自然通風(fēng)冷卻塔擬二維熱力計算模型分析

賀達，丁偉

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

冷卻塔是核電廠的重要冷端設(shè)備之一, 其冷卻性能的好壞直接影響整個電廠運行的經(jīng)濟性和安全性.冷卻塔的出塔水溫是衡量冷卻塔冷卻性能的重要技術(shù)指標[1-4]。隨著冷卻塔出口水溫的降低，電廠熱效率逐漸提高。對于200MW核電機組，冷卻塔出口水溫每下降1℃，凝汽器真空提高約300Pa，機組熱循環(huán)效率可提高0.2%～0.3%。

在冷端優(yōu)化設(shè)計過程中，采用動態(tài)經(jīng)濟分析的年總費用最小法進行經(jīng)濟評價，冷卻塔出塔水溫直接影響凝汽器的進水溫度，進而影響凝汽器的背壓、汽輪機的微功與熱耗特性，并最終影響冷端系統(tǒng)的年總運行費用。因此，采用不同冷卻塔熱力性能計算模型最終的優(yōu)化結(jié)果將會產(chǎn)生差異。

我國現(xiàn)行的冷卻塔設(shè)計計算模型以一維模型為主，一維冷卻塔熱力計算模型主要包括焓差模型、壓差模型以及在文獻[5]中提出的擬二維模型。在實際工程中，冷端優(yōu)化設(shè)計主要采用焓差模型以及壓差模型，擬二維模型應(yīng)用較少。本文通過文獻[5]中提出的擬二維計算模型，編寫程序與焓差模型、壓差模型計算結(jié)果進行比較計算，分析了各有關(guān)參數(shù)對冷卻塔熱力計算結(jié)果的影響。

1 冷卻塔熱力計算模型簡介

1.1 焓差模型

焓差理論以麥克爾方程[6]為基礎(chǔ)，將傳熱與傳質(zhì)兩個過程用一個以焓差為推動力的過程來表達。

水所損失的熱量與空氣所獲得的的熱量相等，即：

cqdt=gadi

(1)

式中：i為濕空氣焓，kJ/kg。

水到空氣的熱量傳遞，用焓差表示為：

cqdt=βxv(i'-i)dz

(2)

式中：i’為水溫t時的飽和空氣焓，kJ/kg。

將式(2)改寫為積分形式，即：

(3)

對于式(3)右邊的積分，采用新普遜積分法簡化為：

1.2 壓差模型

空氣未飽和時：

(4)

(5)

(6)

式中：Pa為大氣壓力，βpv為容積散質(zhì)系數(shù)，kg/(m3·h·Pa)；αv為散熱系數(shù)，kJ/(m3·h·℃)；Cw為濕空氣的比熱，kJ/(kg·℃)；g為重量風(fēng)速，kg/(m2·s)；C為水的比熱，kJ/(kg·℃)；q為淋水密度，kg/(m2·s)；γw為水的汽化熱，kg/kJ。

空氣飽和時：

(7)

(8)

1.3 擬二維模型

在逆流式自然通風(fēng)冷卻塔中，均勻布水時，雨區(qū)的水氣流動是二維的，而噴頭和填料區(qū)的水氣流動則基本上是一維的，擬二維計算模型利用冷卻塔雨區(qū)二維的熱力特性公式，二維的冷卻塔氣流阻力計算公式，加上對噴頭及填料的一維模擬塔試驗結(jié)果，用一維方法進行冷卻塔的水溫計算。這樣等同于在雨區(qū)是二維的，在填料及噴淋區(qū)是一維的，即基本上代表了一個二維流場的計算結(jié)果。

熱力計算公式

熱力計算公式包括噴淋區(qū)、填料區(qū)、雨區(qū)。噴淋區(qū)和填料區(qū)采用一維模擬塔實驗結(jié)果。

雨區(qū)熱力計算公式為：

N=(0.340+0.00763h-0.000367h2)λ0.60

(9)

式(9)使用的條件為填料底部和進風(fēng)口上沿齊平，而實際工程中填料底部高于塔進風(fēng)口，所以對上面公式進行修正。一般高0.5m左右。

阻力計算公式

塔喉部以下的氣流阻力，為不淋水的干塔阻力試驗結(jié)果，加淋水所產(chǎn)生的氣流阻力之后，再加塔出口的動能損失，即為全塔的氣流阻力損失。可用公式表示為：

(10)

式中：ζf為淋水裝置阻力系數(shù)；ε為進風(fēng)口相對高度，進風(fēng)口面積和填料斷面面積之比(0.35<ε<0.45)。

其余部分阻力公式：

ξ2=6.72+0.654Dm+3.5q+1.43v0-60.61ε-0.36v0Dm

(11)

式中：v0為氣流流速，m/s；Dm為填料斷面直徑，m；q為淋水密度，t/(m2·h)。

ζ1為塔不淋水時的氣流阻力系數(shù)，ζ2為淋水時雨區(qū)的氣流阻力系數(shù)。

則從進口到喉部的阻力系數(shù)為：

(12)

