張新江 唐元明 范雙雙 胡金偉 劉東旭

摘 要：H電廠所在區(qū)域?yàn)榈刂泻Ｒ了箍系聜悶澈｝敱Ｗo(hù)區(qū)，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目的，同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境進(jìn)行保護(hù)。本文首先對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)冷端進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定了冷卻塔出水溫度值及對(duì)應(yīng)汽輪機(jī)組TRL工況的背壓值。進(jìn)而對(duì)冷卻塔的參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步分析，同時(shí)得到冷卻塔的初步選型，并根據(jù)上述優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，對(duì)冷卻塔的選型進(jìn)行了論證。最后通過ANSYS有限元法對(duì)冷卻塔的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬計(jì)算，以此達(dá)到冷卻塔安全穩(wěn)定的要求。計(jì)算結(jié)果不僅對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的，而且為此類冷卻塔的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：自然通風(fēng)排煙循環(huán)水系統(tǒng)海水冷卻塔冷端優(yōu)化有限元法

中圖分類號(hào)：TK-9

Type Selection Analysis of Seawater Cooling Tower with Natural Ventilation and Smoke Exhaust in H Power Plant

ZHANG Xinjiang 1 TANG Yuanming 1 FAN Shuangshuang 2 HU Jinwei3 LIU Dongxu 2

（1. EMBA Power Generation Co.， Ltd.， Istanbul， 34330Turkey;

2. Harbin Wohua Intelligent Power Generation Equipment Co.， Ltd.， Harbin Heilongjiang Province， 150001 China;

3. East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd of China Power Engineering Consulting Group， Shanghai， 200063 China）

Abstract： H power plant is located in the sea turtle conservation area of Iskenderun Bay in the Mediterranean Sea. It is designed to achieve the purpose of energy saving and environmental protection while protecting the local marine environment. In this paper， the cold end of the circulating water system is optimized and the outlet temperature of the cooling tower and the corresponding back pressure of the turbine unit under TRL condition are determined. Then the parameters and structure of the cooling tower are preliminarily analyzed， and the preliminary type selection of the cooling tower is obtained. According to the results of the above optimization calculation， the type selection of the cooling tower is demonstrated. Finally， the stability of the cooling tower is simulated by ANSYS finite element method， so as to meet the requirements of safety and stability of the cooling tower. The calculation results not only achieve the purpose of protecting the local environment， but also provide some theoretical guidance for the design of this kind of cooling tower.

Key Words： Natural ventilation and smoke exhaust; Circulating water system; Seawater cooling tower; Optimization of cold-end system; Finite element method

目前，改建或新建的冷卻塔排煙技術(shù)已經(jīng)普遍流行起來，國(guó)內(nèi)從2005年開始，陸續(xù)興建了大量的煙塔合一項(xiàng)目[1]。煙塔合一技術(shù)取排水量小，具有排水溫升低、污染物排放源強(qiáng)優(yōu)化和煙氣抬升等優(yōu)勢(shì)[2-3]。計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)有效地模擬出電廠煙氣排放中一些污染物的形態(tài)[4]。同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證方法，證明了高寬比大塔型的冷卻塔的優(yōu)勢(shì)很大，最主要的是對(duì)周圍環(huán)境的影響較小[5]。側(cè)風(fēng)與自然通風(fēng)冷卻塔相互影響，不同自然通風(fēng)冷卻方式的側(cè)風(fēng)效應(yīng)及其作用機(jī)理，對(duì)冷卻塔構(gòu)架也有不同的作用[6]。對(duì)于冷卻塔的穩(wěn)定性計(jì)算方面，可以進(jìn)行局部的實(shí)驗(yàn)研究，然后選取有效的參數(shù)進(jìn)而對(duì)冷卻塔的穩(wěn)定性進(jìn)行探討[7，8]。不同的冷卻塔的計(jì)算公式并不相同，通過對(duì)不同計(jì)算公式進(jìn)行評(píng)價(jià)可以得出，其中對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響的主要參數(shù)有熱量系數(shù)、熱平衡誤差、空氣密度等[9-10]。

