高位收水冷卻塔冷卻性能自主化設(shè)計(jì)計(jì)算對比研究

范 攀，杜志方，楊迎哲，李 誠，王 蓓

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2.中國電力國際發(fā)展有限公司平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467033)

0 引言

冷卻塔的作用是將攜帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣[1]。高位收水冷卻塔是一種節(jié)能環(huán)保型自然通風(fēng)濕式冷卻塔，相比常規(guī)濕冷塔，其利用設(shè)置在淋水填料下方的收水裝置將循環(huán)水在高位收集，提高了循環(huán)水泵吸水水位，從而顯著節(jié)約了循環(huán)水泵揚(yáng)程，且有效降低了冷卻塔雨區(qū)噪音，可以說高位收水冷卻塔是冷卻塔家族的先進(jìn)代表。

上世紀(jì)90年代，我國自主設(shè)計(jì)建造了國內(nèi)第一座300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組的高位收水冷卻塔，但2016年之前國內(nèi)已投運(yùn)的1 000 MW級燃煤發(fā)電機(jī)組高位收水冷卻塔均為直接引進(jìn)外方技術(shù)設(shè)計(jì)，其中以歐洲某公司高位冷卻塔技術(shù)占主導(dǎo)地位，高位收水冷卻塔工藝布置復(fù)雜，各部件熱力、阻力系數(shù)均被嚴(yán)格保密，以致其技術(shù)服務(wù)費(fèi)用高昂，工程單位造價(jià)居高不下，因此盡快突破高位冷卻塔技術(shù)壁壘具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，國內(nèi)相繼開展了超大型高位收水冷卻塔的自主化設(shè)計(jì)研究，通過物理模型、數(shù)學(xué)模型，甚至等比例實(shí)物模型研究了高位收水冷卻塔的熱力、阻力特性，并優(yōu)化了高位收水裝置的水力特性、濺漏水率、力學(xué)特性及節(jié)點(diǎn)連接等內(nèi)容。

本文是在筆者所屬公司多年來對高位收水冷卻塔技術(shù)研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以國內(nèi)已投運(yùn)的某歐洲公司設(shè)計(jì)的燃煤發(fā)電機(jī)組高位收水冷卻塔為依托，將該高位塔冷卻性能自主化計(jì)算結(jié)果與國外高位塔工程公司對該塔的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比分析，同時(shí)也與該高位塔的實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究，綜合分析自主化計(jì)算方法及結(jié)果的可靠性，進(jìn)一步提高我們的設(shè)計(jì)水平，降低國內(nèi)高位收水冷卻塔的綜合造價(jià)。

1 依托工程冷卻塔概況

依托工程建設(shè)2×1 000 MW超超臨界濕冷機(jī)組，每臺機(jī)組各配置一臺冷卻面積為60 000 m2的凝汽器和一座填料淋水面積為12 500 m2的逆流式自然通風(fēng)高位收水冷卻塔。高位收水冷卻塔由歐洲某冷卻塔工程公司總體設(shè)計(jì)施工，整塔淋水填料、噴頭、收水裝置等均由外方進(jìn)口提供并安裝。

2015年5月項(xiàng)目正式并網(wǎng)發(fā)電，同年8月業(yè)主對高位收水冷卻塔進(jìn)行了現(xiàn)場性能考核試驗(yàn)，在接近夏季10%氣象頻率設(shè)計(jì)工況下，高位收水冷卻塔實(shí)測冷卻能力優(yōu)于設(shè)計(jì)計(jì)算值。

2 設(shè)計(jì)工況下設(shè)計(jì)值對比

設(shè)計(jì)工況下設(shè)計(jì)值對比是以上述高位收水冷卻塔為依托，在相同氣象資料、熱力參數(shù)(相同循環(huán)水量和溫升)、冷卻塔尺寸、塔芯材料參數(shù)下，通過自主化計(jì)算方法計(jì)算得出設(shè)計(jì)工況下的出塔水溫，將其與外方設(shè)計(jì)的出塔水溫進(jìn)行對比分析。

2.1 冷卻塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.1 氣象參數(shù)及熱力參數(shù)

設(shè)計(jì)工況下依托高位收水冷卻塔氣象參數(shù)及熱力參數(shù)匯總見表1所列。

表1 設(shè)計(jì)工況氣象參數(shù)及熱力參數(shù)表

2.1.2 冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)

依托高位收水冷卻塔塔型參數(shù)見表2所列。

表2 冷卻塔尺寸參數(shù)表

2.1.3 塔芯淋水填料

本工程塔芯采用Cool film-SNCS型淋水填料，聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)材質(zhì)，片間距為20 mm，懸吊方式安裝，高度1.5 m。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算對比

2.2.1 自主化計(jì)算輸入數(shù)據(jù)表

自主化計(jì)算氣象及熱力參數(shù)見表1所列；冷卻塔尺寸輸入?yún)?shù)見表2所列；塔芯填料參數(shù)整理匯總見表3所列。

表3 塔芯填料參數(shù)表

2.2.2 自主化計(jì)算依據(jù)

