1 000 MW机组高位收水冷却塔热力性能试验研究

贾明晓， 胡三季， 韩 立， 穆 琳

(西安西热节能技术有限公司， 西安 710054)

1 000 MW机组高位收水冷却塔热力性能试验研究

贾明晓， 胡三季， 韩 立， 穆 琳

(西安西热节能技术有限公司， 西安 710054)

为获得高位收水冷却塔的热力性能，对某1 000 MW机组配用的淋水面积为12 075 m2的高位收水冷却塔的热力性能进行了试验研究，得到了高位收水冷却塔的热力性能方程式,给出了高位收水冷却塔塔内实测风温分布.以该冷却塔为例，对比分析了相同工艺参数条件下高位收水冷却塔和常规冷却塔出塔水温的差异.结果表明：高位收水冷却塔塔内实测风温在3台循环水泵并联运行工况时比2台循环水泵并联运行工况更均匀;高位收水冷却塔塔内填料处断面风速比常规冷却塔更大;在夏季时同等条件下采用高位收水冷却塔时出塔水温相比常规冷却塔可降低0.8 K左右.

高位收水冷却塔； 热力性能； 风温分布； 出塔水温

冷却塔作为火力发电厂的重要冷端设备，其冷却性能的好坏对机组的经济性具有重要影响[1-2].近年来，对冷却塔的热力性能及冷却塔内气水参数分布规律的研究引起学者们的广泛关注.主要开展的工作有以下3个方面：一是利用商业软件对冷却塔内的气水参数分布和换热规律进行数值计算，以期通过对冷却塔塔芯部件的合理布置来改善冷却塔的冷却效果[3-5]，其中侧风对冷却塔热力性能的影响以及如何削弱这种影响是研究热点之一[6-9]；二是在实验室内对冷却塔塔芯部件(淋水填料、除水器和喷溅装置)的热力阻力性能或水力性能进行试验研究，史佑吉等[10-12]对我国工业冷却塔中较常用的塔芯部件的性能进行了研究；三是对工业冷却塔进行现场测试，获得工业冷却塔的实测热力性能，并比较实测结果与实验室试验结果的修正关系[13-14].高位收水冷却塔(以下简称高位塔)与常规冷却塔(以下简称常规塔)的最大区别是没有雨区，可以大幅减小通风阻力，塔内温度分布沿径向较为均匀，同时由于冷却后的循环水在一定高程部位被截流收集，其收水面保持相当高度，再经过循环水泵送回到主厂房，可以降低水泵扬程，因此高位塔在节能方面的优越性受到人们的关注[15-17].目前,国内高位塔的工艺设计主要依靠引进国外技术,有关冷却塔的热力、阻力计算方法等相关资料很难在国外的设计资料中获得[18]，而国内关于高位塔热力性能试验研究的基础资料也较少.

笔者对某1 000 MW机组配用的高位塔进行了试验研究，对高位塔内出塔气温分布进行了测试；采用焓差法，对比分析了同等条件下高位塔与常规塔的出塔水温.

1 高位塔设计参数

某1 000 MW机组配用的冷却塔采用净淋水面积为12 075 m2的双曲线型逆流式自然通风高位塔，是国内面积最大的高位塔之一.

1.1结构尺寸

所研究高位塔的结构尺寸参数见表1.

表1冷却塔的结构尺寸参数

Tab.1Structuralparametersofthehigh-levelwatercollectingcoolingtower

参数数值净淋水面积/m212075塔总高度/m189．0进风口高度/m13．8塔顶直径/m86．0喉部直径/m82．5喉部标高/m150．0进风口上缘直径/m129．4进风口下缘直径/m137．5

1.2供水与配水系统

该高位塔采用单元制的循环供水系统，每座冷却塔配3台循环水泵.配水系统采用单竖井，为管式配水系统,主水槽呈十字正交布置.配水系统在内围设2个分区、外围设4个分区，每个分区均可独立控制其开启或关闭，1/4高位塔的配水系统示意图如图1所示.

图1 配水系统分区示意图

1.3淋水填料

该高位塔采用Coolfilm-SNCS型淋水填料，淋水填料片间距为20 mm，高度为1.5 m，采用悬吊方式安装.在淋水填料底面设有托架，托架用不锈钢钢丝悬挂在上面的混凝土梁支撑结构上，淋水填料托架既支撑淋水填料，又是悬挂收水装置的持力结构.

1.4除水器

高位塔内除水器采用Waves 45型除水器，弧片高度为177 mm，片间距为45 mm，安装在混凝土支撑梁的上部.

