空氣導流裝置對大型自然通風濕式冷卻塔性能影響研究

王明勇，閔昌發(fā)，賈繼武，鄭天帥，鄧 佳，韓 立，王 斌

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.貴州粵黔電力有限責任公司，貴州 六盤水 553505；3.華能嘉祥發(fā)電有限公司，山東 濟寧 273199）

冷卻塔是發(fā)電廠冷端系統(tǒng)二次循環(huán)的重要部分，其冷卻性能直接影響機組真空，從而影響機組節(jié)能減排效果和運行經濟性[1]。文獻[2]以某引進型300 MW機組為例進行了計算，其結果顯示降低進水溫度0.1 ℃，真空可提高0.026 kPa。文獻[3]指出，循環(huán)水流量不變的前提下，由于冷卻塔的冷卻能力降低，導致出塔水溫升高1 ℃時，200 MW機組煤耗增加1.107 g/(kW·h)，300 MW機組煤耗增加0.798 g/(kW·h)。文獻[4]通過6座冷卻塔的改造實例，證明了通過改造塔芯部件提高冷卻塔的冷卻能力，可以降低煤耗2~4 g/(kW·h)，帶來顯著的節(jié)能效果。由此可見，在保證冷卻塔的結構安全、控制項目整體投資的前提下，通過科學手段提高冷卻塔的冷卻性能，進一步降低出塔水溫，可有效提高機組真空，從而降低發(fā)電煤耗，減少機組碳排放，在提高機組運行經濟性的同時，達到節(jié)能減排的目的。

冷卻塔內通風量以及風速在填料區(qū)分布的均勻性是影響冷卻塔冷卻性能的重要因素，二者受周圍環(huán)境大風的影響較大，特別是環(huán)境側風對其會產生直接的不利影響[5]。國內外學者分別通過理論研究及模擬實驗分析了環(huán)境側風對冷卻塔的影響。文獻[6-8]通過數值計算及風洞模擬發(fā)現，自然風對進塔空氣的流場存在較大影響，可以通過在上風向設置擋風墻來予以緩解。文獻[9]認為環(huán)境側風會使冷卻塔進出口的壓力分布發(fā)生改變，從而破壞進風的均勻性，安裝擋風墻可以有效降低環(huán)境側風的不利影響。文獻[10-11]通過Fluent軟件三維模擬計算，發(fā)現在環(huán)境風速為7.5 m/s時，冷卻塔的出塔水溫升高了1.7 ℃，其主要原因為側風導致冷卻塔內的水汽分布不均勻，在冷卻塔進風口安裝擋風墻可有效改善側風情況下的冷卻塔熱力性能。文獻[12]指出，十字隔墻可以減小環(huán)境側風對冷卻塔背風面雨區(qū)的沖擊，取得一定的防風效果。上述研究通過模擬、計算等不同方法，一致分析認為環(huán)境側風影響了冷卻塔的進風均勻性，破壞了塔內流場，降低了冷卻塔的冷卻能力；通過加裝擋風墻等裝置，可以被動地降低環(huán)境側風對冷卻塔的影響。

然而，對于主動引導環(huán)境側風進塔、均勻塔內流場分布這一思路，目前國內的研究基本停留在模擬計算的階段，缺乏相關的現場試驗數據作為支撐。文獻[13]指出，環(huán)境側風不僅降低了通風量，還破壞了冷卻塔周向進風的均勻性，通過優(yōu)化冷卻塔周向進風，可以增強塔內傳熱傳質均勻性，提高冷卻效率。文獻[14]認為，冷卻塔中心區(qū)域空氣的溫度高濕度大，影響整體的冷卻效果，通過在雨區(qū)外圍加裝導流板，使空氣旋轉上升，可以增加中心區(qū)域空氣擾動，增強換熱能力。

隨著國內華能楊柳青電廠、華能黃臺電廠、上海吳涇電廠、安徽蚌埠電廠等項目陸續(xù)安裝冷卻塔空氣導流裝置，針對這一技術的驗證研究也越發(fā)迫切。目前國內安裝空氣導流裝置的冷卻塔，普遍為600 MW級或300 MW級機組配用，并且上述冷卻塔環(huán)境年平均風速低于3 m/s，實際的應用效果并不明顯，缺乏技術經驗和示范效應。隨著國內機組的大型化，冷卻塔面積也越來越大，針對環(huán)境大風地區(qū)1 000 MW機組的自然通風冷卻塔設置空氣導流裝置進行試驗研究，不僅可以對這一技術進行有效驗證，也可以為后續(xù)同類項目提供設計依據。

