冷卻塔熱力性能評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析

馬 麟，趙順安，2，章立新

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

冷卻塔熱力性能評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析

馬 麟1，趙順安1，2，章立新1

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093； 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

冷卻塔的冷卻能力是衡量其性能的重要參數(shù)，多數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷卻能力的評(píng)價(jià)方法可分為冷卻水量法與冷卻水溫法。本文通過(guò)一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了冷卻水量法與冷卻水溫法這兩種評(píng)價(jià)方法以及各標(biāo)準(zhǔn)間的差異性及存在問題，得出國(guó)內(nèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的冷卻水溫法評(píng)價(jià)結(jié)果比冷卻水量法和美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果均偏差約2.3%的結(jié)論。并分析出主要原因是標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)水溫差計(jì)算時(shí)風(fēng)量取值為實(shí)測(cè)風(fēng)量，為以后標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供了技術(shù)支持。

冷卻塔；熱力性能評(píng)價(jià)方法；對(duì)比分析；差異性

1 研究背景

冷卻塔是將冷卻水在其內(nèi)與大氣充分直接或間接接觸，使水的熱量傳給大氣的一種設(shè)備［1］，在工業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中應(yīng)用十分廣泛。如電力行業(yè)中，作為提高凝汽器真空度的冷端設(shè)備，冷卻塔的性能好壞直接影響發(fā)電機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)性；又如化工行業(yè)和冶金行業(yè)中，各種機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量如不能通過(guò)冷卻塔及時(shí)排出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備的癱瘓從而停滯生產(chǎn)。因此，有必要對(duì)冷卻塔的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)及性能計(jì)算，來(lái)評(píng)價(jià)冷卻塔的真實(shí)冷卻能力。

目前，國(guó)內(nèi)外各標(biāo)準(zhǔn)［2-5］關(guān)于冷卻塔熱力性能的評(píng)價(jià)方法主要分為：冷卻水量法及冷卻水溫法。冷卻水量法是根據(jù)實(shí)測(cè)工況參數(shù)，求出修正到設(shè)計(jì)工況條件下的冷卻水量，再與設(shè)計(jì)水量相比來(lái)評(píng)價(jià)；而冷卻水溫法是根據(jù)實(shí)測(cè)工況參數(shù)，按冷卻塔熱力性能曲線或公式，計(jì)算出實(shí)測(cè)參數(shù)下冷卻水溫差并與該工況下的實(shí)測(cè)冷卻水溫差之比來(lái)評(píng)價(jià)。無(wú)論哪種方法，冷卻塔的冷卻能力實(shí)質(zhì)均應(yīng)該是實(shí)際表現(xiàn)與設(shè)計(jì)表現(xiàn)的比值。兩者除計(jì)算公式不同外，在國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中也有部分差異，如關(guān)于冷卻數(shù)的計(jì)算：文獻(xiàn)［2］采用辛普森公式，日本標(biāo)準(zhǔn)［5］與美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)［6］采用切比雪夫公式；關(guān)于風(fēng)量的計(jì)算：文獻(xiàn)［3］、美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)［6］采用風(fēng)機(jī)軸功率來(lái)計(jì)算，文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［4］及日本標(biāo)準(zhǔn)［5］等卻優(yōu)先采用皮托管測(cè)定風(fēng)速來(lái)計(jì)算。關(guān)于不同標(biāo)準(zhǔn)之間的差異，部分學(xué)者進(jìn)行了對(duì)比研究，如李德興［7］對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)做了對(duì)比分析，認(rèn)為其最大不同是測(cè)量上的實(shí)施細(xì)則（測(cè)量風(fēng)量、水量等），其他條款相近；日本手冢俊一［8］對(duì)比日本標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)后，認(rèn)為美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)最大不同是評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)實(shí)測(cè)水量和實(shí)測(cè)風(fēng)量限制過(guò)嚴(yán)（須均接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值），如若偏差較大則難以得到正確的性能評(píng)價(jià)等等。而關(guān)于冷卻水量法與冷卻水溫法兩種評(píng)價(jià)方法，是否會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果的差異，目前還未有學(xué)者做過(guò)這方面對(duì)比研究。本文以一個(gè)實(shí)測(cè)案例對(duì)冷卻水量法與冷卻水溫法進(jìn)行了比較，并將各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)［2-6］一同對(duì)比。發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)［2］、文獻(xiàn)［4］中的冷卻水溫法評(píng)價(jià)結(jié)果較冷卻水量法評(píng)價(jià)結(jié)果偏差了約2.3%；各標(biāo)準(zhǔn)間的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致。

