逆流式雙曲線自然通風冷卻塔設計淺談

聞學宇+周艷娟

【摘 要】冷卻塔作為電廠冷端系統的主要設備之一，其冷卻能力特性直接關系到電廠運行的安全性和經濟性。目前大部分設計單位對于逆流式雙曲線自然通風冷卻塔的設計計算仍采用《工業循環水冷卻設計規范》中的焓差法，簡便的一維算法因能滿足大部分工程設計精度而得到廣泛應用。

【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.

【關鍵詞】自然通風冷卻塔，散熱修正系數，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】TM621 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0150-02

1 引言

發電廠建設在水資源不豐富的區域時通常會使用冷卻塔作為冷卻手段。為了獲得源源不斷的電能，工質（一般為水）就需要在熱源及冷源間實現循環做功。這里的冷源就是通過循環冷卻水實現的，汽輪機低壓缸內的乏汽在凝汽器內被管束外部的循環冷卻水冷卻凝結成為飽和水。循環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與空氣進行傳熱傳質，冷卻水通過放熱后溫度下降，空氣溫度升高變為濕熱空氣后排至大氣環境中去，溫度降低的冷卻水落入冷卻塔集水池后通過循環水溝流至循環水泵吸水池，循環水泵將冷卻水升壓后至凝汽器再次進行換熱，以此循環的過程。

冷卻塔在這個循環中所起到的作用是與空氣冷源進行換熱，循環水系統中的冷卻水通過配水裝置進入噴淋區并依次通過填料區及雨區，其中填料區中的傳熱傳質過程為冷卻塔內高溫冷卻水與低溫空氣換熱過程的核心。冷卻塔如果設計合理，則冷卻塔出水溫度在合理范圍內較低，這樣就能使汽輪機低壓缸保持合適的真空度，使機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濟效益的。

2 一維算法

目前冷卻塔設計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力給出了推導經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即冷卻任務，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，在冷卻任務與冷卻性能相同的條件滿足時冷卻塔的熱力計算完畢，然后再通過冷卻塔的升力與阻力平衡計算進行動力計算。在冷卻塔熱力與動力計算都平衡時，循環冷卻水出水溫度能滿足設計要求時，所設計的冷卻塔就是應該在實際工程中選用的。

關于一維計算方法在《工業循環水冷卻設計規范》中已經給出了具體的計算公式，此處就不再一一列舉。本文僅對一維算法中某些參數的選取進行分析，正確選取計算參數以期得到較為準確的計算結果。

2.1 熱力特性表達式

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式，這些經驗表達式是由工業塔進行試驗，再通過得到的數據進行擬合公式化分析得到的，具體試驗及擬合公式的方法可參考《冷卻塔淋水填料、除水器、噴濺裝置性能試驗方法》。因此選擇一個精確和擴展性能較好的熱力特性表達式是冷卻塔精確計算的關鍵一步。在《工業循環水冷卻設計規范》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式，而這些表達式計算的填料高度均為1m，因此在選擇非1m高度的填料進行計算時參考的計算公式需要自行查找資料。中國水利水電科學研究院對逆流式自然通風冷卻塔進行了大量試驗，在《工業循環水冷卻設計規范》2014年版中給出了不同填料不同布置形式下的熱力表達式，大大擴展了用于逆流式冷卻塔設計精確的基礎公式[1]。

由于大量試驗數據是在工業冷卻塔或試驗裝置試驗時同時考慮配水區、淋水填料區及雨區三部分混在一起測試出來的，而實際設計的冷卻塔進風口高度與工業冷卻塔或試驗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式需要進行修正處理。中國水利水電科學研究院與東北電力設計院合作完成了此項工作并得到由于進風口高度不同附加的冷卻數的計算公式。

