火電廠超大冷卻塔配水系統(tǒng)優(yōu)化

王 東， 程 凱， 王志韓

(1. 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院， 鄭州 450008；2. 中國電力建設(shè)集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計院有限公司， 鄭州 450007)

目前，我國大中型火力發(fā)電廠超大冷卻塔的配水方式大多采用中央豎井的槽管結(jié)合式的管式配水布置方案，即塔體內(nèi)主進(jìn)水管和主配水管為槽式，分配水管為管式配水系統(tǒng)。為減少壓力損失，管道設(shè)計大多采用光滑硬聚氯乙烯塑料材質(zhì)。淋水面積超過11 000 m2的冷卻塔為超大冷卻塔，國內(nèi)對超大冷卻塔配水系統(tǒng)的研究較少。王豐等[1]將遺傳算法引入水力計算中，并提出了管式配水的優(yōu)化計算方法；趙順安等[2]對12 000 m2淋水面積的超大冷卻塔進(jìn)行了水力計算分析。國內(nèi)對超大冷卻塔配水系統(tǒng)的計算研究大部分只考慮配水主管、支管、中央豎井的壓力損失，沒有將噴頭特性納入計算，而噴頭特性會對整個配水系統(tǒng)的均勻性產(chǎn)生影響。

為了提高配水系統(tǒng)計算的精確性，筆者利用管網(wǎng)流體分析軟件PIPENET，對14 000 m2淋水面積的超大冷卻塔配水系統(tǒng)(包括噴頭、配水管網(wǎng)、中央豎井等)建立水力整體模型，并對管網(wǎng)進(jìn)行水力計算和研究分析，以及對噴頭進(jìn)行優(yōu)化選型。通過對多種工況條件下的計算結(jié)果進(jìn)行分析研究，探究超大冷卻塔配水系統(tǒng)的較優(yōu)方案，以為超大冷卻塔配水系統(tǒng)水力計算提供參考。

1 水力計算方法

1.1 計算原理

超大冷卻塔配水系統(tǒng)水力計算主要分為管網(wǎng)設(shè)計計算和管網(wǎng)及噴頭水力優(yōu)化計算。管網(wǎng)設(shè)計計算主要包括管徑賦值計算和管網(wǎng)系統(tǒng)水力驗算優(yōu)化。管徑賦值計算是利用PIPENET軟件建立管道規(guī)格類型庫及配水管網(wǎng)模型(管徑未知)，根據(jù)給定已知邊界條件和允許最大流速，計算出所需的配水管管徑。配水系統(tǒng)水力計算優(yōu)化是依據(jù)計算得出的管徑，進(jìn)行管網(wǎng)水力計算和配水均勻性驗證，通過計算調(diào)整管道布置和規(guī)格，最終保證配水系統(tǒng)均勻性。

水力計算主要采用Darcy-Weisbach公式計算沿程阻力和局部阻力；采用Gardel公式計算三通管路的局部壓力損失，在計算分流阻力和直通阻力時考慮了分流流量比與面積比等因素，較符合配水管與噴頭的三通管路特點，計算結(jié)果精度較高。

1.2 噴頭特性模擬

冷卻塔噴頭采用反射Ⅱ型，噴頭見圖1。噴頭下方有上下重疊的兩層濺散盤，水向下沖擊下層濺散盤后，上濺到上層濺散盤，通過兩盤之間的濺散與反射形成直徑較小的水滴。

圖1 反射Ⅱ型噴頭

噴頭實測流量曲線見圖2。

圖2 噴頭實測流量曲線

PIPENET軟件自帶噴頭模型，通過設(shè)置噴頭的管徑、流量系數(shù)、縮頸系數(shù)，可得到性能參數(shù)與實際相符合的配水噴頭。將所建噴頭模型與實際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，在相同壓力條件下，噴頭體積流量誤差控制在3%，因此噴頭模擬計算較為精確。噴頭水力計算公式為：

(1)

式中：p為壓力，Pa；A為過流面積，m2；qm為質(zhì)量流量，kg/s；Cd為流量系數(shù)，取0～1.0；Cv為噴頭縮頸系數(shù)，取0～1.0；ρ為水密度，kg/m3。

2 配水系統(tǒng)模型及參數(shù)設(shè)置

某電廠有2臺1 000 MW機(jī)組，每臺機(jī)組擬采用一座淋水面積為14 000 m2的雙曲線逆流式自然通風(fēng)冷卻塔。配水采用單豎井、管槽結(jié)合配水型式。主水槽呈十字布置，2條主水槽為雙層，2條主水槽為單層，均為混凝土結(jié)構(gòu)。配水管采用硬聚氯乙烯塑料管。為避免冬季2臺水泵運行時冷卻水量減少引起噴頭水壓降低及出現(xiàn)掛冰現(xiàn)象，冷卻塔采用內(nèi)外分區(qū)配水方式，冬季僅外區(qū)配水。配水管間距為1 m；噴濺裝置為TP-II型，間距一般為1 m。