2 冷卻能力評(píng)價(jià)方法

2.1 冷卻水量法各個(gè)冷卻塔測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［2-5］關(guān)于冷卻水量法的規(guī)定基本相同，即根據(jù)塔的實(shí)測(cè)工況參數(shù)，求出修正到設(shè)計(jì)工況條件下的氣水比λc和冷卻水量Qc，再與設(shè)計(jì)水量Qd相比（如圖1）。圖中：N為冷卻塔的冷卻數(shù)；λ為氣水比，即進(jìn)塔干空氣量與進(jìn)塔水流量的比值。

圖1 冷卻水量法計(jì)算示意

圖2 冷卻水溫法計(jì)算示意

評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

式中：ηsq為評(píng)價(jià)指標(biāo)，%；G實(shí)為實(shí)測(cè)進(jìn)塔干空氣流量，kg/h；λc為修正到設(shè)計(jì)工況下的氣水比；Qc為修正到設(shè)計(jì)工況下的進(jìn)塔水流量，kg/h；Qd為設(shè)計(jì)冷卻水流量，kg/h。

2.2 冷卻水溫法除冷卻水量法外，標(biāo)準(zhǔn)［2-5］中關(guān)于冷卻水溫法的規(guī)定也基本相同，均是根據(jù)實(shí)測(cè)工況參數(shù)，按設(shè)計(jì)或制造單位提供冷卻塔的熱力性能曲線或公式，計(jì)算出實(shí)測(cè)參數(shù)下冷卻水溫差Δtt′與該工況下的實(shí)測(cè)冷卻水溫差Δtt之比（如圖2），評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

式中：ηst為評(píng)價(jià)指標(biāo)，%；Δtt為實(shí)測(cè)的進(jìn)出塔水溫差，Δtt=實(shí)測(cè)進(jìn)塔水溫-實(shí)測(cè)出塔水溫，℃；Δtt′為修正到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況后的進(jìn)出塔水溫差，Δtt′實(shí)測(cè)進(jìn)塔水溫-修正后出塔水溫，℃。不同的是，日本標(biāo)準(zhǔn)［5］在計(jì)算出塔水溫時(shí)采用設(shè)計(jì)進(jìn)塔干空氣流量；而文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］卻采用實(shí)測(cè)進(jìn)塔干空氣流量，此計(jì)算結(jié)果并不能代表冷卻塔應(yīng)有的設(shè)計(jì)溫差。

2.3 美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)的特性曲線評(píng)價(jià)法美國(guó)CTI標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上應(yīng)用較為廣泛，已被許多國(guó)家接受作為評(píng)價(jià)冷卻塔熱力性能的依據(jù)［9］，故選此標(biāo)準(zhǔn)作為本次研究的對(duì)比參照。此評(píng)價(jià)方法與上述的冷卻水量法基本相同，即：

所不同的是冷卻數(shù)計(jì)算采用切比雪夫公式。另外進(jìn)塔干空氣流量不是直接測(cè)定的，而是先測(cè)定其風(fēng)機(jī)功率，根據(jù)風(fēng)機(jī)功率再計(jì)算進(jìn)塔干空氣量。采用下式計(jì)算：

式中：Gt、Gd分別為實(shí)際進(jìn)塔干空氣流量、設(shè)計(jì)進(jìn)塔干空氣流量，kg/h；vt、vd分別為實(shí)測(cè)進(jìn)塔干空氣比體積、設(shè)計(jì)進(jìn)塔干空氣比體積，m3/kg；Pt、Pd分別為實(shí)測(cè)風(fēng)機(jī)軸功率、設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)軸功率，kW；ρt、ρd分別為實(shí)測(cè)進(jìn)塔濕空氣密度、設(shè)計(jì)進(jìn)塔濕空氣密度，kg/m3。

