冷卻塔各參數的變工況分析

黃汝廣， 向模林， 李 夏

(深圳南天電力有限公司， 廣東深圳 518040)

冷卻塔各參數的變工況分析

黃汝廣， 向模林， 李 夏

(深圳南天電力有限公司， 廣東深圳 518040)

利用麥克爾公式，研究了冷卻塔的變工況特性，并繪制了相應的變工況特性曲線。通過分析及計算可知：在其他因素不變的情況下，冷卻塔出塔水溫受干球溫度變化的影響不大，而受濕球溫度與大氣壓力變化的影響較大；冷卻塔出水溫度受通風量變化的影響比對冷卻水量變化的影響更大。

火電機組； 冷卻塔； 變工況； 水溫

冷卻塔是火力發電機組循環冷卻水系統中的重要換熱設備，其運行狀況受到機組負荷、循環水運行方式以及氣象條件的影響。現有文獻資料主要針對冷卻塔熱力計算方法及冷卻塔熱力性能實驗進行了研究，而針對循環冷卻水系統的變工況特性研究，也主要集中在凝汽器方面，并且都是在凝汽器進口水一定的前提下，利用凝汽器變工況特性確定循環水最優運行方式，未考慮冷卻塔對凝汽器進口水溫的影響，忽略了冷卻塔的變工況特性。文獻[1]對此做了改進研究，基于軟測量原理和冷卻塔實時測量數據，提出一種冷卻塔出塔水溫計算的新方法，并利用該方法研究冷卻塔的變工況特性，繪制冷卻塔變工況特性曲線；但是在自變量的選取上存在問題，以致得出干球溫度的變化對出塔水溫有顯著影響的結論。筆者在該文獻的基礎上，優化自變量的選取，進行了機械通風冷卻塔的變工況特性研究，并繪制相應的變工況特性曲線，得出冷卻塔出塔水溫對大氣干球溫度的變化情況。

1 冷卻塔熱力計算的基本公式

全世界進行冷卻塔的熱力計算，較廣泛地采用麥克爾焓差公式，其優點是通過引入劉易斯關系式，把傳熱與傳質統一在焓的概念里，減少了計算參數[2]。

(1)

式(1) 左側為冷卻塔的冷卻能力數，即淋水填料的散熱特性，它表征了在一定淋水填料及塔型下冷卻塔所具有的冷卻能力，主要與填料的尺寸構造及氣水比有關，即

(2)

式中：A和B為常數，需通過相關試驗確定，一般由填料廠家直接給出。當實際冷卻塔進塔水溫t1與設計進塔水溫t10偏差大于±2 K時，冷卻塔的冷卻能力數需進行水溫修正[3]。

(3)

式中：系數P根據有關淋水填料實測值選用，無資料時可取P=0.4。因此，對于一個建造好的冷卻塔，其冷卻能力主要決定于氣水比，而進塔水溫升高到一定程度會降低其冷卻能力。

式(1) 右側為冷卻塔的冷卻任務數，一般采用切比雪夫積分法進行計算比較精確，但公式較復雜，當進、出塔水溫差Δt=t1-t2<15 K時，采用以下較簡便的辛普森積分法，也可滿足計算精度[4]。

(4)

(5)

由于通常在大氣壓下，濕空氣的濕球溫度τ近似等于其絕熱增濕飽和溫度，而絕熱增濕過程基本可看作等焓過程，故濕空氣比焓h=h(θ,φ)=h(θ,τ)≈h″(τ)。那么

(6)

所以，冷卻塔工況受大氣濕球溫度的影響比較大，而基本不受干球溫度的影響(干球溫度對氣水比略有影響，但影響很小)。

2 冷卻塔變工況計算及各參數的影響分析

對于機械通風冷卻塔，進塔風量一般可看作定值，變工況下主要是進塔干空氣密度影響氣水比。冷卻塔的變工況計算，需要滿足下列等式：

(7)

根據式(7)繪制的下列各圖中，上曲線為進水溫度，下曲線為出水溫度，其縱坐標單位均為攝氏度(℃)；對于干球溫度與濕球溫度，其橫坐標單位也為攝氏度(℃)，但對于大氣壓力、進塔風量、進塔水量及汽輪機負荷，其橫坐標單位則為相對比值，1表示設計工況點。

2.1 大氣壓力

在其他因素不變的情況下，大氣壓力主要是通過影響干空氣密度，從而影響冷卻塔氣水比，其與進、出塔水溫的關系見圖1。從圖中可以看出：大氣壓力增加10%，出塔水溫約減小1.5 K。但通常情況下，大氣壓力相對很穩定，一天內變化一般很少超過1%～2%，出塔水溫變化最大約為0.15～0.3 K。