鑒于對冷卻數修正擴展的考慮，筆者認為在計算冷卻塔冷卻數時應首選中國水利水電科學院給出的熱力特性表達式。

2.2 蒸發水量散熱修正系數

循環水在冷卻塔填料中與濕空氣換熱工程中存在蒸發現象，循環水量在冷卻過程中不是常量，因此在計算冷卻數時需要考慮蒸發水量所帶走熱量引起的修正。《工業循環水冷卻設計規范》中也給出了蒸發水量帶走熱量的修正系數，對于修正系數在麥克爾公式的左右兩端位置不同很多規范也給出了不同的意見。筆者在這個問題上的考慮是冷卻塔填料試驗中如果考慮了修正系數的影響時，冷卻數計算也需考慮修正系數的影響[2]。而在《冷卻塔淋水填料、除水器、噴濺裝置性能試驗方法》中明確了熱力特性公式是由考慮修正后的冷卻數來擬合出公式的系數的，因此在進行算法程序設計時將修正系數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冷卻塔的重要設計數據，因此在用于熱力及動力計算時選取合適的淋水面積尤為重要。在《工業循環水冷卻設計規范》2014年版中刪除了2003版中“淋水面積應采用淋水填料頂部可淋到水并充分通風的面積”的條文。在冷卻塔設計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值。在實際冷卻塔填料區換熱時往往會受到淋水構架及配水構筑物所占面積和體積的影響，如果不考慮這部分影響將會使計算得出的冷卻能力略大，這樣對于生產是不安全的，因此筆者認為在進行熱力計算時需要扣除構筑物所占的這部分面積得到有效淋水面積用于熱力計算是合理的。在動力計算時，僅考慮斷面風速的作用，因此在全塔阻力計算時可采取名義淋水面積進行計算。

2.4 出塔水溫初始值

在冷卻塔計算的初始迭代過程中需要假設一個出塔水溫值。逆流式自然通風冷卻塔實際運行中的通風量是有限的，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設定為濕球溫度用于迭代起始點。但在北方地區考慮到安全運行，冬季運行出塔水溫需要保持在12℃以上，因此冬季計算時需要考慮出塔水溫初始值不能太低，需要同時考慮分區配水、循環水旁路及懸掛擋風板降低進風口高度等計算輸入來進行設計計算，考慮到保護措施后出塔水溫初始值可先從5℃進行迭代計算[3]。

3 擬二維算法

在冷卻塔淋水面積小于8000m2時用一維算法進行冷卻塔計算還是比較準確的，這是因為冷卻塔中流場近似于一維，而在淋水面積超過8000m2并不大于13000m2的冷卻塔雨區內氣流流場為二維，而在填料及噴淋區中仍可近似為一維流場，因此可將冷卻塔雨區單獨拿出來并進行試驗，通過模擬試驗得出冷卻塔雨區計算方法。用得出的雨區熱力公式再加上對填料及噴淋區一維模擬塔試驗結果就可以利用一維算法來進行關于冷卻塔的熱力計算，結果近似等同于二維流場計算結果，用這種簡單算法可避免一維算法中流場近似的缺陷，而又不必進行非常復雜的二維計算。在淋水面積超過13000m2的情況下填料及噴淋區也呈現為二維流動，因此此時需要配合試驗或數值模擬來進行超大型冷卻塔設計計算比較穩妥。

因此筆者認為一般情況下冷卻面積不超過13000m2時用擬二維算法進行冷卻塔計算是最為簡便有效的算法。

4 結論

通過分析逆流式自然通風冷卻塔程序設計中遇到的問題，筆者對于冷卻塔計算粗淺的體會即為：①選擇擴展性比較好并且精確的熱力特性表達式；②蒸發水量散熱修正系數在麥克爾公式積分端考慮；③淋水面積應在熱力與動力計算時分別考慮不同的取值；④出塔水溫初始值的設定考慮為濕球溫度；⑤采用擬二維算法可提高冷卻塔計算的準確性及有效性。

【參考文獻】

【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. 冷卻塔雨區的熱力特性[J]. 水利學報，2000（3）：12-18.

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