2.4 實(shí)測(cè)工況水量評(píng)價(jià)法在采用冷卻水量法進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算時(shí)，各標(biāo)準(zhǔn)從冷卻能力的概念出發(fā)，將實(shí)測(cè)參數(shù)核算到設(shè)計(jì)工況。也可將設(shè)計(jì)參數(shù)核算到實(shí)測(cè)工況來(lái)評(píng)價(jià)，即：先根據(jù)塔的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，求出修正到實(shí)測(cè)工況條件下的氣水比λ′c和冷卻水量Q′

c，再將實(shí)測(cè)冷卻水量Q實(shí)與之相比（如圖1）。評(píng)價(jià)指標(biāo)按下式計(jì)算：

式中：G設(shè)為設(shè)計(jì)進(jìn)塔干空氣流量，kg/h；λ′c為修正到實(shí)測(cè)工況條件下的氣水比；Q′

c為修正到實(shí)測(cè)工況下的進(jìn)塔水流量，kg/h；Q實(shí)為實(shí)際冷卻水流量，kg/h。

2.5 設(shè)計(jì)工況水溫評(píng)價(jià)法同2.4節(jié)，在運(yùn)用冷卻水溫法進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算時(shí)，也可將實(shí)測(cè)參數(shù)核算到設(shè)計(jì)工況，具體為：根據(jù)設(shè)計(jì)工況參數(shù)，按實(shí)際冷卻塔的熱力性能曲線或公式計(jì)算出設(shè)計(jì)參數(shù)下的冷卻水溫差Δt′d，與設(shè)計(jì)冷卻水溫差Δtd相比（如圖2）。評(píng)價(jià)指標(biāo)按下式計(jì)算：

式中：Δtd為設(shè)計(jì)冷卻水溫差，Δtd=設(shè)計(jì)進(jìn)塔水溫-設(shè)計(jì)出塔水溫，℃；Δt′d為修正到實(shí)測(cè)工況后的進(jìn)出塔水溫差，Δt′d為設(shè)計(jì)進(jìn)塔水溫-修正后出塔水溫，℃。

2.6 匯總各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于冷卻塔熱力性能的評(píng)價(jià)方法主要分為兩種：冷卻水量法與冷卻水溫法。所核算的工況也分兩種：設(shè)計(jì)工況與實(shí)測(cè)工況。表1將上述評(píng)價(jià)方法、所核算工況及涉及的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了匯總，如下：

表1 各類評(píng)價(jià)方法匯總

3 評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析

3.1 實(shí)測(cè)案例本文采用了一組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行各個(gè)評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析。其中設(shè)計(jì)參數(shù)和驗(yàn)收測(cè)量值見表2。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)與驗(yàn)收測(cè)量值

表3 不同公式下N值計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)熱力性能公式為：N=1.3λ0.61

3.2 冷卻數(shù)N計(jì)算的差異各標(biāo)準(zhǔn)［2-6］對(duì)于冷卻數(shù)N的計(jì)算公式主要分為兩種：辛普森公式和切比雪夫公式。計(jì)算結(jié)果見表3。

由于各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)k值（蒸發(fā)水量帶走熱量的修正系數(shù)）的選用存在差別（文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［4］選用k值進(jìn)行計(jì)算，而文獻(xiàn)［1］文獻(xiàn)［5］文獻(xiàn)［6］不選用k值），所得出的冷卻數(shù)也稍有偏差，其中設(shè)計(jì)值最大偏差6%，實(shí)測(cè)值最大偏差7%。

表4 冷卻水量法與冷卻水溫法評(píng)價(jià)結(jié)果

3.3 冷卻水量法與冷卻水溫法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)［2-5］采用冷卻水量法與冷卻水溫法評(píng)價(jià)計(jì)算后的結(jié)果見表4。需要說(shuō)明的是：文獻(xiàn)［3］在2008年進(jìn)行修訂時(shí)，對(duì)于冷卻水量超過(guò)1000t/h的冷卻塔，性能評(píng)價(jià)方法由水溫降對(duì)比法（冷卻水溫法）改為冷卻水量法。

