火電廠超大冷卻塔配水系統優化

王 東， 程 凱， 王志韓

(1. 河南水利與環境職業學院， 鄭州 450008；2. 中國電力建設集團河南省電力勘測設計院有限公司， 鄭州 450007)

目前，我國大中型火力發電廠超大冷卻塔的配水方式大多采用中央豎井的槽管結合式的管式配水布置方案，即塔體內主進水管和主配水管為槽式，分配水管為管式配水系統。為減少壓力損失，管道設計大多采用光滑硬聚氯乙烯塑料材質。淋水面積超過11 000 m2的冷卻塔為超大冷卻塔，國內對超大冷卻塔配水系統的研究較少。王豐等[1]將遺傳算法引入水力計算中，并提出了管式配水的優化計算方法；趙順安等[2]對12 000 m2淋水面積的超大冷卻塔進行了水力計算分析。國內對超大冷卻塔配水系統的計算研究大部分只考慮配水主管、支管、中央豎井的壓力損失，沒有將噴頭特性納入計算，而噴頭特性會對整個配水系統的均勻性產生影響。

為了提高配水系統計算的精確性，筆者利用管網流體分析軟件PIPENET，對14 000 m2淋水面積的超大冷卻塔配水系統(包括噴頭、配水管網、中央豎井等)建立水力整體模型，并對管網進行水力計算和研究分析，以及對噴頭進行優化選型。通過對多種工況條件下的計算結果進行分析研究，探究超大冷卻塔配水系統的較優方案，以為超大冷卻塔配水系統水力計算提供參考。

1 水力計算方法

1.1 計算原理

超大冷卻塔配水系統水力計算主要分為管網設計計算和管網及噴頭水力優化計算。管網設計計算主要包括管徑賦值計算和管網系統水力驗算優化。管徑賦值計算是利用PIPENET軟件建立管道規格類型庫及配水管網模型(管徑未知)，根據給定已知邊界條件和允許最大流速，計算出所需的配水管管徑。配水系統水力計算優化是依據計算得出的管徑，進行管網水力計算和配水均勻性驗證，通過計算調整管道布置和規格，最終保證配水系統均勻性。

水力計算主要采用Darcy-Weisbach公式計算沿程阻力和局部阻力；采用Gardel公式計算三通管路的局部壓力損失，在計算分流阻力和直通阻力時考慮了分流流量比與面積比等因素，較符合配水管與噴頭的三通管路特點，計算結果精度較高。

1.2 噴頭特性模擬

冷卻塔噴頭采用反射Ⅱ型，噴頭見圖1。噴頭下方有上下重疊的兩層濺散盤，水向下沖擊下層濺散盤后，上濺到上層濺散盤，通過兩盤之間的濺散與反射形成直徑較小的水滴。

圖1 反射Ⅱ型噴頭

噴頭實測流量曲線見圖2。

圖2 噴頭實測流量曲線

PIPENET軟件自帶噴頭模型，通過設置噴頭的管徑、流量系數、縮頸系數，可得到性能參數與實際相符合的配水噴頭。將所建噴頭模型與實際檢測數據進行對比分析，在相同壓力條件下，噴頭體積流量誤差控制在3%，因此噴頭模擬計算較為精確。噴頭水力計算公式為：

(1)

式中：p為壓力，Pa；A為過流面積，m2；qm為質量流量，kg/s；Cd為流量系數，取0～1.0；Cv為噴頭縮頸系數，取0～1.0；ρ為水密度，kg/m3。

2 配水系統模型及參數設置

某電廠有2臺1 000 MW機組，每臺機組擬采用一座淋水面積為14 000 m2的雙曲線逆流式自然通風冷卻塔。配水采用單豎井、管槽結合配水型式。主水槽呈十字布置，2條主水槽為雙層，2條主水槽為單層，均為混凝土結構。配水管采用硬聚氯乙烯塑料管。為避免冬季2臺水泵運行時冷卻水量減少引起噴頭水壓降低及出現掛冰現象，冷卻塔采用內外分區配水方式，冬季僅外區配水。配水管間距為1 m；噴濺裝置為TP-II型，間距一般為1 m。

