核電廠重要廠用水系統(tǒng)鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔優(yōu)化研究

毋飛翔，趙順安

（中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

核電廠重要廠用水系統(tǒng)鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔優(yōu)化研究

毋飛翔，趙順安

（中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

核電廠的重要廠用水系統(tǒng)通常采用鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，而鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的相關(guān)研究比較少，對塔內(nèi)的空氣動(dòng)力特性不太了解。本文通過物理模型試驗(yàn)的方法對其空氣動(dòng)力特性進(jìn)行研究并對塔型進(jìn)行優(yōu)化，研究表明：塔的總阻力系數(shù)隨塔出口收縮段高度的增大而增大，隨收縮段與水平夾角α的減小而減小，隨填料安裝高度的減小而減小；填料斷面風(fēng)速分布均布系數(shù)基本不受收縮段高度的影響，其隨α的減小而增大，隨填料安裝高度的減小而減小。

鼓風(fēng)式冷卻塔；塔型；阻力系數(shù)；風(fēng)速均勻性

1 研究背景

相比于濱海核電廠，我國的內(nèi)陸核電正處于起步階段，而對于內(nèi)陸核電廠的重要廠用水系統(tǒng)來講，其用水量雖然不大，但卻直接影響核電廠的安全。鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔因其抵御地震災(zāi)害的能力更強(qiáng)，設(shè)備維修、保養(yǎng)更簡單等優(yōu)點(diǎn)而常被用于內(nèi)陸核電廠重要廠用水系統(tǒng)。

鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔在通風(fēng)方式上有別于抽風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，在塔型結(jié)構(gòu)布置上也有明顯差異，其風(fēng)機(jī)安裝在地面上，相對比較安全，出風(fēng)口設(shè)置了擋板，可以有效的抵擋外來飛射物對冷卻塔的影響。我國的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和資料對鼓風(fēng)式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔沒有明確的設(shè)計(jì)計(jì)算方法［1-6］。為了解鼓風(fēng)式機(jī)力塔的運(yùn)行特性并對塔型進(jìn)行優(yōu)化，需要進(jìn)行相關(guān)的研究。本文通過冷態(tài)物理模型試驗(yàn)（即不考慮淋水和水氣的熱質(zhì)交換）的方法對塔型進(jìn)行優(yōu)化，提出一個(gè)比較合理的塔型。合理的塔型對冷卻塔的正常安全運(yùn)行、節(jié)省建設(shè)及運(yùn)行管理費(fèi)用具有重要意義，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對冷卻塔的設(shè)計(jì)也具有重要的參考價(jià)值。

2 模型設(shè)計(jì)

該模型試驗(yàn)主要關(guān)注的是塔內(nèi)的氣流動(dòng)力特性，模型設(shè)計(jì)為冷態(tài)模型，即不模擬冷卻塔內(nèi)空氣的狀態(tài)變化。要反映冷卻塔內(nèi)的氣流動(dòng)力特性，須模擬冷卻塔單元進(jìn)風(fēng)口、鼓風(fēng)機(jī)、冷卻塔塔體、塔芯材料、出口及附近區(qū)域。由于冷卻塔集水池塔內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，單元塔集水池以下區(qū)域不進(jìn)行模擬。要保證模型與原型的相似，首先要求幾何相似，但淋水填料片距的幾何尺寸較小無法作到幾何相似，試驗(yàn)中以阻力相似來處理，即作到原、模型的阻力系數(shù)相等或接近，綜合考慮配套風(fēng)機(jī)、實(shí)驗(yàn)條件及試驗(yàn)測量方便等因素，模型比尺選為1∶6.67。

物理模型布置示意圖如圖1所示，模型的塔體結(jié)構(gòu)采用透明的有機(jī)玻璃，便于觀察，風(fēng)機(jī)安裝在地面上，風(fēng)機(jī)前后導(dǎo)流段采用木質(zhì)材料，配水管采用有機(jī)玻璃管模擬，填料部分采用有機(jī)玻璃孔板按阻力系數(shù)相等的要求進(jìn)行模擬，不同規(guī)格的孔板模擬不同阻力系數(shù)的淋水填料，收水器采用塑料薄絲網(wǎng)模擬。