可以看出，針對(duì)本次案例，文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］中的冷卻水量法評(píng)價(jià)結(jié)果較冷卻水溫法偏差了2.3%；文獻(xiàn)［5］中的冷卻水量法評(píng)價(jià)結(jié)果與冷卻水溫法是一致的。各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中采用冷卻水量法進(jìn)行評(píng)價(jià)后的結(jié)果亦均一致。

3.4 各標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比將文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］中的實(shí)測(cè)進(jìn)塔干空氣量改為設(shè)計(jì)進(jìn)塔干空氣量后進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果同其他標(biāo)準(zhǔn)及方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表5。

表5 各標(biāo)準(zhǔn)間評(píng)價(jià)結(jié)果

可以看出，各標(biāo)準(zhǔn)間的評(píng)價(jià)結(jié)果均無(wú)差別，說(shuō)明k值的選用對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、各個(gè)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果影響較小。此外，設(shè)計(jì)工況水量評(píng)價(jià)法、實(shí)測(cè)工況水溫評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果較其他標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

3.5 數(shù)據(jù)分析

3.5.1 冷卻水量法與冷卻水溫法差別 文獻(xiàn)［2］和文獻(xiàn)［4］中冷卻水溫法較冷卻水量法的評(píng)價(jià)結(jié)果偏差了2.3%，在經(jīng)過(guò)將設(shè)計(jì)風(fēng)量代替實(shí)測(cè)風(fēng)量進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算后，其結(jié)果才達(dá)成一致。說(shuō)明偏差因素僅僅是實(shí)測(cè)干空氣量導(dǎo)致的，究其原因，是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)的風(fēng)量屬于設(shè)定好的參數(shù)（即設(shè)計(jì)條件），不可隨意變動(dòng)。而文獻(xiàn)［5］中兩種評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果本就一致，說(shuō)明冷卻水量法與冷卻水溫法均能真實(shí)客觀的反映冷卻塔的熱力特性。

另外，當(dāng)冷卻塔在進(jìn)塔水量偏離設(shè)計(jì)水量或在進(jìn)塔水溫偏離設(shè)計(jì)進(jìn)塔水溫等條件下運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)出塔水溫往往達(dá)不到預(yù)期效果，且偏離程度越大，效果越差，這在一定程度上會(huì)影響冷卻水溫法與冷卻水量法的真實(shí)評(píng)價(jià)。且在評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程中由于冷卻水量法受實(shí)測(cè)進(jìn)塔干空氣量的限制更嚴(yán)（實(shí)測(cè)干空氣量與水量、進(jìn)塔水溫等相關(guān)聯(lián)：水量變化會(huì)影響淋水密度和塔阻的變化，進(jìn)而影響風(fēng)量；入塔水溫會(huì)造成空氣密度的變化亦會(huì)影響風(fēng)量），其評(píng)價(jià)結(jié)果的偏差會(huì)比冷卻水溫法更大。

3.5.2 各標(biāo)準(zhǔn)差別 各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間主要存在參數(shù)取值、k值選取、計(jì)算公式等差別。經(jīng)過(guò)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，參數(shù)取值與計(jì)算公式造成的偏差可忽略不計(jì)，只有k值選取會(huì)對(duì)冷卻數(shù)計(jì)算造成較大偏差，但并不影響其評(píng)價(jià)結(jié)果的一致。說(shuō)明就同一組數(shù)據(jù)而言，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均能得出相一致的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.5.3 實(shí)測(cè)工況水量評(píng)價(jià)法、設(shè)計(jì)工況水溫評(píng)價(jià)法的差別 這兩種方法從冷卻概念角度來(lái)看，與冷卻水量法、冷卻水溫法并無(wú)差別，僅是核算工況相反。其評(píng)價(jià)結(jié)果的偏差在0.1%以內(nèi)，屬于合理范圍。因此不失為一種有效評(píng)價(jià)冷卻塔性能的新方法。

