1 000 MW機(jī)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(jié)能技術(shù)有限公司， 西安 710054)

1 000 MW機(jī)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(jié)能技術(shù)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(jī)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(jìn)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(nèi)實(shí)測風(fēng)溫分布.以該冷卻塔為例，對比分析了相同工藝參數(shù)條件下高位收水冷卻塔和常規(guī)冷卻塔出塔水溫的差異.結(jié)果表明：高位收水冷卻塔塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫在3臺循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行工況時比2臺循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行工況更均勻;高位收水冷卻塔塔內(nèi)填料處斷面風(fēng)速比常規(guī)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(guī)冷卻塔可降低0.8 K左右.

高位收水冷卻塔； 熱力性能； 風(fēng)溫分布； 出塔水溫

冷卻塔作為火力發(fā)電廠的重要冷端設(shè)備，其冷卻性能的好壞對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)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(nèi)氣水參數(shù)分布規(guī)律的研究引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注.主要開展的工作有以下3個方面：一是利用商業(yè)軟件對冷卻塔內(nèi)的氣水參數(shù)分布和換熱規(guī)律進(jìn)行數(shù)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(cè)風(fēng)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(diǎn)之一[6-9]；二是在實(shí)驗室內(nèi)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(jìn)行試驗研究，史佑吉等[10-12]對我國工業(yè)冷卻塔中較常用的塔芯部件的性能進(jìn)行了研究；三是對工業(yè)冷卻塔進(jìn)行現(xiàn)場測試，獲得工業(yè)冷卻塔的實(shí)測熱力性能，并比較實(shí)測結(jié)果與實(shí)驗室試驗結(jié)果的修正關(guān)系[13-14].高位收水冷卻塔(以下簡稱高位塔)與常規(guī)冷卻塔(以下簡稱常規(guī)塔)的最大區(qū)別是沒有雨區(qū)，可以大幅減小通風(fēng)阻力，塔內(nèi)溫度分布沿徑向較為均勻，同時由于冷卻后的循環(huán)水在一定高程部位被截流收集，其收水面保持相當(dāng)高度，再經(jīng)過循環(huán)水泵送回到主廠房，可以降低水泵揚(yáng)程，因此高位塔在節(jié)能方面的優(yōu)越性受到人們的關(guān)注[15-17].目前,國內(nèi)高位塔的工藝設(shè)計主要依靠引進(jìn)國外技術(shù),有關(guān)冷卻塔的熱力、阻力計算方法等相關(guān)資料很難在國外的設(shè)計資料中獲得[18]，而國內(nèi)關(guān)于高位塔熱力性能試驗研究的基礎(chǔ)資料也較少.

筆者對某1 000 MW機(jī)組配用的高位塔進(jìn)行了試驗研究，對高位塔內(nèi)出塔氣溫分布進(jìn)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(guī)塔的出塔水溫.

1 高位塔設(shè)計參數(shù)

某1 000 MW機(jī)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(fēng)高位塔，是國內(nèi)面積最大的高位塔之一.

1.1結(jié)構(gòu)尺寸

所研究高位塔的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1.

表1冷卻塔的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

Tab.1Structuralparametersofthehigh-levelwatercollectingcoolingtower

參數(shù)數(shù)值凈淋水面積/m212075塔總高度/m189．0進(jìn)風(fēng)口高度/m13．8塔頂直徑/m86．0喉部直徑/m82．5喉部標(biāo)高/m150．0進(jìn)風(fēng)口上緣直徑/m129．4進(jìn)風(fēng)口下緣直徑/m137．5

1.2供水與配水系統(tǒng)

該高位塔采用單元制的循環(huán)供水系統(tǒng)，每座冷卻塔配3臺循環(huán)水泵.配水系統(tǒng)采用單豎井，為管式配水系統(tǒng),主水槽呈十字正交布置.配水系統(tǒng)在內(nèi)圍設(shè)2個分區(qū)、外圍設(shè)4個分區(qū)，每個分區(qū)均可獨(dú)立控制其開啟或關(guān)閉，1/4高位塔的配水系統(tǒng)示意圖如圖1所示.