圖1 冷卻塔空氣動(dòng)力物理模型布置示意圖（單位：mm）

3 測量參數(shù)及整理方法

3.1 測量參數(shù)試驗(yàn)主要測試項(xiàng)目包括塔內(nèi)通風(fēng)量、填料斷面風(fēng)速分布及整塔阻力等，測試斷面主要有塔進(jìn)口斷面、填料斷面、除水器斷面和塔出口斷面，測量參數(shù)包括大氣干、濕球溫度、大氣壓、不同斷面的全壓、風(fēng)速等，其中風(fēng)速與壓力采用熱線風(fēng)速儀配合S型畢托管測量，環(huán)境溫度采用機(jī)械通風(fēng)干濕表測量，大氣壓的測量采用空盒氣壓計(jì)。測試中在填料斷面均勻布置36個(gè)測點(diǎn)，分別測取各測點(diǎn)的風(fēng)速Vi。

3.2 整理方法評價(jià)冷卻塔空氣動(dòng)力特性的參數(shù)主要有兩個(gè)，塔的總阻力系數(shù)和填料斷面的風(fēng)速分布均勻性。其中，總阻力系數(shù)可按下式進(jìn)行計(jì)算：

或：

式中：ΔP為氣流經(jīng)過某區(qū)域前后斷面的全壓差，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3為填料斷面平均風(fēng)速，m/s。

填料區(qū)域是冷卻塔主要的換熱區(qū)域，該區(qū)域的風(fēng)速分布狀況直接影響其換熱的效率。定義填料斷面為特征斷面，用其風(fēng)速分布均方差來反映填料區(qū)域的流場分布情況。風(fēng)速分布均布系數(shù)可表示為：

式中：α為填料斷面風(fēng)速分布均布系數(shù)；Vi為填料斷面各點(diǎn)風(fēng)速，m/s；-Vf為填料斷面平均風(fēng)速，m/s。n為風(fēng)速統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

4 試驗(yàn)成果及分析

4.1 收縮段高度與阻力系數(shù)的關(guān)系選定填料，保證塔出口收縮段大小尺寸不變，將收縮段整體上下移動(dòng)，測試對模型阻力系數(shù)和填料斷面風(fēng)速分布均勻性的影響，其結(jié)果匯總于圖2和圖3（HC為收縮段至進(jìn)風(fēng)口上沿的距離，L為塔寬）。由圖2可看出塔的總阻力系數(shù)隨收縮段高度的減小而減小。當(dāng)HC/L小于0.70時(shí)，總阻力系數(shù)隨收縮段高度的減小變化很小，當(dāng)HC/L小于0.65時(shí)，總阻力系數(shù)基本不再變化。由此可見，HC/L取0.65～0.70時(shí)為宜。（由于填料上、下風(fēng)速分布不均勻等因素導(dǎo)致測試填料阻力發(fā)生變化。）

圖2 收縮段高度與阻力系數(shù)關(guān)系

圖3 收縮段高度與均布系數(shù)的關(guān)系

由圖3可看出，填料斷面風(fēng)速均布系數(shù)基本不受HC/L的影響。

4.2 收縮段角度與阻力系數(shù)的關(guān)系保證收水器上收縮段大小尺寸不變和HC/L為0.69時(shí)出口位置不變，調(diào)整收縮段與水平面的夾角，測試其對模型整塔阻力系數(shù)和填料斷面風(fēng)速分布均勻性的影響，其結(jié)果匯總于圖4—圖5。由圖4可看出塔的總阻力系數(shù)隨著收縮段角度α的減小略有減小。當(dāng)α小于27°時(shí)，總阻力系數(shù)隨收縮段角度的減小變化很小。由此可見，α取24°～27°時(shí)為宜。由圖5可以看出，填料斷面風(fēng)速均布系數(shù)隨α的減小而增大。

