1 000 MW機組高位收水冷卻塔熱力性能試驗研究

賈明曉， 胡三季， 韓 立， 穆 琳

(西安西熱節能技術有限公司， 西安 710054)

1 000 MW機組高位收水冷卻塔熱力性能試驗研究

賈明曉， 胡三季， 韓 立， 穆 琳

(西安西熱節能技術有限公司， 西安 710054)

為獲得高位收水冷卻塔的熱力性能，對某1 000 MW機組配用的淋水面積為12 075 m2的高位收水冷卻塔的熱力性能進行了試驗研究，得到了高位收水冷卻塔的熱力性能方程式,給出了高位收水冷卻塔塔內實測風溫分布.以該冷卻塔為例，對比分析了相同工藝參數條件下高位收水冷卻塔和常規冷卻塔出塔水溫的差異.結果表明：高位收水冷卻塔塔內實測風溫在3臺循環水泵并聯運行工況時比2臺循環水泵并聯運行工況更均勻;高位收水冷卻塔塔內填料處斷面風速比常規冷卻塔更大;在夏季時同等條件下采用高位收水冷卻塔時出塔水溫相比常規冷卻塔可降低0.8 K左右.

高位收水冷卻塔； 熱力性能； 風溫分布； 出塔水溫

冷卻塔作為火力發電廠的重要冷端設備，其冷卻性能的好壞對機組的經濟性具有重要影響[1-2].近年來，對冷卻塔的熱力性能及冷卻塔內氣水參數分布規律的研究引起學者們的廣泛關注.主要開展的工作有以下3個方面：一是利用商業軟件對冷卻塔內的氣水參數分布和換熱規律進行數值計算，以期通過對冷卻塔塔芯部件的合理布置來改善冷卻塔的冷卻效果[3-5]，其中側風對冷卻塔熱力性能的影響以及如何削弱這種影響是研究熱點之一[6-9]；二是在實驗室內對冷卻塔塔芯部件(淋水填料、除水器和噴濺裝置)的熱力阻力性能或水力性能進行試驗研究，史佑吉等[10-12]對我國工業冷卻塔中較常用的塔芯部件的性能進行了研究；三是對工業冷卻塔進行現場測試，獲得工業冷卻塔的實測熱力性能，并比較實測結果與實驗室試驗結果的修正關系[13-14].高位收水冷卻塔(以下簡稱高位塔)與常規冷卻塔(以下簡稱常規塔)的最大區別是沒有雨區，可以大幅減小通風阻力，塔內溫度分布沿徑向較為均勻，同時由于冷卻后的循環水在一定高程部位被截流收集，其收水面保持相當高度，再經過循環水泵送回到主廠房，可以降低水泵揚程，因此高位塔在節能方面的優越性受到人們的關注[15-17].目前,國內高位塔的工藝設計主要依靠引進國外技術,有關冷卻塔的熱力、阻力計算方法等相關資料很難在國外的設計資料中獲得[18]，而國內關于高位塔熱力性能試驗研究的基礎資料也較少.

筆者對某1 000 MW機組配用的高位塔進行了試驗研究，對高位塔內出塔氣溫分布進行了測試；采用焓差法，對比分析了同等條件下高位塔與常規塔的出塔水溫.

1 高位塔設計參數

某1 000 MW機組配用的冷卻塔采用凈淋水面積為12 075 m2的雙曲線型逆流式自然通風高位塔，是國內面積最大的高位塔之一.

1.1結構尺寸

所研究高位塔的結構尺寸參數見表1.

表1冷卻塔的結構尺寸參數

Tab.1Structuralparametersofthehigh-levelwatercollectingcoolingtower

參數數值凈淋水面積/m212075塔總高度/m189．0進風口高度/m13．8塔頂直徑/m86．0喉部直徑/m82．5喉部標高/m150．0進風口上緣直徑/m129．4進風口下緣直徑/m137．5

1.2供水與配水系統

該高位塔采用單元制的循環供水系統，每座冷卻塔配3臺循環水泵.配水系統采用單豎井，為管式配水系統,主水槽呈十字正交布置.配水系統在內圍設2個分區、外圍設4個分區，每個分區均可獨立控制其開啟或關閉，1/4高位塔的配水系統示意圖如圖1所示.