圖1 配水系統(tǒng)分區(qū)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(shè)有托架，托架用不銹鋼鋼絲懸掛在上面的混凝土梁支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu).

1.4除水器

高位塔內(nèi)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(zhì)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(shè)計氣象參數(shù)及設(shè)計水溫

該高位塔的設(shè)計氣象參數(shù)采用當(dāng)?shù)叵募绢l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(shè)計循環(huán)水流量為104 580 m3/h，設(shè)計循環(huán)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(shù)

2.1氣象參數(shù)

測試過程中，氣象參數(shù)的測量包括環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向，大氣壓力及環(huán)境空氣干、濕球溫度等參數(shù)，其中環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向測量采用帶風(fēng)向標(biāo)的旋杯式風(fēng)速風(fēng)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(huán)境空氣干、濕球溫度采用阿斯曼機(jī)械通風(fēng)干濕表測量，其分辨率為0.2 ℃，精度不低于0.5級.

2.2進(jìn)、出塔水溫

冷卻塔進(jìn)、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(jìn)塔循環(huán)水體積流量

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

2.4出塔氣溫

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

2.5填料處風(fēng)速

由于冷卻塔內(nèi)出塔空氣是接近飽和的濕空氣，測試環(huán)境惡劣，采用常規(guī)的風(fēng)速測試方法(即熱線風(fēng)速儀或葉輪風(fēng)速計)進(jìn)行塔內(nèi)風(fēng)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(fēng)速，即通過對循環(huán)水質(zhì)量流量、進(jìn)塔水溫、出塔水溫、進(jìn)塔空氣參數(shù)和出塔空氣參數(shù)的測試，采用熱平衡法計算塔內(nèi)空氣質(zhì)量流量，進(jìn)而計算填料處風(fēng)速.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1試驗參數(shù)變化范圍

分別在1臺機(jī)組3臺循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行(簡稱1機(jī)3泵)和1臺機(jī)組2臺循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行(簡稱1機(jī)2泵)工況下進(jìn)行試驗.試驗工況參數(shù)見表2.從表2可以看出，相比常規(guī)塔淋水填料處風(fēng)速為0.9～1.2 m/s左右，高位塔由于通風(fēng)阻力減小，填料處風(fēng)速提高.

表2 試驗工況參數(shù)

3.2熱力性能方程式

冷卻數(shù)與氣水比(即進(jìn)塔干空氣質(zhì)量流量與循環(huán)水質(zhì)量流量之比)的關(guān)系是反映冷卻塔熱力性能的重要參數(shù)，是冷卻塔設(shè)計的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù).冷卻數(shù)由式(1)進(jìn)行計算.

(1)

(2)

式中：Ω為冷卻數(shù)；cw為循環(huán)水的比熱容，kJ/(kg·K)；Δt為冷卻水溫差，K；h″1為溫度相當(dāng)于進(jìn)塔水溫t1時的飽和空氣比焓，kJ/kg；h″2為溫度相當(dāng)于出塔水溫t2時的飽和空氣比焓，kJ/kg；h″m為進(jìn)、出塔平均水溫tm相應(yīng)的飽和空氣比焓，kJ/kg；h1為進(jìn)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(shù)擬合成關(guān)于氣水比的冪函數(shù)關(guān)系[11].根據(jù)試驗中得到的循環(huán)水參數(shù)(進(jìn)塔水溫、出塔水溫、循環(huán)水質(zhì)量流量)和空氣參數(shù)(大氣壓力，環(huán)境空氣干、濕球溫度，出塔氣溫，填料處風(fēng)速)，對冷卻塔在1機(jī)2泵工況和1機(jī)3泵工況各工況點(diǎn)的氣水比和冷卻數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表3.

