聞學(xué)宇+周艷娟

【摘 要】冷卻塔作為電廠冷端系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其冷卻能力特性直接關(guān)系到電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。目前大部分設(shè)計(jì)單位對(duì)于逆流式雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔的設(shè)計(jì)計(jì)算仍采用《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》中的焓差法，簡便的一維算法因能滿足大部分工程設(shè)計(jì)精度而得到廣泛應(yīng)用。

【Abstract】As one of the main equipment of cold end system， the cooling capacity of cooling tower is directly related to the safety and economy of power plant operation. At present， most design units still use the enthalpy difference method which is presented in the "Design Code of Industrial Circulating Cooling Water" to calculate and design the counterflow hyperbolic natural draft cooling tower， and the simple one-dimensional algorithm can be widely applied to meet the accuracy of most engineering design.

【關(guān)鍵詞】自然通風(fēng)冷卻塔，散熱修正系數(shù)，淋水面積，出塔水溫初始值

【Keywords】natural draft cooling tower； heat dissipation correction coefficient； water drenching area； initial water temperature of tower

【中圖分類號(hào)】TM621 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）12-0150-02

1 引言

發(fā)電廠建設(shè)在水資源不豐富的區(qū)域時(shí)通常會(huì)使用冷卻塔作為冷卻手段。為了獲得源源不斷的電能，工質(zhì)（一般為水）就需要在熱源及冷源間實(shí)現(xiàn)循環(huán)做功。這里的冷源就是通過循環(huán)冷卻水實(shí)現(xiàn)的，汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)的乏汽在凝汽器內(nèi)被管束外部的循環(huán)冷卻水冷卻凝結(jié)成為飽和水。循環(huán)冷卻水吸熱后溫度升高，溫度升高的冷卻水被送至冷卻塔內(nèi)與空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，冷卻水通過放熱后溫度下降，空氣溫度升高變?yōu)闈駸峥諝夂笈胖链髿猸h(huán)境中去，溫度降低的冷卻水落入冷卻塔集水池后通過循環(huán)水溝流至循環(huán)水泵吸水池，循環(huán)水泵將冷卻水升壓后至凝汽器再次進(jìn)行換熱，以此循環(huán)的過程。

冷卻塔在這個(gè)循環(huán)中所起到的作用是與空氣冷源進(jìn)行換熱，循環(huán)水系統(tǒng)中的冷卻水通過配水裝置進(jìn)入噴淋區(qū)并依次通過填料區(qū)及雨區(qū)，其中填料區(qū)中的傳熱傳質(zhì)過程為冷卻塔內(nèi)高溫冷卻水與低溫空氣換熱過程的核心。冷卻塔如果設(shè)計(jì)合理，則冷卻塔出水溫度在合理范圍內(nèi)較低，這樣就能使汽輪機(jī)低壓缸保持合適的真空度，使機(jī)組熱效率保持較高的水平。因此研究冷卻塔是非常有必要和有經(jīng)濟(jì)效益的。

2 一維算法

目前冷卻塔設(shè)計(jì)采用的算法仍是由麥克爾在1925年給出的焓差法。麥克爾以空氣層中的焓與濕空氣中的焓之間的差值作為水面向空氣中散熱的推動(dòng)力給出了推導(dǎo)經(jīng)典焓差法公式的過程。焓差法的麥克爾公式可求解出冷卻數(shù)即冷卻任務(wù)，而冷卻塔淋水填料熱交換特性公式可求解出冷卻塔的冷卻性能，在冷卻任務(wù)與冷卻性能相同的條件滿足時(shí)冷卻塔的熱力計(jì)算完畢，然后再通過冷卻塔的升力與阻力平衡計(jì)算進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。在冷卻塔熱力與動(dòng)力計(jì)算都平衡時(shí)，循環(huán)冷卻水出水溫度能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，所設(shè)計(jì)的冷卻塔就是應(yīng)該在實(shí)際工程中選用的。

關(guān)于一維計(jì)算方法在《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》中已經(jīng)給出了具體的計(jì)算公式，此處就不再一一列舉。本文僅對(duì)一維算法中某些參數(shù)的選取進(jìn)行分析，正確選取計(jì)算參數(shù)以期得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