圖1 配水系統分區示意圖

1.3淋水填料

該高位塔采用Coolfilm-SNCS型淋水填料，淋水填料片間距為20 mm，高度為1.5 m，采用懸吊方式安裝.在淋水填料底面設有托架，托架用不銹鋼鋼絲懸掛在上面的混凝土梁支撐結構上，淋水填料托架既支撐淋水填料，又是懸掛收水裝置的持力結構.

1.4除水器

高位塔內除水器采用Waves 45型除水器，弧片高度為177 mm，片間距為45 mm，安裝在混凝土支撐梁的上部.

1.5噴濺裝置

高位塔采用French type型下噴式噴濺裝置.

1.6高位收水裝置

高位收水裝置由收水斜板和收水槽組成，材質為玻璃鋼.收水斜板水平間距為2 m，傾斜布置，傾角為50°，收水斜板上端懸掛在淋水填料托架上，下端搭靠在收水槽的斜壁上.收水槽與收水斜板方向一致，排間距相同，垂直收水流道水平布置.

1.7設計氣象參數及設計水溫

該高位塔的設計氣象參數采用當地夏季頻率為10%的日平均氣象條件：大氣壓力為1 00.10 kPa，干球溫度為31.45 ℃，濕球溫度為27.5 ℃，相對濕度為74%.冷卻塔設計循環水流量為104 580 m3/h，設計循環水溫差為 8.97 K，冷卻塔出塔水溫保證值為31.6 ℃.

2 試驗參數

2.1氣象參數

測試過程中，氣象參數的測量包括環境風速、風向，大氣壓力及環境空氣干、濕球溫度等參數，其中環境風速、風向測量采用帶風向標的旋杯式風速風向計，測量范圍為0～30 m/s，測量誤差小于0.2 m/s.大氣壓力采用空盒式大氣壓力表測量，空盒式大氣壓力表分辨率為0.1 kPa，測量誤差不大于0.2 kPa.環境空氣干、濕球溫度采用阿斯曼機械通風干濕表測量，其分辨率為0.2 ℃，精度不低于0.5級.

2.2進、出塔水溫

冷卻塔進、出塔水溫均采用Pt-100型鉑電阻溫度計測量，鉑電阻溫度計分辨率為0.01 ℃，精度為A級.

2.3進塔循環水體積流量

在進塔水管直管段上采用超聲波流量計測量進塔循環水體積流量，超聲波流量計測量精度為±1%.測得進塔循環水體積流量后，根據循環水的密度計算循環水的質量流量.

2.4出塔氣溫

在主水槽上部采用劃分等面積環方式布置測點，冷卻塔整個淋水面上共劃分7個等面環，采用Pt-100型鉑電阻溫度計測量溫度，共28個測點，獲得平均冷卻塔出塔氣溫.

2.5填料處風速

由于冷卻塔內出塔空氣是接近飽和的濕空氣，測試環境惡劣，采用常規的風速測試方法(即熱線風速儀或葉輪風速計)進行塔內風速測量難度較大，且精度無法保證.筆者采用熱平衡方法計算得到填料處風速，即通過對循環水質量流量、進塔水溫、出塔水溫、進塔空氣參數和出塔空氣參數的測試，采用熱平衡法計算塔內空氣質量流量，進而計算填料處風速.

3 試驗結果及分析

3.1試驗參數變化范圍

分別在1臺機組3臺循環水泵并聯運行(簡稱1機3泵)和1臺機組2臺循環水泵并聯運行(簡稱1機2泵)工況下進行試驗.試驗工況參數見表2.從表2可以看出，相比常規塔淋水填料處風速為0.9～1.2 m/s左右，高位塔由于通風阻力減小，填料處風速提高.