1.5喷溅装置

高位塔采用French type型下喷式喷溅装置.

1.6高位收水装置

高位收水装置由收水斜板和收水槽组成，材质为玻璃钢.收水斜板水平间距为2 m，倾斜布置，倾角为50°，收水斜板上端悬挂在淋水填料托架上，下端搭靠在收水槽的斜壁上.收水槽与收水斜板方向一致，排间距相同，垂直收水流道水平布置.

1.7设计气象参数及设计水温

该高位塔的设计气象参数采用当地夏季频率为10%的日平均气象条件：大气压力为1 00.10 kPa，干球温度为31.45 ℃，湿球温度为27.5 ℃，相对湿度为74%.冷却塔设计循环水流量为104 580 m3/h，设计循环水温差为 8.97 K，冷却塔出塔水温保证值为31.6 ℃.

2 试验参数

2.1气象参数

测试过程中，气象参数的测量包括环境风速、风向，大气压力及环境空气干、湿球温度等参数，其中环境风速、风向测量采用带风向标的旋杯式风速风向计，测量范围为0～30 m/s，测量误差小于0.2 m/s.大气压力采用空盒式大气压力表测量，空盒式大气压力表分辨率为0.1 kPa，测量误差不大于0.2 kPa.环境空气干、湿球温度采用阿斯曼机械通风干湿表测量，其分辨率为0.2 ℃，精度不低于0.5级.

2.2进、出塔水温

冷却塔进、出塔水温均采用Pt-100型铂电阻温度计测量，铂电阻温度计分辨率为0.01 ℃，精度为A级.

2.3进塔循环水体积流量

在进塔水管直管段上采用超声波流量计测量进塔循环水体积流量，超声波流量计测量精度为±1%.测得进塔循环水体积流量后，根据循环水的密度计算循环水的质量流量.

2.4出塔气温

在主水槽上部采用划分等面积环方式布置测点，冷却塔整个淋水面上共划分7个等面环，采用Pt-100型铂电阻温度计测量温度，共28个测点，获得平均冷却塔出塔气温.

2.5填料处风速

由于冷却塔内出塔空气是接近饱和的湿空气，测试环境恶劣，采用常规的风速测试方法(即热线风速仪或叶轮风速计)进行塔内风速测量难度较大，且精度无法保证.笔者采用热平衡方法计算得到填料处风速，即通过对循环水质量流量、进塔水温、出塔水温、进塔空气参数和出塔空气参数的测试，采用热平衡法计算塔内空气质量流量，进而计算填料处风速.

3 试验结果及分析

3.1试验参数变化范围

分别在1台机组3台循环水泵并联运行(简称1机3泵)和1台机组2台循环水泵并联运行(简称1机2泵)工况下进行试验.试验工况参数见表2.从表2可以看出，相比常规塔淋水填料处风速为0.9～1.2 m/s左右，高位塔由于通风阻力减小，填料处风速提高.

表2 试验工况参数

3.2热力性能方程式

冷却数与气水比(即进塔干空气质量流量与循环水质量流量之比)的关系是反映冷却塔热力性能的重要参数，是冷却塔设计的关键基础数据.冷却数由式(1)进行计算.

(1)

(2)

式中：Ω为冷却数；cw为循环水的比热容，kJ/(kg·K)；Δt为冷却水温差，K；h″1为温度相当于进塔水温t1时的饱和空气比焓，kJ/kg；h″2为温度相当于出塔水温t2时的饱和空气比焓，kJ/kg；h″m为进、出塔平均水温tm相应的饱和空气比焓，kJ/kg；h1为进塔湿空气比焓，kJ/kg；h2为出塔湿空气比焓，kJ/kg.

通常把试验工况得到的冷却数拟合成关于气水比的幂函数关系[11].根据试验中得到的循环水参数(进塔水温、出塔水温、循环水质量流量)和空气参数(大气压力，环境空气干、湿球温度，出塔气温，填料处风速)，对冷却塔在1机2泵工况和1机3泵工况各工况点的气水比和冷却数进行计算，结果见表3.

表3各工况点气水比和冷却数计算值

Tab.3Air/waterratioandnumberoftransferunitscalculatedunderdifferentconditions

工况点1机2泵工况1机3泵工况气水比冷却数气水比冷却数11．1282．3160．8101．92721．1142．2630．8131．89731．1042．2410．7801．84741．1002．2470．7761．83151．0882．2000．7861．85161．0782．221--

利用最小二乘法对各工况点的气水比和冷却数计算值进行拟合，得到冷却数关于气水比的热力性能方程式：

(3)

式中：λ为气水比.

