高位收水冷却塔冷却性能自主化设计计算对比研究

2022-04-07杜志方杨迎哲

电力勘测设计 2022年3期

范攀，杜志方，杨迎哲，李诚，王蓓

(1.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西西安 710075；2.中国电力国际发展有限公司平顶山姚孟发电有限责任公司，河南平顶山 467033)

0 引言

冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气[1]。高位收水冷却塔是一种节能环保型自然通风湿式冷却塔，相比常规湿冷塔，其利用设置在淋水填料下方的收水装置将循环水在高位收集，提高了循环水泵吸水水位，从而显著节约了循环水泵扬程，且有效降低了冷却塔雨区噪音，可以说高位收水冷却塔是冷却塔家族的先进代表。

上世纪90年代，我国自主设计建造了国内第一座300 MW燃煤发电机组的高位收水冷却塔，但2016年之前国内已投运的1 000 MW级燃煤发电机组高位收水冷却塔均为直接引进外方技术设计，其中以欧洲某公司高位冷却塔技术占主导地位，高位收水冷却塔工艺布置复杂，各部件热力、阻力系数均被严格保密，以致其技术服务费用高昂，工程单位造价居高不下，因此尽快突破高位冷却塔技术壁垒具有积极的现实意义。近年来，国内相继开展了超大型高位收水冷却塔的自主化设计研究，通过物理模型、数学模型，甚至等比例实物模型研究了高位收水冷却塔的热力、阻力特性，并优化了高位收水装置的水力特性、溅漏水率、力学特性及节点连接等内容。

本文是在笔者所属公司多年来对高位收水冷却塔技术研究成果和工程实践经验的基础上，以国内已投运的某欧洲公司设计的燃煤发电机组高位收水冷却塔为依托，将该高位塔冷却性能自主化计算结果与国外高位塔工程公司对该塔的设计结果进行对比分析，同时也与该高位塔的实测运行数据进行对比研究，综合分析自主化计算方法及结果的可靠性，进一步提高我们的设计水平，降低国内高位收水冷却塔的综合造价。

1 依托工程冷却塔概况

依托工程建设2×1 000 MW超超临界湿冷机组，每台机组各配置一台冷却面积为60 000 m2的凝汽器和一座填料淋水面积为12 500 m2的逆流式自然通风高位收水冷却塔。高位收水冷却塔由欧洲某冷却塔工程公司总体设计施工，整塔淋水填料、喷头、收水装置等均由外方进口提供并安装。

2015年5月项目正式并网发电，同年8月业主对高位收水冷却塔进行了现场性能考核试验，在接近夏季10%气象频率设计工况下，高位收水冷却塔实测冷却能力优于设计计算值。

2 设计工况下设计值对比

设计工况下设计值对比是以上述高位收水冷却塔为依托，在相同气象资料、热力参数(相同循环水量和温升)、冷却塔尺寸、塔芯材料参数下，通过自主化计算方法计算得出设计工况下的出塔水温，将其与外方设计的出塔水温进行对比分析。

2.1 冷却塔系统设计参数

2.1.1 气象参数及热力参数

设计工况下依托高位收水冷却塔气象参数及热力参数汇总见表1所列。

表1 设计工况气象参数及热力参数表

2.1.2 冷却塔设计参数

依托高位收水冷却塔塔型参数见表2所列。

表2 冷却塔尺寸参数表

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)材质，片间距为20 mm，悬吊方式安装，高度1.5 m。

2.2 设计计算对比

2.2.1 自主化计算输入数据表

自主化计算气象及热力参数见表1所列；冷却塔尺寸输入参数见表2所列；塔芯填料参数整理汇总见表3所列。

表3 塔芯填料参数表

2.2.2 自主化计算依据

1)规范标准

自主化设计计算参考使用的规范标准主要包括：T/CSEE 0146—2020《高位收水冷却塔设计规程》[2]、GB 50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》、GB/T 50102—2014《工业循环冷却设计规范》、DL/T 5525—2017《冷却塔塔芯部件选择设计导则》和DL/T 742—2019《冷却塔塑料部件技术条件》等。

2)计算公式

式中：N为冷却数；Ψ为热力计算综合修正系数；A为淋水填料的热力特性系数；λ为气水比；m为淋水填料的热力特性指数；t1为进塔水温，℃；t2为出塔水温，℃；Cw为循环水比热，kJ/(kg·℃)；dt为温度积分单元，℃；h''为与水温相应的饱和空气比焓，kJ/kg；h为湿空气的比焓，kJ/kg。