H電廠處于海龜保護(hù)區(qū)，在水環(huán)境方面，本工程采用二次循環(huán)后，取排水量大幅減小，排水溫度降低，冷卻塔排水除鹽分較原水略高外，無新增其他污染因子，對(duì)海域環(huán)境生態(tài)影響有明顯改善。采用煙塔合一的循環(huán)水冷卻方式，通過冷端優(yōu)化計(jì)算，初步確定冷卻塔的面積，詳細(xì)分析了冷卻塔的選型，對(duì)冷卻塔的穩(wěn)定性也進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為今后該類裝置的設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化計(jì)算

1.1 循環(huán)水系統(tǒng)概述

按照常規(guī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，每臺(tái)660MW機(jī)組配置1座自然通風(fēng)排煙海水冷卻塔，2臺(tái)循環(huán)水泵，循環(huán)水供水和排水管各1條。

1.2循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果分析

按照上述設(shè)計(jì)輸入，并根據(jù)上海電氣集團(tuán)股份有限公司提供的凝汽器微增功率曲線，其相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，考慮到二次循環(huán)660MW機(jī)組凝汽器面積選用的通用性及機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，本工程擬選用排名加權(quán)平均背壓最低的方案。即循環(huán)水系統(tǒng)按TMCR工況計(jì)算，凝汽器總冷卻面積32000m2、夏季循環(huán)水冷卻倍率57倍（對(duì)應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)水量19.15m3/s）。

1.3 循環(huán)水系統(tǒng)冷端優(yōu)化計(jì)算確定汽輪機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)背壓值

上述優(yōu)化結(jié)果：在夏季冷卻倍率為57倍的條件下，逐月平均氣象條件冷卻塔的年平均出塔水溫約21.94℃，對(duì)應(yīng)汽輪機(jī)機(jī)組TMCR工況設(shè)計(jì)背壓約5.45kPa。（由于冷卻塔逐月出塔水溫均在15℃以上，因此不需考慮冬季“無效低溫”因素）。

1.4 循環(huán)水系統(tǒng)夏季TRL校核工況計(jì)算

按照現(xiàn)有優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，對(duì)2008—2012年共5年夏季（6、7、8月）10%氣象條件（濕球溫度25.9℃、干球溫度30.3℃，相對(duì)濕度71%，平均氣壓998.8hPa），汽輪機(jī)組TRL工況，循環(huán)水系統(tǒng)流量19.15m3/s進(jìn)行校核計(jì)算，冷卻塔出水溫度為30.82℃，對(duì)應(yīng)汽輪機(jī)組TRL工況的背壓值為8.62kPa。

2常規(guī)自然通風(fēng)排煙冷卻塔選型

2.1 冷卻塔初步選型

常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔的循環(huán)水供水高程如圖1所示。根據(jù)冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，本工程采用常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔擬采用瘦高型9000m2雙曲線逆流式自然通風(fēng)排煙海水冷卻塔方案，冷卻塔主要尺寸見表2所示。

2.2 冷卻塔結(jié)構(gòu)分析

采用冷卻塔計(jì)算專用程序+大型通用有限元ANSYS同時(shí)進(jìn)行對(duì)比分析的方法對(duì)淋水面積9000m2的排煙冷卻塔結(jié)構(gòu)分析。由于三維問題的復(fù)雜性較強(qiáng)，可以對(duì)三維冷卻塔問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，冷卻塔具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即可簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的二維問題。有限元整體模型見圖2。

冷卻塔穩(wěn)定計(jì)算除了按照規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定分析方法進(jìn)行分析外，本文同時(shí)利用ANSYS軟件進(jìn)行基于經(jīng)典力學(xué)理論的有限元屈曲穩(wěn)定分析，計(jì)算的荷載為自重、風(fēng)荷載和內(nèi)吸力，屈曲荷載組合參考德國(guó)VGB規(guī)范取為 （G+W）。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，第一階屈曲荷載系數(shù)為12.742，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)風(fēng)壓，證明該冷卻塔具有良好的穩(wěn)定性，第一階屈曲模態(tài)具體見圖3。

3結(jié)語

本工程采用二次循環(huán)方案，取排水量均大幅減小，排水溫度降低，對(duì)海域環(huán)境及海域生態(tài)影響較小。同時(shí)，通過冷端優(yōu)化計(jì)劃后，采用煙塔合一技術(shù)，同時(shí)通過有限元法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，不僅有效保證了凝汽器背壓，而且保證了選型的安全性和穩(wěn)定性。

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