4 結(jié)論

在經(jīng)過(guò)對(duì)比分析了冷卻水量法與冷卻水溫法以及各標(biāo)準(zhǔn)間的差異性后，得出以下結(jié)論：（1）各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于k值（蒸發(fā)水量帶走熱量修正系數(shù)）的選用雖存在差別，但不影響最后對(duì)冷卻塔性能結(jié)果的評(píng)價(jià)，建議在冷卻塔性能評(píng)價(jià)計(jì)算中k值取1。（2）國(guó)內(nèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中冷卻水溫法的評(píng)價(jià)結(jié)果比冷卻水量法偏差約2.3%。是因?yàn)槔鋮s水溫法中的風(fēng)量取值存在問題，應(yīng)將實(shí)測(cè)進(jìn)塔干空氣流量改為設(shè)計(jì)進(jìn)塔干空氣流量，建議標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)予以修正。（3）各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行冷卻塔評(píng)價(jià)計(jì)算時(shí)，無(wú)論是核算到設(shè)計(jì)工況還是實(shí)測(cè)工況，對(duì)同一組數(shù)據(jù)均能得出相一致的結(jié)果。

［1］ 趙順安.冷卻塔工藝原理［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

［2］ 東北電力設(shè)計(jì)院.DL/T1027-2006工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程［S］.中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2006.

［3］ 機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計(jì)研究院，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，上海交通大學(xué)，等.GB/T7190.2-2008玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔第2部分：大型玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2008.

［4］ 西安建筑科技大學(xué)，國(guó)家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院，國(guó)家電力公司熱工研究院，等.CECS118-2000冷卻塔驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程［S］.中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，2000.

［5］ 日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)原案作成委員會(huì).JISB8609-2008，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的性能試驗(yàn)［S］.日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2008.

［6］ Cooling Technology Institute.CTIATC-105-2000 Acceptance Test Code forWater Cooling Towers［S］.American National Standards，2000.

［7］ 李德興.冷卻塔熱力性能驗(yàn)收評(píng)價(jià)方法的運(yùn)用［J］.工業(yè)用水與廢水，2011，42（2）：69-71.

［8］ 孫格非.機(jī)械通風(fēng)式冷卻塔的熱工性能換算方法、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法（二）［J］.制冷技術(shù)，1987（3）：1-8.

［9］ 楊國(guó)棟.冷卻塔性能評(píng)價(jià)［J］.制冷，2005（增刊）：85-87.

Comparative analysis of cooling tower thermal performance evaluation method

MA Lin2，ZHAO Shunan1，2，ZHANG Lixin1
（1.University ofShanghaiforScienceand Technology，SchoolofEnergy and PowerEngineering，Shanghai 200093，China；2.DepartmentofHydraulics，China InstituteofWaterResourcesand HydropowerResearch，Beijing 100038，China）

The cooling ability is one ofimportant parameters tomeasure the capacity of the cooling tower.Generally speaking，the current cooling ability evaluationmethod consists ofthe coolingwateryieldmethod and the coolingwater temperaturemethod.The studymade a comparative analysis ofthe two kinds ofcooling evaluationmethods though a group of testing data aswell as the distinctions and limitations between the different standards.The resultmade a conclusion that there exists a 2.3%deviation ofthe evaluation resultbetween the domestic coolingwater yieldmethod and the coolingwater temperaturemethod aswellas the American CTIevaluation standard.In addition，the causation ofthe resultswasalso analyzed，whichmainly owns to the airvolumewhich is calculated as themeasured airvolume during the design ofwater temperature difference calculation ofthe standard，which provides the technical supportfor the furtherstandardmodification.

cooling tower；cooling ability evaluationmethod；Comparative analysis；the distinctions

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.03.008

1672-3031（2017）03-0213-05

（責(zé)任編輯：李福田）

2017-01-20

馬麟（1992-），男，河北邯鄲人，碩士生，主要從事冷卻塔方面的研究。E-mail：791813689@qq.com