表2 試驗工況參數

3.2熱力性能方程式

冷卻數與氣水比(即進塔干空氣質量流量與循環水質量流量之比)的關系是反映冷卻塔熱力性能的重要參數，是冷卻塔設計的關鍵基礎數據.冷卻數由式(1)進行計算.

(1)

(2)

式中：Ω為冷卻數；cw為循環水的比熱容，kJ/(kg·K)；Δt為冷卻水溫差，K；h″1為溫度相當于進塔水溫t1時的飽和空氣比焓，kJ/kg；h″2為溫度相當于出塔水溫t2時的飽和空氣比焓，kJ/kg；h″m為進、出塔平均水溫tm相應的飽和空氣比焓，kJ/kg；h1為進塔濕空氣比焓，kJ/kg；h2為出塔濕空氣比焓，kJ/kg.

通常把試驗工況得到的冷卻數擬合成關于氣水比的冪函數關系[11].根據試驗中得到的循環水參數(進塔水溫、出塔水溫、循環水質量流量)和空氣參數(大氣壓力，環境空氣干、濕球溫度，出塔氣溫，填料處風速)，對冷卻塔在1機2泵工況和1機3泵工況各工況點的氣水比和冷卻數進行計算，結果見表3.

表3各工況點氣水比和冷卻數計算值

Tab.3Air/waterratioandnumberoftransferunitscalculatedunderdifferentconditions

工況點1機2泵工況1機3泵工況氣水比冷卻數氣水比冷卻數11．1282．3160．8101．92721．1142．2630．8131．89731．1042．2410．7801．84741．1002．2470．7761．83151．0882．2000．7861．85161．0782．221--

利用最小二乘法對各工況點的氣水比和冷卻數計算值進行擬合，得到冷卻數關于氣水比的熱力性能方程式：

(3)

式中：λ為氣水比.

3.3高位塔塔內實測風溫分布

均勻的出塔氣溫場有利于整個冷卻塔最大限度地發揮冷卻效果，對于淋水面積大于10 000 m2的自然通風冷卻塔，其塔內的氣溫分布情況越來越引起人們的重視[3].表4和表5給出了高位塔內實測風溫值.表6給出了高位塔內實測風溫均方根誤差的計算值.均方根誤差σ的計算公式如式(4)所示.

(4)

表4 1機2泵工況運行時塔內實測風溫值

表5 1機3泵工況運行時塔內實測風溫值

表6塔內實測風溫均方根誤差

Tab.6RMSerrorofairtemperaturesmeasuredinthecoolingtower

位置1機2泵工況塔內實測風溫均方根誤差/K1機3泵工況塔內實測風溫均方根誤差/KA半徑2．881．61B半徑1．000．81C半徑2．232．10D半徑0．980．85

3.4夏季逐月氣象參數條件下常規塔和高位塔出塔水溫的比較

由于高位塔沒有雨區，其通風阻力相比常規塔較小.關于高位塔阻力系數的計算方法很難在公開的資料中找到[18]，我國發電廠工業循環水冷卻設計規范[19]中也未給出其計算公式.筆者利用試驗得到的高位塔的熱力性能方程式，根據該高位塔設計資料中給出的夏季工況的阻力系數值，結合我國常規塔熱力阻力計算方法，比較分析了夏季逐月氣象參數條件下常規塔與高位塔的出塔水溫，計算中采用的常規塔與高位塔塔型結構尺寸、淋水填料形式及高度等塔芯材料參數均相同.