由于超大冷卻塔配水系統較為復雜，噴頭和配水管道的數量也較多。因此，必須對計算模型進行簡化處理。考慮到冷卻塔配水管網是平面雙向對稱，水力計算采用冷卻塔面積的四分之一。配水系統共有3 305個噴頭，配水管和中央豎井等共有3 826根管道、6 963個節點。冷卻塔配水系統分為3個區域(A區、B區、C區)，其中：A區為內圍配水，B區和C區為外圍配水。設置計算模型邊界條件中央豎井供水體積流量為24 800 m3/h，噴頭出口壓力水頭設置為0 m。對中央豎井、配水槽、配水管及噴頭進行簡化處理后，得到水力計算模型見圖3。

圖3 簡化后的水力計算模型

3 計算及分析

3.1 水力計算工況

分析研究階段主要依據設計階段PIPENET軟件計算得出的配水管網規格，利用內外圍配水系統的噴頭型號差異，選擇不同工況進行計算分析，來驗證配水系統是否滿足配水均勻性要求，并通過對比多種工況得到較優方案，計算工況劃分見表1。

表1 水力計算工況

冷卻塔循環倍率取55，循環水體積流量為99 200 m3/h，則四分之一塔循環水體積流量為24 800 m3/h。

3.2 配水均勻性驗證方法

同一區域內的水量應均勻分布，單個噴頭體積流量與同一區域平均單個噴頭體積流量相差應不大于5%。噴頭群組合均布系數計算公式[3]為：

(2)

3.3 不同工況計算分析

通過對冷卻塔在5個工況下的計算結果進行研究，得到冷卻塔配水計算參數見表2。

表2 冷卻塔配水系統計算參數

由表2可得：

(1) 內圍(A區)配水較均勻，外圍(B區和C區)配水均勻性相對較差。A區靠近中央豎井，配水槽和配水主管長度也較短，壓力損失較小，作用在最近與最遠噴頭的壓力變化較小，噴頭流量也比較接近。B區和C區配水槽長度較長，并且不同配水管的長度差距較大，因此各噴頭位置處的壓力水頭變化也較大，配水均勻性相對較差。

(2) 中央豎井水位隨著噴頭直徑的增大而減小，主要因為在一定流量邊界條件時，大直徑噴頭所需的壓力水頭較小，使用大直徑噴頭有利于減小循環水泵揚程。但是，均布系數隨著噴頭直徑增大而增加，大直徑噴頭易造成配水不均勻，并且其造價較高，因此實際工程中并不是直徑越大越好。

(3) 工況3和工況5的B區均布系數大于5%，配水均勻性較差；工況1比工況2和工況4的配水效果好，內圍和外圍的均布系數都較小。因此，選擇工況1進行校核工況計算。

3.4 校核工況計算分析

冷卻塔在工況1時，配水管網循環倍率分別為33(冬季時)、50、55、60的條件下，對配水均勻性進行校核驗證計算，得到的結果見表3。由表3可得：選擇工況1時，在不同配水條件下，該工況都能滿足均勻性要求，可以將計算結果應用于實際工程中，因此將工況1作為推薦方案。

表3 冷卻塔在工況1下配水管網驗算數據

4 結語

以14 000 m2淋水面積的超大冷卻塔為例，利用PIPENET軟件對多工況下的配水系統進行水力計算分析，并對內外圍配水噴頭規格進行優化選型，得到的主要結論為：

(1) 采用工況1，即內圍噴頭直徑為28 mm、外圍噴頭直徑為30 mm的方案，配水系統水量分布較均勻，各區域均布系數均不大于5%，配水系統設計符合要求。同時，工況1配水管網在各工況下均能滿足配水均勻性要求，可以應用于實際工程中。

(2) 利用PIPENET軟件能較好地將內外圍噴頭和配水管網、配水槽、中央豎井等作為整體，以對配水系統進行水力計算，并能對內外圍噴頭進行選型優化，可為超大冷卻塔水力計算提供參考。

研究中沒有考慮冷卻塔內外圍配水區域風速對配水均勻性的影響，但其影響較小，計算結果精度可滿足實際工程需求。