依据各实测有效试验点的冷却数，用最小二乘法拟合本工程热力性能方程式，其中淋水填料的热力特性系数Ψ为2.13，淋水填料的热力特性指数m为0.56。

式中：H为冷却塔的全部通风阻力，Pa；ξ为冷却塔通风总阻力系数；ρm为计算空气密度，kg/m³；vm为淋水填料计算断面的平均风速，m/s。

式中：Z为冷却塔抽力，Pa；He为冷却塔有效抽风高度，m；g为重力加速度，m/s2；ρ1为冷却塔进塔湿空气密度，kg/m³；ρ2为冷却塔出塔湿空气密度，kg/m³。

3)自主化计算冷却塔阻力系数

高位收水冷却塔在阻力方面与常规冷却塔的最大区别是其没有雨区，相比常规冷却塔增加了收水斜板和收水槽装置，通过对依托工程热力性能说明书中相关高位冷却塔结构尺寸参数、夏季10%频率气象参数下热力参数等数据的反算得到高位收水冷却塔总阻力系数ξ为53.71，塔进风口阻力系数ξ1为6.07，收水装置与淋水填料阻力系数ξ2为25.94，配水系统与除水器阻力系数ξ3为6.08，环境风影响阻力系数ξ4为9.63，冷却塔出口阻力系数ξ5为5.99。

我国冷却塔研究机构研究了风筒式自然通风逆流式冷却塔的通风阻力，通过对模型塔的阻力试验研究，建立了冷却塔内气流总阻力系数的计算方法。采用该计算方法并根据依托高位收水冷却塔的结构尺寸及上述反算结果，计算得本次自主化设计采用的总阻力系数ξ约为49.03，其中从塔的进风口至塔喉部的阻力系数ξa为4.39，冷却塔出口阻力系数ξb为4.64。

2.2.3 自主化设计计算结果对比

自主化计算淋水填料的有效面积为毛面积减去配水槽、中央竖井、填料支柱截面和悬吊杆的阻风面积，通过自主化设计计算，在设计工况下的出塔水温对比见表4所列。

表4 设计工况下出塔水温对比表℃

由表4可以看出，夏季频率10%气象条件下，换热温差8.97 ℃时，自主化设计计算出塔水温较引进设计值高0.11 ℃；年平均气象条件下，换热温差8.73 ℃时，自主化设计计算出塔水温较引进设计值低0.13 ℃。

2.3 小结

从计算结果的对比看，自主化计算结果与引进技术计算值的平均绝对值偏差在0.12℃范围内，最大绝对值偏差为0.13℃。参考DL/T 1027—2006《工业冷却塔测试规程》中对被测冷却塔冷却能力评价的规定，即当塔的实测冷却能力达到95%及以上时，应视为达到设计要求。一般来说，当对采用不同计算方法得出的出塔水温，其计算偏差在±0.3℃以内时，认为是可接受的。因此可以看出自主化计算结果与外方计算结果相当，能够满足工程设计要求。

3 工业塔测试值和自主化计算值对比

3.1 依托高位塔测试

以第1章所述高位冷却塔为依托，所有测试数据均来自对该高位塔的观测结果，冷却塔热力性能测试依据CTI Code ATC—105《冷却塔验收测试规程》和《工业冷却塔测试规程》相关内容。

3.1.1 测试工况

8月份对高位收水冷却塔在循环水满流量(三台循环水泵并联运行)，全塔配水和汽轮机负荷1 000 MW的工况下，进行了性能测试试验。

观测参数主要包括：环境干球温度、环境湿球温度、大气风速风向、大气压力、进塔水温度、进塔水量和出塔水温等其他运行参数。

3.1.2 主要测试参数合规性

根据《工业冷却塔测试规程》，判断主要测试参数允许偏离设计值范围的合规性，主要测试参数合规性汇总见表5所列。

表5 主要测试参数合规性汇总表

3.1.3 测试工况数据表[2]

对收集到的多组原塔有效测试数据经过筛选，按数据完整度选取共6组测试数据，其中包括测试工况中的最大和最小湿球温度所在数据组。测试数据汇总见表6所列。

表6 高位塔热力性能试验数据汇总表

可以看出原塔型测试期间，全塔运行循环水量为96 480 t/h，平均温升约9.84 ℃；对比夏季10%气象条件设计工况下，全塔运行循环水量为104 580 t/h，温升8.97 ℃，测试工况热负荷为设计工况的101.2%，循环水量为设计工况的92.2%，测试数据合规性满足《工业冷却塔测试规程》要求，可用于3.2节的对比分析。