1)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

自主化設(shè)計(jì)計(jì)算參考使用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要包括：T/CSEE 0146—2020《高位收水冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]、GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 50102—2014《工業(yè)循環(huán)冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL/T 5525—2017《冷卻塔塔芯部件選擇設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和DL/T 742—2019《冷卻塔塑料部件技術(shù)條件》等。

2)計(jì)算公式

式中：N為冷卻數(shù)；Ψ為熱力計(jì)算綜合修正系數(shù)；A為淋水填料的熱力特性系數(shù)；λ為氣水比；m為淋水填料的熱力特性指數(shù)；t1為進(jìn)塔水溫，℃；t2為出塔水溫，℃；Cw為循環(huán)水比熱，kJ/(kg·℃)；dt為溫度積分單元，℃；h''為與水溫相應(yīng)的飽和空氣比焓，kJ/kg；h為濕空氣的比焓，kJ/kg。

依據(jù)各實(shí)測有效試驗(yàn)點(diǎn)的冷卻數(shù)，用最小二乘法擬合本工程熱力性能方程式，其中淋水填料的熱力特性系數(shù)Ψ為2.13，淋水填料的熱力特性指數(shù)m為0.56。

式中：H為冷卻塔的全部通風(fēng)阻力，Pa；ξ為冷卻塔通風(fēng)總阻力系數(shù)；ρm為計(jì)算空氣密度，kg/m3；vm為淋水填料計(jì)算斷面的平均風(fēng)速，m/s。

式中：Z為冷卻塔抽力，Pa；He為冷卻塔有效抽風(fēng)高度，m；g為重力加速度，m/s2；ρ1為冷卻塔進(jìn)塔濕空氣密度，kg/m3；ρ2為冷卻塔出塔濕空氣密度，kg/m3。

3)自主化計(jì)算冷卻塔阻力系數(shù)

高位收水冷卻塔在阻力方面與常規(guī)冷卻塔的最大區(qū)別是其沒有雨區(qū)，相比常規(guī)冷卻塔增加了收水斜板和收水槽裝置，通過對依托工程熱力性能說明書中相關(guān)高位冷卻塔結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、夏季10%頻率氣象參數(shù)下熱力參數(shù)等數(shù)據(jù)的反算得到高位收水冷卻塔總阻力系數(shù)ξ為53.71，塔進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù)ξ1為6.07，收水裝置與淋水填料阻力系數(shù)ξ2為25.94，配水系統(tǒng)與除水器阻力系數(shù)ξ3為6.08，環(huán)境風(fēng)影響阻力系數(shù)ξ4為9.63，冷卻塔出口阻力系數(shù)ξ5為5.99。

我國冷卻塔研究機(jī)構(gòu)研究了風(fēng)筒式自然通風(fēng)逆流式冷卻塔的通風(fēng)阻力，通過對模型塔的阻力試驗(yàn)研究，建立了冷卻塔內(nèi)氣流總阻力系數(shù)的計(jì)算方法。采用該計(jì)算方法并根據(jù)依托高位收水冷卻塔的結(jié)構(gòu)尺寸及上述反算結(jié)果，計(jì)算得本次自主化設(shè)計(jì)采用的總阻力系數(shù)ξ約為49.03，其中從塔的進(jìn)風(fēng)口至塔喉部的阻力系數(shù)ξa為4.39，冷卻塔出口阻力系數(shù)ξb為4.64。

2.2.3 自主化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對比

自主化計(jì)算淋水填料的有效面積為毛面積減去配水槽、中央豎井、填料支柱截面和懸吊桿的阻風(fēng)面積，通過自主化設(shè)計(jì)計(jì)算，在設(shè)計(jì)工況下的出塔水溫對比見表4所列。

表4 設(shè)計(jì)工況下出塔水溫對比表℃

由表4可以看出，夏季頻率10%氣象條件下，換熱溫差8.97 ℃時(shí)，自主化設(shè)計(jì)計(jì)算出塔水溫較引進(jìn)設(shè)計(jì)值高0.11 ℃；年平均氣象條件下，換熱溫差8.73 ℃時(shí)，自主化設(shè)計(jì)計(jì)算出塔水溫較引進(jìn)設(shè)計(jì)值低0.13 ℃。

2.3 小結(jié)

從計(jì)算結(jié)果的對比看，自主化計(jì)算結(jié)果與引進(jìn)技術(shù)計(jì)算值的平均絕對值偏差在0.12℃范圍內(nèi)，最大絕對值偏差為0.13℃。參考DL/T 1027—2006《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》中對被測冷卻塔冷卻能力評價(jià)的規(guī)定，即當(dāng)塔的實(shí)測冷卻能力達(dá)到95%及以上時(shí)，應(yīng)視為達(dá)到設(shè)計(jì)要求。一般來說，當(dāng)對采用不同計(jì)算方法得出的出塔水溫，其計(jì)算偏差在±0.3℃以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為是可接受的。因此可以看出自主化計(jì)算結(jié)果與外方計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。