圖4 收縮段角度與阻力系數(shù)關(guān)系

圖5 收縮段角度與均布系數(shù)的關(guān)系

綜合考慮兩方面的因素，α取27°時(shí)比較合適。

4.3 填料安裝高度與阻力系數(shù)的關(guān)系保證收水器上收縮段大小尺寸不變和HC/L為0.69、α為27°時(shí)位置不變，調(diào)整填料、配水管和收水器的安裝高度，測試其對模型整塔阻力系數(shù)和填料斷面風(fēng)速均勻性的影響，其結(jié)果匯總于圖6—圖7（HF為填料底至進(jìn)風(fēng)口上沿的距離，L為塔寬）。由圖6可看出塔的總阻力系數(shù)隨HF/L的減小而減小，當(dāng)HF/L小于0.21時(shí)，總阻力系數(shù)隨收縮段角度的減小變化很小。由此可見，HF/L取0.17～0.21時(shí)為宜。由圖7可看出填料斷面風(fēng)速均布系數(shù)隨HF/L的減小而減小，即風(fēng)速分布隨填料安裝高度的減小而趨于均勻。

考慮到填料下需安裝支撐結(jié)構(gòu)等，填料安裝高度不適宜降低太多，綜合各方面因素，取HF/L為0.19時(shí)比較合適，此時(shí)，填料底距離塔進(jìn)口上沿約1.02 m。

圖6 填料安裝高度與阻力系數(shù)關(guān)系

圖7 填料安裝高度與均布系數(shù)關(guān)系

5 結(jié)論

物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）冷卻塔出口收縮段高度位置影響冷卻塔的阻力不影響填料斷面風(fēng)速分布均勻性，隨收縮段位置降低總阻力系數(shù)減小。當(dāng)HC/L在0.65～0.70之間時(shí)整塔阻力系數(shù)較小。（2）冷卻塔出口收縮角越小阻力越小，但填料上風(fēng)速分布均布系數(shù)變大，綜合考慮，當(dāng)相對收縮角α在24°～27°之間時(shí)即能保證塔內(nèi)阻力系數(shù)較小又能保證填料斷面風(fēng)速分布相對均勻。（3）塔的總阻力系數(shù)和填料斷面風(fēng)速分布均布系數(shù)均隨填料安裝高度的減小而減小，綜合考慮填料下需安裝支撐結(jié)構(gòu)等因素，取HF/L為0.19時(shí)較合適，此時(shí)填料底距離塔進(jìn)口上沿約1.02 m。

［1］ 趙順安.海水冷卻塔［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2］ 趙順安，廖內(nèi)平，徐銘.逆流式自然通風(fēng)冷卻塔二維數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水利學(xué)報(bào)，2003（10）：26-31.

［3］ 趙振國.冷卻塔［M］.北京：中國水利水電出版社，1997.

［4］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) .GB/T50102-2003，工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

［5］ 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) .GB/T50392-2006，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2007.

［6］ 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL39-2006，火力發(fā)電水工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

Optimizing study on the forced draft mechanical cooling tower of nuclear power plant

WU Fei-xiang，ZHAO Shun-an
（Deparment of Hydraulics，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

The forced draft mechanical cooling tower is commonly used in the nuclear power plant，while the relevant research is relatively less，especially for the aerodynamic characteristics of the tower.This pa?per researches the aerodynamic characteristics of the forced draft mechanical cooling tower based on the physical model test and optimizes the design of the cooling tower.The results show that the total resistance coefficient increases with the convergent section height of tower increasing，and decreases with the angle α between convergent section and horizontal line and installation height of fill decreasing.The wind velocity distribution coefficient has nothing to do with the convergent section height.The smaller the angle α is，the bigger the distribution coefficient is.The lower the height of the fill is，the smaller the wind velocity distribution coefficient is.

the forced draft mechanical cooling tower；tower shape；resistance coefficient；wind velocity distribution uniformity

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.03.018

1672-3031（2014）03-0323-04

（責(zé)任編輯：李福田）

2013-11-10

毋飛翔（1987-），河南人，碩士生，主要從事冷卻塔方面的研究。E-mail：wufeixiang188@163.com