2.1 熱力特性表達(dá)式

熱力特性是指填料的冷卻能力，不同的填料及布置方式有不同的表達(dá)式，這些經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式是由工業(yè)塔進(jìn)行試驗(yàn)，再通過得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合公式化分析得到的，具體試驗(yàn)及擬合公式的方法可參考《冷卻塔淋水填料、除水器、噴濺裝置性能試驗(yàn)方法》。因此選擇一個(gè)精確和擴(kuò)展性能較好的熱力特性表達(dá)式是冷卻塔精確計(jì)算的關(guān)鍵一步。在《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》的2003年版本中給出了部分逆流式冷卻塔填料的熱力特性表達(dá)式，而這些表達(dá)式計(jì)算的填料高度均為1m，因此在選擇非1m高度的填料進(jìn)行計(jì)算時(shí)參考的計(jì)算公式需要自行查找資料。中國水利水電科學(xué)研究院對(duì)逆流式自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行了大量試驗(yàn)，在《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》2014年版中給出了不同填料不同布置形式下的熱力表達(dá)式，大大擴(kuò)展了用于逆流式冷卻塔設(shè)計(jì)精確的基礎(chǔ)公式[1]。

由于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在工業(yè)冷卻塔或試驗(yàn)裝置試驗(yàn)時(shí)同時(shí)考慮配水區(qū)、淋水填料區(qū)及雨區(qū)三部分混在一起測(cè)試出來的，而實(shí)際設(shè)計(jì)的冷卻塔進(jìn)風(fēng)口高度與工業(yè)冷卻塔或試驗(yàn)裝置尾部冷卻高度存在差值，因此在某些情況下作為冷卻能力的熱力表達(dá)式需要進(jìn)行修正處理。中國水利水電科學(xué)研究院與東北電力設(shè)計(jì)院合作完成了此項(xiàng)工作并得到由于進(jìn)風(fēng)口高度不同附加的冷卻數(shù)的計(jì)算公式。

鑒于對(duì)冷卻數(shù)修正擴(kuò)展的考慮，筆者認(rèn)為在計(jì)算冷卻塔冷卻數(shù)時(shí)應(yīng)首選中國水利水電科學(xué)院給出的熱力特性表達(dá)式。

2.2 蒸發(fā)水量散熱修正系數(shù)

循環(huán)水在冷卻塔填料中與濕空氣換熱工程中存在蒸發(fā)現(xiàn)象，循環(huán)水量在冷卻過程中不是常量，因此在計(jì)算冷卻數(shù)時(shí)需要考慮蒸發(fā)水量所帶走熱量引起的修正?！豆I(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》中也給出了蒸發(fā)水量帶走熱量的修正系數(shù)，對(duì)于修正系數(shù)在麥克爾公式的左右兩端位置不同很多規(guī)范也給出了不同的意見。筆者在這個(gè)問題上的考慮是冷卻塔填料試驗(yàn)中如果考慮了修正系數(shù)的影響時(shí)，冷卻數(shù)計(jì)算也需考慮修正系數(shù)的影響[2]。而在《冷卻塔淋水填料、除水器、噴濺裝置性能試驗(yàn)方法》中明確了熱力特性公式是由考慮修正后的冷卻數(shù)來擬合出公式的系數(shù)的，因此在進(jìn)行算法程序設(shè)計(jì)時(shí)將修正系數(shù)位于麥克爾公式的積分端。

2.3 淋水面積

淋水面積是逆流式自然通風(fēng)冷卻塔的重要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因此在用于熱力及動(dòng)力計(jì)算時(shí)選取合適的淋水面積尤為重要。在《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》2014年版中刪除了2003版中“淋水面積應(yīng)采用淋水填料頂部可淋到水并充分通風(fēng)的面積”的條文。在冷卻塔設(shè)計(jì)中往往提出的淋水面積是名義淋水面積，是填料頂部所有面積的數(shù)值。在實(shí)際冷卻塔填料區(qū)換熱時(shí)往往會(huì)受到淋水構(gòu)架及配水構(gòu)筑物所占面積和體積的影響，如果不考慮這部分影響將會(huì)使計(jì)算得出的冷卻能力略大，這樣對(duì)于生產(chǎn)是不安全的，因此筆者認(rèn)為在進(jìn)行熱力計(jì)算時(shí)需要扣除構(gòu)筑物所占的這部分面積得到有效淋水面積用于熱力計(jì)算是合理的。在動(dòng)力計(jì)算時(shí)，僅考慮斷面風(fēng)速的作用，因此在全塔阻力計(jì)算時(shí)可采取名義淋水面積進(jìn)行計(jì)算。