3 工業(yè)塔測試值和自主化計(jì)算值對比

3.1 依托高位塔測試

以第1章所述高位冷卻塔為依托，所有測試數(shù)據(jù)均來自對該高位塔的觀測結(jié)果，冷卻塔熱力性能測試依據(jù)CTI Code ATC—105《冷卻塔驗(yàn)收測試規(guī)程》和《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》相關(guān)內(nèi)容。

3.1.1 測試工況

8月份對高位收水冷卻塔在循環(huán)水滿流量(三臺循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行)，全塔配水和汽輪機(jī)負(fù)荷1 000 MW的工況下，進(jìn)行了性能測試試驗(yàn)。

觀測參數(shù)主要包括：環(huán)境干球溫度、環(huán)境濕球溫度、大氣風(fēng)速風(fēng)向、大氣壓力、進(jìn)塔水溫度、進(jìn)塔水量和出塔水溫等其他運(yùn)行參數(shù)。

3.1.2 主要測試參數(shù)合規(guī)性

根據(jù)《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》，判斷主要測試參數(shù)允許偏離設(shè)計(jì)值范圍的合規(guī)性，主要測試參數(shù)合規(guī)性匯總見表5所列。

表5 主要測試參數(shù)合規(guī)性匯總表

3.1.3 測試工況數(shù)據(jù)表[2]

對收集到的多組原塔有效測試數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選，按數(shù)據(jù)完整度選取共6組測試數(shù)據(jù)，其中包括測試工況中的最大和最小濕球溫度所在數(shù)據(jù)組。測試數(shù)據(jù)匯總見表6所列。

表6 高位塔熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

可以看出原塔型測試期間，全塔運(yùn)行循環(huán)水量為96 480 t/h，平均溫升約9.84 ℃；對比夏季10%氣象條件設(shè)計(jì)工況下，全塔運(yùn)行循環(huán)水量為104 580 t/h，溫升8.97 ℃，測試工況熱負(fù)荷為設(shè)計(jì)工況的101.2%，循環(huán)水量為設(shè)計(jì)工況的92.2%，測試數(shù)據(jù)合規(guī)性滿足《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》要求，可用于3.2節(jié)的對比分析。

3.2 自主化設(shè)計(jì)計(jì)算值

自主化設(shè)計(jì)計(jì)算值是以依托高位收水冷卻塔的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在相同氣象資料、熱力參數(shù)(相同循環(huán)水量和溫升)、冷卻塔尺寸及淋水填料參數(shù)下，利用自主化高位塔計(jì)算公式及方法，計(jì)算出測試工況下的出塔水溫值。匯總6組計(jì)算結(jié)果見表7所列，運(yùn)行工況有效測試值與自主化計(jì)算值對比匯總見表8所列。

表7 高位塔自主化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯表

由表8可以看出，運(yùn)行工況下，原塔型實(shí)測出塔平均水溫大部分低于自主化計(jì)算值，最大出塔水溫差絕對值0.23℃，最小出塔水溫差絕對值0.02℃，出塔水溫差絕對值的平均值約0.12℃。運(yùn)行工況冷卻塔出塔水溫實(shí)測值與自主化計(jì)算值比較如圖1所示。

圖1 出塔水溫實(shí)測值與自主化設(shè)計(jì)值比較

表8 運(yùn)行工況有效測試值與自主化設(shè)計(jì)計(jì)算值對比匯表

3.3 小結(jié)

通過與高位塔原塔實(shí)測值的分析比較，可以看出：

1)運(yùn)行工況有效測試值是在循環(huán)水量為設(shè)計(jì)工況的92.2%條件下測定的，實(shí)測出塔平均水溫大部分低于自主化設(shè)計(jì)平均值，平均出塔水溫差約0.12 ℃，最大出塔水溫差絕對值0.23 ℃，最小出塔水溫差絕對值0.02 ℃。

2)實(shí)測數(shù)據(jù)由于設(shè)備、技術(shù)、測試條件等因素影響客觀會存在一定誤差，實(shí)測值與計(jì)算值之間存在偏差是不可避免的，當(dāng)實(shí)測循環(huán)水量和設(shè)計(jì)循環(huán)水量的差值在±10%以內(nèi)時(shí)，冷卻塔出塔水溫的實(shí)測值與計(jì)算值之間的偏差控制在0.3 ℃范圍內(nèi)，認(rèn)為設(shè)計(jì)是滿足要求的。因此高位收水冷卻塔自主化計(jì)算結(jié)果是符合實(shí)際、可靠的。

4 結(jié)語

自主化高位收水冷卻塔冷卻性能計(jì)算方法及公式適用于逆流式自然通風(fēng)高位收水冷卻塔，計(jì)算水平與國外高位塔工程公司相當(dāng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)塔測試數(shù)據(jù)吻合度高，是可靠的。自主化計(jì)算方法及公式可用于對工業(yè)塔的對比分析、評價(jià)及對新建高位冷卻塔的設(shè)計(jì)計(jì)算。