式中：Am為淋水面積，m2；A0為出口面積m2。

2 三種計算模型結(jié)果比較分析

以湖南桃花江工程為例，在塔型參數(shù)與填料相同的情況下，比較不同淋水面積、冷卻水量、冷卻溫差情況下三種不同計算方法計算所得結(jié)果。

基本塔型參數(shù)：殼底直徑150.8m，零米處直徑160.4m，進風(fēng)口平均高度處直徑155.5m，有效進風(fēng)高度184.6m，進風(fēng)口高度13.6m，試驗裝置進風(fēng)口高度2m，填料高度1.5m。

氣象條件：干球溫度21.7℃，相對濕度0.82，大氣壓力100450PA。

2.1 三種模型隨淋水面積變化的熱力計算結(jié)果

三種模型各參數(shù)隨淋水面積的變化曲線如圖1-圖3所示。由圖1可見，出塔水溫隨淋水面積的增大而減小，隨著淋水面積的增大焓差模型與壓差模型計算結(jié)果相差越來越小；擬二維模型出塔水溫隨著淋水面積的增大下降幅度首先是大于焓差模型和壓差模型隨后趨于平緩，淋水面積為11000 m2～17000 m2時，擬二維算法出塔水溫與焓差模型相差較大，最大偏差達0.9℃。

由圖2可見氣水比隨著淋水面積的增大而增大。擬二維模型計算結(jié)果首先上升較快隨后趨于平緩。焓差模型和壓差模型計算結(jié)果相近，淋水面積為12000 m2～16000 m2時，擬二維計算結(jié)果與焓差法相差較大，最大偏差達0.1。

由圖3可見，冷卻數(shù)隨著淋水面積的增大而增大，擬二維模型與壓差模型冷卻數(shù)計算結(jié)果最大偏差達8%。

由圖1-圖3可見，隨著淋水面積的增大，焓差模型和壓差模型計算結(jié)果相近；當淋水面積為12000 m2～16000 m2時，擬二維模型計算所得出塔水溫、氣水比和冷卻數(shù)與焓差、壓差模型相比偏差較大。

圖1 出塔水溫隨淋水面積變化曲線

圖2 氣水比隨淋水面積變化曲線

圖3 冷卻數(shù)隨淋水面積變化曲線

2.2 三種模型隨冷卻水量變化的熱力計算結(jié)果

三種模型各參數(shù)隨冷卻水量的變化曲線如圖4-圖6所示。

由圖4、圖5可見，隨著冷卻水量的增加，3種計算模型所得出塔水溫、氣水比相差越來越小。

由圖6可見，隨著冷卻水量的增加，擬二維模型和壓差模型計算結(jié)果偏差保持穩(wěn)定，約為5%，焓差模型與壓差模型基本一致。

圖4 出塔水溫隨冷卻水量變化

圖5 氣水比隨冷卻水量變化

圖6 冷卻數(shù)隨冷卻水量變化

2.3 三種模型隨冷卻溫差變化的熱力計算結(jié)果

三種模型各參數(shù)隨冷卻溫差的變化曲線如圖7-圖9所示。

由圖7-9可見，冷卻溫差較低時，冷卻溫差較低時擬二維模型計算所得出塔水溫、氣水比和冷卻數(shù)與焓差模型、壓差模型結(jié)果相差最大，隨著冷卻溫差的增大偏差逐漸減小。

圖7 出塔水溫隨冷卻溫差變化曲線

圖8 氣水比隨冷卻溫差變化曲線

圖9 冷卻數(shù)隨冷卻溫差變化曲線

3 結(jié)語

冷卻塔熱力性能計算作為核電廠冷端優(yōu)化設(shè)計過程中一個重要環(huán)節(jié)，對冷端優(yōu)化設(shè)計的最終結(jié)果有重要影響。本文選取淋水面積、冷卻水量以及冷卻溫差三個參數(shù)對比分析了采用不同熱力計算方法計算所得結(jié)果。其中，淋水面積是冷端優(yōu)化過程中的重要優(yōu)化變量；而冷卻水量則與優(yōu)化變量冷卻倍率有直接關(guān)系；冷卻溫差即冷卻水在凝汽器中的溫升，與機組負荷及冷卻水量均有密切關(guān)系。由擬二維模型與焓差模型、壓差模型的比較分析可見，焓差模和壓差模型在各種情況下計算結(jié)果均較為接近，當淋水面積為12000 m2～16000 m2時，隨著淋水面積的增大擬二維模型較焓差模型、壓差模型更為敏感，出塔水溫、氣水比和冷卻數(shù)計算結(jié)果偏差較大；隨著冷卻水量的變化，擬二維模型計算所得出塔水溫和氣水比與焓差、壓差模型結(jié)果相近，擬二維模型冷卻數(shù)略小于焓差、壓差模型，偏差保持穩(wěn)定；隨著冷卻水溫的增大，擬二維模型計算結(jié)果逐漸與焓差、壓差模型接近，冷卻水溫為5℃時偏差最大。

由以上分析可知，當淋水面積為12000 m2～16000 m2，冷卻溫差較低時，與目前廣泛采用的焓差、壓差模型相比，擬二維模型熱力計算結(jié)果偏差較大。在淋水面積較大和冷卻溫差較低的情況下，擬二維模型適用性較差，將該模型應(yīng)用于工程設(shè)計之前需要做更為細致和謹慎的研究以保證其結(jié)果的準確性。

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[6] 艾.漢佩，‘冷卻塔’，胡賢章譯.[M].北京：電力工業(yè)出版社，1981.