由于超大冷卻塔配水系統(tǒng)較為復(fù)雜，噴頭和配水管道的數(shù)量也較多。因此，必須對計算模型進(jìn)行簡化處理?？紤]到冷卻塔配水管網(wǎng)是平面雙向?qū)ΨQ，水力計算采用冷卻塔面積的四分之一。配水系統(tǒng)共有3 305個噴頭，配水管和中央豎井等共有3 826根管道、6 963個節(jié)點。冷卻塔配水系統(tǒng)分為3個區(qū)域(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū))，其中：A區(qū)為內(nèi)圍配水，B區(qū)和C區(qū)為外圍配水。設(shè)置計算模型邊界條件中央豎井供水體積流量為24 800 m3/h，噴頭出口壓力水頭設(shè)置為0 m。對中央豎井、配水槽、配水管及噴頭進(jìn)行簡化處理后，得到水力計算模型見圖3。

圖3 簡化后的水力計算模型

3 計算及分析

3.1 水力計算工況

分析研究階段主要依據(jù)設(shè)計階段PIPENET軟件計算得出的配水管網(wǎng)規(guī)格，利用內(nèi)外圍配水系統(tǒng)的噴頭型號差異，選擇不同工況進(jìn)行計算分析，來驗證配水系統(tǒng)是否滿足配水均勻性要求，并通過對比多種工況得到較優(yōu)方案，計算工況劃分見表1。

表1 水力計算工況

冷卻塔循環(huán)倍率取55，循環(huán)水體積流量為99 200 m3/h，則四分之一塔循環(huán)水體積流量為24 800 m3/h。

3.2 配水均勻性驗證方法

同一區(qū)域內(nèi)的水量應(yīng)均勻分布，單個噴頭體積流量與同一區(qū)域平均單個噴頭體積流量相差應(yīng)不大于5%。噴頭群組合均布系數(shù)計算公式[3]為：

(2)

3.3 不同工況計算分析

通過對冷卻塔在5個工況下的計算結(jié)果進(jìn)行研究，得到冷卻塔配水計算參數(shù)見表2。

表2 冷卻塔配水系統(tǒng)計算參數(shù)

由表2可得：

(1) 內(nèi)圍(A區(qū))配水較均勻，外圍(B區(qū)和C區(qū))配水均勻性相對較差。A區(qū)靠近中央豎井，配水槽和配水主管長度也較短，壓力損失較小，作用在最近與最遠(yuǎn)噴頭的壓力變化較小，噴頭流量也比較接近。B區(qū)和C區(qū)配水槽長度較長，并且不同配水管的長度差距較大，因此各噴頭位置處的壓力水頭變化也較大，配水均勻性相對較差。

(2) 中央豎井水位隨著噴頭直徑的增大而減小，主要因為在一定流量邊界條件時，大直徑噴頭所需的壓力水頭較小，使用大直徑噴頭有利于減小循環(huán)水泵揚程。但是，均布系數(shù)隨著噴頭直徑增大而增加，大直徑噴頭易造成配水不均勻，并且其造價較高，因此實際工程中并不是直徑越大越好。

(3) 工況3和工況5的B區(qū)均布系數(shù)大于5%，配水均勻性較差；工況1比工況2和工況4的配水效果好，內(nèi)圍和外圍的均布系數(shù)都較小。因此，選擇工況1進(jìn)行校核工況計算。

3.4 校核工況計算分析

冷卻塔在工況1時，配水管網(wǎng)循環(huán)倍率分別為33(冬季時)、50、55、60的條件下，對配水均勻性進(jìn)行校核驗證計算，得到的結(jié)果見表3。由表3可得：選擇工況1時，在不同配水條件下，該工況都能滿足均勻性要求，可以將計算結(jié)果應(yīng)用于實際工程中，因此將工況1作為推薦方案。

表3 冷卻塔在工況1下配水管網(wǎng)驗算數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

以14 000 m2淋水面積的超大冷卻塔為例，利用PIPENET軟件對多工況下的配水系統(tǒng)進(jìn)行水力計算分析，并對內(nèi)外圍配水噴頭規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化選型，得到的主要結(jié)論為：

(1) 采用工況1，即內(nèi)圍噴頭直徑為28 mm、外圍噴頭直徑為30 mm的方案，配水系統(tǒng)水量分布較均勻，各區(qū)域均布系數(shù)均不大于5%，配水系統(tǒng)設(shè)計符合要求。同時，工況1配水管網(wǎng)在各工況下均能滿足配水均勻性要求，可以應(yīng)用于實際工程中。

(2) 利用PIPENET軟件能較好地將內(nèi)外圍噴頭和配水管網(wǎng)、配水槽、中央豎井等作為整體，以對配水系統(tǒng)進(jìn)行水力計算，并能對內(nèi)外圍噴頭進(jìn)行選型優(yōu)化，可為超大冷卻塔水力計算提供參考。

研究中沒有考慮冷卻塔內(nèi)外圍配水區(qū)域風(fēng)速對配水均勻性的影響，但其影響較小，計算結(jié)果精度可滿足實際工程需求。