表3各工況點(diǎn)氣水比和冷卻數(shù)計算值

Tab.3Air/waterratioandnumberoftransferunitscalculatedunderdifferentconditions

工況點(diǎn)1機(jī)2泵工況1機(jī)3泵工況氣水比冷卻數(shù)氣水比冷卻數(shù)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(diǎn)的氣水比和冷卻數(shù)計算值進(jìn)行擬合，得到冷卻數(shù)關(guān)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(nèi)實(shí)測風(fēng)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(fā)揮冷卻效果，對于淋水面積大于10 000 m2的自然通風(fēng)冷卻塔，其塔內(nèi)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(nèi)實(shí)測風(fēng)溫值.表6給出了高位塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)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(jī)2泵工況運(yùn)行時塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫值

表5 1機(jī)3泵工況運(yùn)行時塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫值

表6塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫均方根誤差

Tab.6RMSerrorofairtemperaturesmeasuredinthecoolingtower

位置1機(jī)2泵工況塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫均方根誤差/K1機(jī)3泵工況塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)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(shù)條件下常規(guī)塔和高位塔出塔水溫的比較

由于高位塔沒有雨區(qū)，其通風(fēng)阻力相比常規(guī)塔較小.關(guān)于高位塔阻力系數(shù)的計算方法很難在公開的資料中找到[18]，我國發(fā)電廠工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)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(jù)該高位塔設(shè)計資料中給出的夏季工況的阻力系數(shù)值，結(jié)合我國常規(guī)塔熱力阻力計算方法，比較分析了夏季逐月氣象參數(shù)條件下常規(guī)塔與高位塔的出塔水溫，計算中采用的常規(guī)塔與高位塔塔型結(jié)構(gòu)尺寸、淋水填料形式及高度等塔芯材料參數(shù)均相同.

高位塔的阻力系數(shù)采用測試塔設(shè)計說明書中給出的該冷卻塔夏季工況的阻力系數(shù)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(shù)值均為30.5.常規(guī)塔的阻力系數(shù)計算公式采用我國工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范[19]中推薦的計算公式，即

(5)

(6)

(8)

(9)

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

按照式(5)，依據(jù)該高位塔的結(jié)構(gòu)尺寸和塔芯部件阻力系數(shù)，計算得到同樣結(jié)構(gòu)尺寸常規(guī)塔的總阻力系數(shù)為79.3，此高位塔的阻力系數(shù)約為常規(guī)塔的68%.依據(jù)冷卻塔實(shí)測熱力性能方程式(3)和對冷卻塔阻力系數(shù)的計算結(jié)果，按照我國工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)尺寸和塔芯部件的常規(guī)塔和高位塔的出塔水溫進(jìn)行計算，結(jié)果見表7.由表7可知，在相同的塔型參數(shù)、循環(huán)水流量(104 580 m3/h)、循環(huán)水溫差(8.97 K)和氣象參數(shù)條件下，6月、7月、8月份時高位塔出塔水溫比常規(guī)塔低0.8 K左右.

表7 夏季逐月氣象參數(shù)條件下出塔水溫計算值

4 結(jié) 論

(1) 對某1 000 MW機(jī)組配用的凈淋水面積為12 075 m2的高位塔的熱力性能進(jìn)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(shè)計提供參考.

(2) 高位塔在1機(jī)2泵工況運(yùn)行時塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫均方根誤差為0.98～2.88 K，1機(jī)3泵工況運(yùn)行時塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫均方根誤差為0.81～2.10 K，1機(jī)3泵工況運(yùn)行時塔內(nèi)實(shí)測風(fēng)溫分布較均勻.

(3) 由于高位塔阻力系數(shù)減小的緣故，夏季工況高位塔塔內(nèi)填料斷面平均風(fēng)速為1.5～1.6 m/s，相比常規(guī)塔淋水填料處0.9～1.2 m/s的風(fēng)速明顯增大，冷卻塔的換熱能力增強(qiáng)，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(guī)塔降低0.8 K左右，冷卻效果更好，具有節(jié)能優(yōu)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

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