高位塔的阻力系數采用測試塔設計說明書中給出的該冷卻塔夏季工況的阻力系數值53.8，其中淋水時的填料、除水器、配水槽和配水管的阻力系數值均為30.5.常規塔的阻力系數計算公式采用我國工業循環水冷卻設計規范[19]中推薦的計算公式，即

(5)

(6)

(8)

(9)

式中：ξ為總阻力系數；ξa為從塔的進風口至塔喉部的阻力系數(不包括雨區淋水阻力)；ξb為淋水時雨區阻力系數；ξc為冷卻塔出口阻力系數；ξf為淋水時的填料、除水器、配水槽和配水管的阻力系數；Fm為冷卻塔的淋水面積，m2；Fc為冷卻塔出口面積，m2；R為進風口上緣塔內半徑，m；ε為進風口面積與進風口上緣塔面積之比；D為填料底部塔內徑，m;vm為淋水填料斷面的平均風速,m/s;q為淋水密度,kg/(m2·s);H0為進風口高度,m.

按照式(5)，依據該高位塔的結構尺寸和塔芯部件阻力系數，計算得到同樣結構尺寸常規塔的總阻力系數為79.3，此高位塔的阻力系數約為常規塔的68%.依據冷卻塔實測熱力性能方程式(3)和對冷卻塔阻力系數的計算結果，按照我國工業循環水冷卻設計規范[19]中冷卻塔熱力計算的焓差法，在夏季工況逐月氣象條件下對同樣結構尺寸和塔芯部件的常規塔和高位塔的出塔水溫進行計算，結果見表7.由表7可知，在相同的塔型參數、循環水流量(104 580 m3/h)、循環水溫差(8.97 K)和氣象參數條件下，6月、7月、8月份時高位塔出塔水溫比常規塔低0.8 K左右.

表7 夏季逐月氣象參數條件下出塔水溫計算值

4 結 論

(1) 對某1 000 MW機組配用的凈淋水面積為12 075 m2的高位塔的熱力性能進行了試驗研究，得到了高位塔熱力性能方程式，可為高位塔的熱力設計提供參考.

(2) 高位塔在1機2泵工況運行時塔內實測風溫均方根誤差為0.98～2.88 K，1機3泵工況運行時塔內實測風溫均方根誤差為0.81～2.10 K，1機3泵工況運行時塔內實測風溫分布較均勻.

(3) 由于高位塔阻力系數減小的緣故，夏季工況高位塔塔內填料斷面平均風速為1.5～1.6 m/s，相比常規塔淋水填料處0.9～1.2 m/s的風速明顯增大，冷卻塔的換熱能力增強，冷卻效果提高.

(4) 以本文的高位塔為例，在相同條件下，夏季時采用高位塔后出塔水溫比常規塔降低0.8 K左右，冷卻效果更好，具有節能優勢.

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Thermal Performance Study of a High-level Water Collecting Cooling Tower for 1 000 MW Units

JIAMingxiao,HUSanji,HANLi,MULin

(Xi'an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi'an 710054, China)

To obtain the thermal performance of high-level water collecting cooling towers, experimental tests were conducted on such a cooling tower with drenching area of 12 075 m2used in a 1 000 MW power unit, during which, calculation equations were derived for the thermal performance of the high-level water collecting cooling tower, while internal air temperature distribution was measured for the tower. In addition, a comparison was carried out on the difference of outlet water temperature between the mentioned high-level water collecting cooling tower and a conventional cooling tower with same process parameters. Results show that for the high-level water collecting cooling tower, the internal air temperature distribution in the case of three parallel pumps is more even than that of two parallel pumps. The sectional wind speed at packing area of the high-level water collecting cooling tower is larger than that of conventional cooling tower, and the outlet water temperature of the former is 0.8 K lower in summer.

high-level water collecting cooling tower; thermal performance; air temperature distribution; outlet water temperature

2016-08-22

：2016-10-24

賈明曉(1985-)，男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事冷卻塔熱力性能試驗研究.電話(Tel.)：029-82001381； E-mail: jiamingxiao@tpri.com.cn.

1674-7607(2017)09-0751-06

：TK2

：A

：470.30