环境风对自然通风海水冷却塔的性能影响原型观测及分析

胡少华，李陆军，吴襄竹，赵顺安，宋小军，宋志勇

（1.深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518057；2.中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

1 研究背景

在环境风作用下，核电超大型海水冷却塔的阻力特性将会发生较为明显的变化，环境风的影响受到研究人员的广泛关注。研究环境风影响的方法包括理论分析、原型观测、模型试验和数值模拟［1-10］。在理论方面，依据能量平衡及绕流理论，可以将环境风影响问题，转化为研究进风口阻力系数和出口阻力系数的问题。在原型观测方面，法国EDF、中国水利水电科学研究院等做了大量的观测工作，通常是针对出塔水温进行分析，但由于观测对象存在较大差异，故很难形成标准的环境风影响评估方法体系；在模型试验方面，通常采用风洞试验和水槽试验，获得进风口阻力和出口阻力特性随环境风的变化规律；在数值模拟方面，通常整体建模，流场分布与实际更加接近，能够获得环境风对进风口阻力和出口阻力特性的影响规律，但是其准确性需要验证。

依据环境风对冷却塔进风口阻力系数及出口阻力系数的影响的研究成果［11］，本文修正了核电超大型海水冷却塔受环境风影响下的热力阻力计算方法，实现了环境风对大型自然通风冷却塔出水温度影响的快速分析功能。通过连续监测不同环境风条件下某大型海水冷却塔的运行状态和参数，获得了验证对比数据。通过对比预测水温、实测水温和设计水温，研究了环境风对冷却塔出水温度的影响规律，并验证了环境风影响评估方法的可靠性，研究成果可为工程设计提供指导。

2 海水冷却塔性能原型观测

2.1 被测冷却塔简介被测冷却塔是目前国内已运行中最大规模的海水冷却塔，冷却塔尺寸设计参数见表1。塔内淋水填料采用S波1.25 m至1.50 m不等高布置。配水系统采用双竖井日字型配水，喷溅装置采用反射型喷头，配水管间距1200 mm，收水器采用波纹160-45型。

通过观察，该塔外观干净整洁，雨区淋水基本均匀，塔内部分区域有除水器掉落现象，冷却塔系统整体工作正常。冷却塔雨区情况及受环境风影响进风口飘水情况如图1。测试对象是6#冷却塔，该塔位于5#塔外侧，靠近海边，受环境风影响可能更加明显，如图2。

表1 塔型参数

参数名称塔淋水面积/m2有效抽风高度/m进风口高度/m零米处直径/m进风口顶处直径/m塔面积/塔出口面积尺寸13000 163.5 12.0 142.3 133.4 2.63参数名称塔总高度/m填料顶标高/m喉部直径/m塔出口直径/m喉部至塔顶距离/m填料高度/m尺寸177.2 14.5 77.9 79.3 36.1 1.25～1.50

图1 被测冷却塔进风口局部外观

图2 测点布置及位置关系

2.2 测试参数海水冷却塔与淡水冷却塔相比，仅在冷却介质方面存在差异，但在循环冷却水系统运行方式上无差别，因此对其冷却性能的测试和考核可以按常规自然通风冷却塔标准检测方法进行，即按照《工业冷却塔测试规程》规定的方法和要求进行［12］。测试参数包括：环境风、环境大气压、进塔空气干球和湿球温度、出塔气温、水温、循环水量、海水盐度等。

2.3 测点布置各参数测点布置见图2。针对环境风设置两个测点；针对环境大气压设置一个测点；针对进塔空气干球和湿球温度设置两个测点。所有测点距离集水池边沿约75 m、距地面高度约为2m的开阔地点。水量测点布置在进塔母管上预留测量井内的直管段，传感器安装采用Z法。测试期间同时监测集水池水位、竖井水位变化情况。进塔水温测点布置在塔内配水竖井中，每个竖井布置一个测点；出塔水温测点布置在泵房前池入口处过水断面，均匀布置三个测点。出水温度测量值为三个测点的均值。计算分析中，考虑了集水池水温与测量值的滞后效应，滞后时间为30 min。出塔空气温度的测点，布置在配水槽廊道上方约4 m高度处，采用等间距方式布置27个测点。

2.4 测试方法及仪器（1）环境风：采用自动风速风向记录仪连续测量，其采样周期为1 min、风速精度为0.1 m/s、风向角度精度为1°；（2）环境大气压：采用数字气压表测量，其测量精度为10 Pa；（3）进塔空气干球和湿球温度：在每个测点布置1个百叶箱，安装干湿球温度计进行自动连续监测，温度计精度±0.1℃，采样间隔1 min；（4）海水盐度：海水盐度采用光学盐度仪测试，仪器分辨率2‰；（5）水量：采用Controlotron-1010P超声波时差式流量计进行测量，其分辨率1.0 m3/h，精度±1.5%；（6）水温：水温测试采用多点无线温度测试系统。该系统由计算机自动同步采集和记录温度数据，温度测试分辨率0.1℃，精度为±0.2℃；（7）出塔气温度：采用无线多点温度计测试。该处空气湿度接近饱和，干湿球温度近似为相等。

2.5 测试数据分析方法每一工况出塔气温取各点算术平均值，按下式计算。

式中：θ为塔内空气平均干球温度，℃；θj为塔内各测点干球温度，℃；n为测点数。

塔的通风量可通过塔的总体热平衡求出：

式中：G为塔内空气流量，kg/h；Δt为冷却塔进出水温差，℃；i1为进塔空气的焓，kJ/kg；i2为出塔空气的焓，kJ/kg；Q为循环水量，m3/h；Cw为水的比热，kJ/（kg×℃）。