1 主要研究內容及測試工況

東南沿海地區(qū)某電廠冷端采用二次循環(huán)冷卻塔方案，每臺機組配置一座13 000 m2自然通風冷卻塔，當地累計環(huán)境年平均風速5.27 m/s。為優(yōu)化冷卻塔進風方式，在1號冷卻塔內按照常規(guī)方式設置了十字擋風墻，在2號冷卻塔進風口人字柱外均勻設置了空氣導流裝置。塔芯部件為S型波淋水填料，PVC材質，采用不等高布置方式。內區(qū)、中區(qū)、外區(qū)填料組裝高度分別為1.50、1.75、2.00 m。配水系統(tǒng)采用中央豎井，主水槽呈正交布置，配水管分雙層，實行內外區(qū)分區(qū)配水。

1號、2號冷卻塔布置在沿海區(qū)域，是臺風多發(fā)地區(qū)，累年環(huán)境平均風速達5.27 m/s，為國內同類型工程之最。冷卻塔周圍及塔內的空氣流場、溫度場與平原地區(qū)相比，存在較大的差異，必須采取降低自然風不利影響的措施。

1.1 主要研究內容

通過對1號冷卻塔（不設空氣導流裝置）和2號冷卻塔（設置空氣導流裝置）分別進行熱力性能實測，取得在不同機組負荷工況、不同環(huán)境側風速條件下冷卻塔的進塔水溫、出塔水溫、大氣壓力、進塔干球溫度、進塔濕球溫度、出塔氣溫、循環(huán)水量等熱力性能測試數據，從而獲得冷卻塔冷卻能力、熱力特性曲線等。

通過測試結果與設計的冷卻塔熱力性能進行對比分析，對2號安裝空氣導流裝置的冷卻塔熱力特性和冷卻能力作出評價和分析；同時對比不同風速下2座冷卻塔的性能，得到冷卻塔熱力性能隨環(huán)境風速變化的趨勢與規(guī)律。

1.2 測試工況

為比較不設空氣導流裝置的1號冷卻塔和設置空氣導流裝置的2號冷卻塔在環(huán)境風影響下的冷卻性能，設置測試工況1—工況3，對應環(huán)境風速范圍分別為0~3、3~5、5~8 m/s。

為保持2座冷卻塔運行狀態(tài)一致性，各工況測試過程中，1號、2號機組保持額定負荷穩(wěn)定運行，循環(huán)水系統(tǒng)聯絡門關閉，循環(huán)水泵運行方式相同。2臺機組均為100%負荷，2臺循環(huán)水泵運行，以確保 2座冷卻塔處于同一運行條件。

測試過程中，2臺機組保持單元制運行，所有測試數據同步記錄。

1.3 參數變化范圍

測試過程中各工況的測量參數變化范圍見表1。

表1 參數變化范圍Tab.1 The parameter variation range

2 試驗模型及計算方法

濕式冷卻塔中，水向空氣散熱主要是蒸發(fā)散熱與接觸散熱，以蒸發(fā)散熱為主。這一熱力過程中包含傳熱和傳質2部分。針對蒸發(fā)散熱的機理，美國的Irving Langmuir于1912年提出，蒸發(fā)的水分子首先在水的表面形成與水體同溫的飽和空氣層，隨后再向大氣中擴散[15]。德國的Merkel于1925年提出將水面飽和空氣層與濕空氣的焓差作為散熱推動力，進一步將傳熱與傳質2部分統(tǒng)一起來[15]。以此為基礎，結合濕空氣的狀態(tài)方程，可以得到冷卻塔計算的基本公式為

式中，Ω為冷卻數，t1、t2分別為冷卻塔進出水溫，cw為水的比熱容，h"為與水溫對應的飽和空氣比焓，h為濕空氣比焓。

根據容積散質系數的定義，可以得到逆流式冷卻塔的計算公式為

式中，Ka為容積散質系數，q為淋水密度，H為淋水填料高度。

根據《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》（DL/T 1027—2006），由實測工況參數，求出修正到設計條件下的冷卻能力為

式中，ηsQ為實測冷卻能力，Qc為修正到設計工況條件下的冷卻水量，Qd為設計冷卻水流量，Gt為實測進塔干空氣量，λc為修正到設計工況條件下的氣水比。

根據實測工況參數，最小二乘法擬合成熱力性能方程式：

式中，λ為氣水比，m為試驗指數，A為系數。

根據《工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范》（GB/T 50102—2014），在冷卻塔出塔水溫計算過程中，冷卻塔的通風阻力系數為

式中，ζa為從冷卻塔進風口至喉部的阻力系數（不包括雨區(qū)），ζb為淋水狀態(tài)下的雨區(qū)阻力系數，ζe為冷卻塔出口的阻力系數。

在環(huán)境風速數據的測量中，測點高度為距地2.5 m的上風向開闊地帶，根據公式(5)來將其修正至10 m高程的風速數據：

式中：v2為10 m高程處的風速；v1為實測風速；z2=10 m，z1=2.5 m；α為風切變指數，由于缺乏當地不同高度的實測風速數據，此處α根據《風電場風能資源評估方法》（GB/T 18710—2002）取0.143（1/7）作為近似值。