3.3高位塔塔内实测风温分布

均匀的出塔气温场有利于整个冷却塔最大限度地发挥冷却效果，对于淋水面积大于10 000 m2的自然通风冷却塔，其塔内的气温分布情况越来越引起人们的重视[3].表4和表5给出了高位塔内实测风温值.表6给出了高位塔内实测风温均方根误差的计算值.均方根误差σ的计算公式如式(4)所示.

(4)

表4 1机2泵工况运行时塔内实测风温值

表5 1机3泵工况运行时塔内实测风温值

表6塔内实测风温均方根误差

Tab.6RMSerrorofairtemperaturesmeasuredinthecoolingtower

位置1机2泵工况塔内实测风温均方根误差/K1机3泵工况塔内实测风温均方根误差/KA半径2．881．61B半径1．000．81C半径2．232．10D半径0．980．85

3.4夏季逐月气象参数条件下常规塔和高位塔出塔水温的比较

由于高位塔没有雨区，其通风阻力相比常规塔较小.关于高位塔阻力系数的计算方法很难在公开的资料中找到[18]，我国发电厂工业循环水冷却设计规范[19]中也未给出其计算公式.笔者利用试验得到的高位塔的热力性能方程式，根据该高位塔设计资料中给出的夏季工况的阻力系数值，结合我国常规塔热力阻力计算方法，比较分析了夏季逐月气象参数条件下常规塔与高位塔的出塔水温，计算中采用的常规塔与高位塔塔型结构尺寸、淋水填料形式及高度等塔芯材料参数均相同.

高位塔的阻力系数采用测试塔设计说明书中给出的该冷却塔夏季工况的阻力系数值53.8，其中淋水时的填料、除水器、配水槽和配水管的阻力系数值均为30.5.常规塔的阻力系数计算公式采用我国工业循环水冷却设计规范[19]中推荐的计算公式，即

(5)

(6)

(8)

(9)

式中：ξ为总阻力系数；ξa为从塔的进风口至塔喉部的阻力系数(不包括雨区淋水阻力)；ξb为淋水时雨区阻力系数；ξc为冷却塔出口阻力系数；ξf为淋水时的填料、除水器、配水槽和配水管的阻力系数；Fm为冷却塔的淋水面积，m2；Fc为冷却塔出口面积，m2；R为进风口上缘塔内半径，m；ε为进风口面积与进风口上缘塔面积之比；D为填料底部塔内径，m;vm为淋水填料断面的平均风速,m/s;q为淋水密度,kg/(m2·s);H0为进风口高度,m.

按照式(5)，依据该高位塔的结构尺寸和塔芯部件阻力系数，计算得到同样结构尺寸常规塔的总阻力系数为79.3，此高位塔的阻力系数约为常规塔的68%.依据冷却塔实测热力性能方程式(3)和对冷却塔阻力系数的计算结果，按照我国工业循环水冷却设计规范[19]中冷却塔热力计算的焓差法，在夏季工况逐月气象条件下对同样结构尺寸和塔芯部件的常规塔和高位塔的出塔水温进行计算，结果见表7.由表7可知，在相同的塔型参数、循环水流量(104 580 m3/h)、循环水温差(8.97 K)和气象参数条件下，6月、7月、8月份时高位塔出塔水温比常规塔低0.8 K左右.

表7 夏季逐月气象参数条件下出塔水温计算值

4 结 论

(1) 对某1 000 MW机组配用的净淋水面积为12 075 m2的高位塔的热力性能进行了试验研究，得到了高位塔热力性能方程式，可为高位塔的热力设计提供参考.

(2) 高位塔在1机2泵工况运行时塔内实测风温均方根误差为0.98～2.88 K，1机3泵工况运行时塔内实测风温均方根误差为0.81～2.10 K，1机3泵工况运行时塔内实测风温分布较均匀.

(3) 由于高位塔阻力系数减小的缘故，夏季工况高位塔塔内填料断面平均风速为1.5～1.6 m/s，相比常规塔淋水填料处0.9～1.2 m/s的风速明显增大，冷却塔的换热能力增强，冷却效果提高.

(4) 以本文的高位塔为例，在相同条件下，夏季时采用高位塔后出塔水温比常规塔降低0.8 K左右，冷却效果更好，具有节能优势.

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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

贾明晓(1985-)，男，河北石家庄人，工程师，硕士，主要从事冷却塔热力性能试验研究.电话(Tel.)：029-82001381； E-mail: jiamingxiao@tpri.com.cn.

1674-7607(2017)09-0751-06

：TK2

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：470.30