2.4 出塔水溫初始值

在冷卻塔計(jì)算的初始迭代過程中需要假設(shè)一個(gè)出塔水溫值。逆流式自然通風(fēng)冷卻塔實(shí)際運(yùn)行中的通風(fēng)量是有限的，冷卻后水溫不可能冷卻到冷卻極限即濕球溫度，因此出塔水溫初始值應(yīng)設(shè)定為濕球溫度用于迭代起始點(diǎn)。但在北方地區(qū)考慮到安全運(yùn)行，冬季運(yùn)行出塔水溫需要保持在12℃以上，因此冬季計(jì)算時(shí)需要考慮出塔水溫初始值不能太低，需要同時(shí)考慮分區(qū)配水、循環(huán)水旁路及懸掛擋風(fēng)板降低進(jìn)風(fēng)口高度等計(jì)算輸入來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮到保護(hù)措施后出塔水溫初始值可先從5℃進(jìn)行迭代計(jì)算[3]。

3 擬二維算法

在冷卻塔淋水面積小于8000m2時(shí)用一維算法進(jìn)行冷卻塔計(jì)算還是比較準(zhǔn)確的，這是因?yàn)槔鋮s塔中流場近似于一維，而在淋水面積超過8000m2并不大于13000m2的冷卻塔雨區(qū)內(nèi)氣流流場為二維，而在填料及噴淋區(qū)中仍可近似為一維流場，因此可將冷卻塔雨區(qū)單獨(dú)拿出來并進(jìn)行試驗(yàn)，通過模擬試驗(yàn)得出冷卻塔雨區(qū)計(jì)算方法。用得出的雨區(qū)熱力公式再加上對(duì)填料及噴淋區(qū)一維模擬塔試驗(yàn)結(jié)果就可以利用一維算法來進(jìn)行關(guān)于冷卻塔的熱力計(jì)算，結(jié)果近似等同于二維流場計(jì)算結(jié)果，用這種簡單算法可避免一維算法中流場近似的缺陷，而又不必進(jìn)行非常復(fù)雜的二維計(jì)算。在淋水面積超過13000m2的情況下填料及噴淋區(qū)也呈現(xiàn)為二維流動(dòng)，因此此時(shí)需要配合試驗(yàn)或數(shù)值模擬來進(jìn)行超大型冷卻塔設(shè)計(jì)計(jì)算比較穩(wěn)妥。

因此筆者認(rèn)為一般情況下冷卻面積不超過13000m2時(shí)用擬二維算法進(jìn)行冷卻塔計(jì)算是最為簡便有效的算法。

4 結(jié)論

通過分析逆流式自然通風(fēng)冷卻塔程序設(shè)計(jì)中遇到的問題，筆者對(duì)于冷卻塔計(jì)算粗淺的體會(huì)即為：①選擇擴(kuò)展性比較好并且精確的熱力特性表達(dá)式；②蒸發(fā)水量散熱修正系數(shù)在麥克爾公式積分端考慮；③淋水面積應(yīng)在熱力與動(dòng)力計(jì)算時(shí)分別考慮不同的取值；④出塔水溫初始值的設(shè)定考慮為濕球溫度；⑤采用擬二維算法可提高冷卻塔計(jì)算的準(zhǔn)確性及有效性。

【參考文獻(xiàn)】

【1】趙振國. 冷卻塔[M]. 北京：中國水利水電出版社，2001.

【2】趙振國，石金玲，周常虹，等. 冷卻塔雨區(qū)的熱力特性[J]. 水利學(xué)報(bào)，2000（3）：12-18.

【3】趙振國，石金玲，周常虹，等. 冷卻塔的一個(gè)新的熱力計(jì)算方法——用一維方法作二維計(jì)算[J]. 水利學(xué)報(bào)，2002（2）：8-16.