填料断面的风速为：

式中：V为填料断面的平均风速，m/s；A为淋水面积，m2；ρ为湿空气密度，kg/m3。

3 环境风对海水冷却塔性能影响评估

针对冷却塔出水温度的预测，已有成熟的一维计算程序。针对环境风对出水温度的影响，需依据环境风热力阻力特性研究成果，在一维计算方法基础上进行修正，使其能够预测环境风的影响。

根据环境风对冷却塔热力阻力影响相关研究成果可知，环境风主要是影响了冷却塔进风口阻力和冷却塔出口阻力特性，从而影响到冷却塔的冷却性能。因此，为了能够预测环境风对出水温度的影响，需要按照下式对冷却塔阻力特性进行修正。式（4）和式（5）是对冷却塔出口系数的修正，式（6）和式（7）是对冷却塔进风口阻力系数的修正［11-12］。

式中：ξo为出口阻力系数减小值；α为地面10 m高处环境风速与冷却塔填料断面平均风速比；dj为冷却塔淋水面积与出口面积比；H为冷却塔高度，m；γ为环境风剖面分布指数，与当地地形条件相关，无资料时可取0.19。

式中：ξi为进风口阻力系数增大值；其他符号同上。

风速实际测量高度为2 m，依据式（8）换算到10 m高度。

式中：vw，10m为地面10 m高处环境风速，m/s；vw，2m为地面2 m高处环境风速，m/s。

4 结果分析

为了研究环境风的影响，需要选择风速和风向保持稳定的风速段。测试期间环境风的变化包括两个典型的风速段：小风速段和大风速段。下面针对上述两个风速段进行研究，通过比较出水温度的实测值、设计值和预测值，以获得环境风对出水温度的影响规律，其中设计值是在不考虑环境风条件下的预测值。

4.1 小风速段分析图3给出了小风速段各测量参数随时间的变化。在小风速段，风速变化范围为0～4 m/s，平均风速约为2.5 m/s；风向变化范围为200°～270°，平均风向为230°，即主导风向为西北风。干球温度随时间缓慢下降、后快速上升，其变化范围为21℃～24℃，其平均值约为22℃；湿球温度随时间先保持平稳、后快速上升，其变化范围为20℃～21.5℃；进水温度随时间先增大、然后减小、再增大，其变化范围为34℃～38℃；出口气温随时间先增大、然后减小、再增大，其变化范围为30℃～33℃。

图3 小风速段各测量参数随时间的变化

图4给出了小风速段出水温度的实测值、设计值和预测值的比较。根据图4可知，实测值与预测值吻合良好，且都略大于设计值。比较图3和图4可知，对于环境风的快速变化（噪率高），预测模型比较敏感，能够快速响应，但是实测的出水温度对风速变化敏感性较小，变化比较平缓。其原因是：在冷却塔实际运行过程中，由于集水池的作用，出水温度变化的噪率有所减小，即起到了降噪的作用。进一步分析可知，在平均风速为2.4 m/s的小风速段，出水温度实测值比设计值高0.4℃，出水温度预测值比设计值高0.3℃。

4.2 大风速段分析图5给出了大风速段各测量参数随时间的变化。在大风速段，风速变化范围为3～9 m/s，平均风速约为5 m/s；风向变化范围为190°～260°，平均风向为220°，即主导风向为西北风。干球温度随时间先上升、后下降，其变化范围为23℃～29℃，其平均值约为27℃；湿球温度随时间保持缓慢上升，其变化范围为21℃～22.5℃；进水温度随时间先增大、然后减小、再增大和再减小，其变化范围为36℃～39℃；出口气温随时间先增大、然后减小、再增大、再减小，其变化范围为31℃～35℃。

图4 小风速段出水温度的实测值、设计值和预测值比较

图5 大风速段各测量参数随时间的变化

图6给出了大风速段出水温度的实测值、设计值和预测值的比较。根据图6可知，预测值最大，设计值最小，实测值居中。比较图5和图6可知，对于环境风的快速变化，预测模型比较敏感，能够快速响应，但是实测的出水温度对风速变化敏感性较小，变化比较平缓。进一步分析可知，在平均风速为5.2 m/s的大风速段，出水温度实测值比设计值高1.2℃，出水温度预测值比设计值高1.4℃。

图6 大风速段出水温度的实测值、设计值和预测值比较

5 结论

通过对某海水冷却塔在有环境风条件下的现场监测，结合冷却塔热力阻力在考虑环境风修正后的分析模型，比较了出水温度的实测值、设计值和考虑环境风的预测值，得出主要结论如下：环境风会对冷却塔的冷却性能产生不利影响，该影响是一个渐变过程，且随风速增大，不利影响愈加明显；在平均风速为2.4 m/s的小风速段，出水温度实测值比设计值高0.4℃，出水温度预测值比设计值高0.3℃。在平均风速为5.2m/s的大风速段，出水温度实测值比设计值高1.2℃，出水温度预测值比设计值高1.4℃；集水池对于环境风的影响，起到了降噪的作用，即出水温度变化频率低于环境风的变化频率；通过比较出水温度实测值和预测值可知，修正后的冷却塔热力阻力分析模型能够预测环境风的影响。