3 試驗結果分析

根據現場試驗獲得的實測數據，計算冷卻塔在不同環(huán)境風速下的氣水比與冷卻數，并用最小二乘法將冷卻數擬合成Ω=f(λ)方程式，按照環(huán)境風速與1號、2號冷卻塔出塔水溫差的對應關系，得到出塔水溫差隨環(huán)境風速的變化趨勢。

3.1 冷卻塔實測熱力性能

試驗按照DL/T 1027—2006進行測量。進出塔水溫測點設置在中央豎井及回水溝，出塔空氣溫度設置在塔內人工通道上方。進水塔水溫、出塔空氣溫度采用Pt-100型鉑電阻溫度計測量，儀表測量范圍0~80 ℃，分辨率0.01 ℃，精度A級。用精密水銀溫度計對上述測點進行校核。精密水銀溫度計測量范圍0~50 ℃，最小分度值0.1 ℃，精度0.2級。環(huán)境風速采用旋杯式風向風速儀，測量范圍0~30 m/s，分辨率0.1 m/s。進塔水流量測點設置在上水母管具備測量條件處，采用超聲波流量計測量，測量范圍0~32 m/s，分辨率0.001 m/s，測量精度±1.0%。

受現場測試條件的限制，無法較大幅度地對冷卻塔的循環(huán)水量進行調節(jié)，因而冷卻塔的氣水比變化幅度不大，在擬合Ω=f(λ)方程式時，本文選取設計冷卻塔淋水填料熱力性能方程式指數0.73來作為實測性能熱力性能方程式的指數。

由于不同環(huán)境風速下冷卻塔的熱力性能存在一定程度的差別，因此，在對冷卻塔的熱力性能進行擬合時，根據實測數據的情況，將冷卻塔熱力性能方程式按照環(huán)境風速“v＜3 m/s”“3 m/s≤v＜5 m/s”“5 m/s≤v＜8 m/s”的不同，做了相應的分類，并分別進行擬合，具體結果見表2。

表2 冷卻塔實測熱力性能Tab.2 The measured thermal performance of cooling towers

從表2可以看出：隨著環(huán)境風速的增大，2座冷卻塔的熱力性能均逐漸降低，不設空氣導流裝置的1號冷卻塔的熱力性能下降明顯，設置空氣導流裝置的2號冷卻塔的熱力性能下降相對趨緩；相同氣水比下冷卻數表征了冷卻塔綜合熱、質交換能力特性，在常用氣水比下1號塔冷卻數下降幅度超過2號塔，且風速越大，1號塔冷卻數下降越大，1號塔冷卻數與2號塔冷卻數差值越大。

3.2 出塔水溫差隨環(huán)境風速變化趨勢

2座冷卻塔在不同環(huán)境風速下的出塔水溫及溫差數據見表3。

由表3可見：環(huán)境風速v＜3 m/s，2座冷卻塔出塔水溫基本一致，出塔水溫差值變化范圍為0.01~0.18 ℃；3 m/s≤v＜5 m/s，2座冷卻塔出塔水溫差值變化范圍為0.24~0.61 ℃；5 m/s≤v＜8 m/s，2座冷卻塔出塔水溫差值變化范圍為0.71~0.97 ℃。

綜上所述，受環(huán)境風速的影響，不設空氣導流裝置的1號冷卻塔比設置空氣導流裝置的2號冷卻塔的出塔水溫偏高，并且隨著環(huán)境風速的不斷增大，二者的出塔水溫差也進一步升高。

在擬合的2座冷卻塔實測性能熱力性能方程式的基礎上，將冷卻塔循環(huán)水流量和機組負荷修正到同一狀態(tài)下，可以得到2座冷卻塔的修正出塔水溫差值如圖1所示。從圖1可以看出，除個別工況點的水溫差值互有高低外，修正的出塔水溫差與實測的出塔水溫差整體趨勢保持一致。

4 結 論

1）在年平均環(huán)境風速較大地區(qū)，逆流式自然通風冷卻塔設置空氣導流裝置可以有效降低環(huán)境風速對冷卻塔熱力性能的不利影響，與不設空氣導流裝置的冷卻塔相比較，其熱力性能隨環(huán)境風速增加的下降趨勢得以減緩，從而保證冷卻塔熱力性能相對良好，出塔水溫滿足機組凝汽器運行要求。

2）冷卻塔在一機2臺循環(huán)水泵、機組100%負荷率工況條件下，設置空氣導流裝置與不設空氣導流裝置相比較，環(huán)境風速v＜3 m/s、3 m/s≤v＜5 m/s、5 m/s≤v＜8 m/s時出塔水溫差平均值分別為0.07、0.47、0.83 ℃。