymade a comparative analysis ofthe two kinds ofcooling evaluationmethods though a group of testing data aswell as the distinctions and limitations between the different standards.The resultmade a conclusion that there exists a 2.3%deviation ofthe evaluation resultbetween the domestic coolingwater yieldmethod and the coolingwater temperaturemethod aswellas the American CTIevaluation standard.In addition，the causation ofthe resultswasalso analyzed，whichmainly owns to the airvolumewhich is calculated as themeasured airvolume during the design ofwater temperature difference calculation ofthe standard，which provides the technical supportfor the furtherstandardmodification.

cooling tower；cooling ability evaluationmethod；Comparative analysis；the distinctions

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.03.008

1672-3031（2017）03-0213-05

（責(zé)任編輯：李福田）

2017-01-20

馬麟（1992-），男，河北邯鄲人，碩士生，主要從事冷卻塔方面的研究。E-mail：791813689@qq.com