圖1 大氣壓力與進、出塔水溫的關系

2.2 大氣干球溫度

在其他因素不變的情況下，大氣干球溫度對進塔濕空氣比焓及干空氣密度略有影響，其與進、出塔水溫的關系見圖2。從圖2中可以看出：大氣干球溫度的影響很小，干球溫度增加10 K，出塔水溫約增加0.12 K。

圖2 干球溫度與進、出塔水溫的關系

但文獻[1]卻計算出干球溫度變化5 K，出塔水溫變化約2.5 K，并得出干球溫度的變化對出塔水溫有顯著影響的結論。

之所以如此，原因在于該文獻是選擇干球溫度與相對濕度作自變量，當分析干球溫度的影響時，其相對濕度是保持不變的，這就必然導致濕球溫度隨干球溫度的增加而增加，即出塔水溫的變化實際上是濕球溫度變化引起的。所以，在變工況因素分析時，自變量必須選擇獨立的變量。

2.3 大氣濕球溫度

在其他因素不變的情況下，大氣濕球溫度對進塔濕空氣比焓影響很大，并對干空氣密度略有影響，其與進、出塔水溫的關系見圖3。

圖3 濕球溫度與進、出塔水溫的關系

從圖3中可以看出：大氣濕球溫度的影響很大，濕球溫度增加10 K，出塔水溫約增加7 K。

2.4 冷卻塔進風量

機械通風冷卻塔進風量的改變，一般需要調整葉片角度。在其他因素不變的情況下，進塔風量的變化主要影響氣水比，其與進、出塔水溫的關系見圖4。

圖4 進風量與進、出塔水溫的關系

從圖4中可以看出：冷卻塔進風量增加10%，出塔水溫約減小0.5 K。

2.5 冷卻塔進水量

在其他因素不變的情況下，進塔水量主要影響進、出塔水溫差及氣水比，其與進、出塔水溫的關系見圖5。

圖5 進水量與進、出塔水溫的關系

從圖5中可以看出：冷卻塔進水量增加10%(進、出塔水溫差也減小約10%)，出塔水溫約增加0.15 K，進塔冷卻水溫度約減小0.67 K。設計進、出塔水溫差Δt=8.2 K。

2.6 汽輪機組負荷

在其他因素不變的情況下，汽輪機組負荷主要影響進、出塔水溫差，其與進、出塔水溫的關系見圖6。

圖6 汽輪機負荷與進、出塔水溫的關系

從圖6中可以看出：汽輪機組負荷增加10%(進、出塔水溫差也增加10%)，出塔水溫約增加0.38 K，進塔冷卻水溫度約增加1.2 K。設計進、出塔水溫差Δt=8.2 K。

4 結語

通過對冷卻塔各參數的影響進行了較詳細分析，為冷卻塔的變工況分析提供了一個參照，具有一定的實用價值。根據上面的計算和分析，可以看出冷卻塔變工況具有如下一些特點：

(1) 大氣濕球溫度對冷卻塔出水溫度的影響最大，而干球溫度的影響基本可以忽略不計。

(2) 溫度之外，根據其他各因素變化10%對冷卻塔出水溫度的影響來看，其排序為大氣壓力>冷卻塔進風量>汽輪機組負荷>冷卻塔進水量。

(3) 當進塔水量增大時，出塔水溫增加，進塔水溫減小，且進塔水溫的變化幅度更大。

(4) 當汽輪機負荷增大時，出塔水溫和進塔水溫均增加，且進塔水溫的變化幅度更大。

[1] 夏林，劉德有，丁偉，等. 火電機組冷卻塔變工況特性研究[J].熱能動力工程，2014，29(3):326-332.

[2] 趙振國.冷卻塔[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

[3] 西安建筑科技大學. CECS 118：2000 冷卻塔驗收測試規程[S]. 北京：中國工程建設標準化協會，2000.

[4] 中華人民共和國發展和改革委員會. DL/T 1027—2006 工業冷卻塔測試規程[S]. 北京：中國電力出版社，2007.

Analysis on Cooling Tower Parameters under Variable Working Conditions

Huang Ruguang, Xiang Molin, Li Xia

(Shenzhen Nantian Electric Power Co., Ltd., Shenzhen 518040, Guangdong Province, China)

With Merkel formula, the characteristics of a cooling tower were studied under variable working conditions, with corresponding characteristic curves plotted. Analysis and calculation results show that the outlet water temperature of cooling tower is not sensitive to the change of dry bulb temperature, but is more sensitive to the change of wet bulb temperature and atmospheric pressure; in addition, the outlet water temperature of cooling tower is more sensitive to the change of ventilation rate than to the change of the cooling water flow rate.

thermal power plant; cooling tower; variable working condition; water temperature

2014-11-17

黃汝廣(1977—)，男，工程師，主要從事發電廠經濟運行及技術分析工作。

E-mail: scamperhrg@126.com

TK264

A

1671-086X(2015)04-0261-03