300MW火电厂循环水冷却塔模化与空气动力特性计算.pdf

第 3 3卷 第 3期 2 0 1 1年 3月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 3 No ． 3 Ma r ． 2 01 l 3 0 0 MW 火 电厂循环水冷却塔模化 与空气 动力特性计算 潘 雯瑞 ， 任建兴 ， 翁建华 ， 曾宪平 上海 电力学 院 能源与环境工程学院 ， 上海2 0 0 0 9 0 摘要 循环水温度是保证电厂凝汽器良好的真空度和降低机组能耗的一个重要指标 ， 循环水温度降低 1 ℃， 凝汽器真 空增加4 0 05 0 0 P a ， 发电煤耗下降 1 ． 0～t ． 5 g ／ k W h 。冷却塔作为火电厂循环冷却系统的重要设备， 其冷却效果是 影响循环水温度的关键。基于提高火电厂冷却塔冷却效率的考虑， 以 3 0 0 MW火电厂 自然对流双曲线湿式冷却塔为原 型 ， 设计并建立循环冷却系统模拟试验装置 ， 并对模型塔空 气动力特性 计算 ， 以达到在 一定程度 上模拟 3 0 0 MW 火 电厂 冷却塔内部流动和评价冷却效果的目的。 关键词 火电厂； 冷却塔 ； 模化； 空气动力计算 中图分类号 T V 2 7 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 1 0 3 0 0 1 6 0 4 O 引言 在火 电厂的运行 中， 凝汽器真空度直接影响电 厂热经济性 ， 湿式冷却塔作 为循环冷却 系统 中重要 的热力设备 ， 其冷却性能直接影响凝汽器真空， 进而 影响机组能耗和发电效率。据测算 ， 水温下 降 5 ℃ ， 凝汽器真空可提高 1 ％左右 ， 中小型机组真空每提 高 1 ％ ， 机组功率可增加 1 ％， 煤耗下降 1 ％_ l 。随 着国家加大火电厂节能减排力度 ， 电厂循环冷却 系 统节能降耗问题受到更多关注。对火电厂冷却塔的 研究主要有 2种方法 一是试验测量 ； 二是计算机数 值模拟。试验测量 可分为现场 测量和模 型试 验 2 类。由于火电厂冷却塔体积庞大 ， 内部换热设备结 构复杂 ， 现场测量具有较大困难 ， 但比较符合冷却塔 运行的实际状况 ； 模型试验 可以针对特定 问题制作 模型及试验 台， 但试验费用 比较 昂贵 ， 试验周期长。 因此 ， 试验测量方法各有利弊 ， 需要针对实际研究问 题 ， 衡量各方面 因素 ， 综 合考虑研究方 法。相 比之 下 ， 计算机数值模拟方法是运用计算流体力学知识 ， 进行数值计算和数值模拟分析 ， 费用低 、 分析数据全 面， 但模型往往进行了一系列简化， 可能与实际情况 有一定差距 ， 需要试验的检验。 1 3 0 0 M w 火 电厂循环水冷却塔模化 1 ． 1 冷却塔原型结构 3 0 0 M W 机组是 目前我 国火电领域的主力机组 ， 收稿 日期 2 0 1 01 1 04 基金项 目 上海市教委重点学科 第五期 G 5 1 3 0 4 其主流冷却塔塔型为 自然通风双 曲线逆流湿式冷却 塔 ， 其功能是将循环冷却水在凝汽器 内吸收的热量 通过塔 内气 、 水热交换释放到周围大气环境中， 以维 持凝汽器内必要的真空。选择某 3 0 0 MW 火 电厂 自 然通风双曲线逆流湿式冷却塔进行模化 ， 它 由通风 筒 、 配水系统、 淋水装置 填料 、 通风设备 、 收水器 和集水池 6个部分组成 如图 1所示 。循环冷却 水由管道通过竖井送入配水系统 ， 然后通过喷溅设 备将水洒到填料上 ， 经填料后成雨状落人集水池， 冷 却后的水被抽走重新使用。该 冷却塔结构尺寸见 表 1 。 卒 气 出 口 接冷却水泵 图1 自然通风双曲线逆流湿式冷却塔结构图 1 ． 2冷却塔模型基本结构 设计模型塔为抽风式逆流试验塔 模型塔结构 第 3期 潘雯瑞 ， 等 3 0 0M W 火电厂循环水冷却塔模化与空气动力特性计算 1 7 表 1 某 3 0 0 MW 火 电厂冷却塔尺寸 m 项 目 尺寸 项 目 尺寸 冷却塔高度 1 2 5 ． 0 入 口高度 8 ． 0 塔进 L ] 半径4 6 ． 6 填料厚度 2 ． 0 塔出 口半径 2 8 ． 8 除水器高度 1 2 ． 5 塔喉部半径 2 6 ． 6 如图 2所示 ， 主要包括空气入 口段 、 雨 区、 塑料薄 膜填料层 、 管式配水系统 、 收水器 、 湿空气 出口段 ， 在 湿空气出口处安装有轴流式风机 ， 将湿空气排出室 外。下部设有 4个进风口 如 图 3所示 ， 各进风 口 开度可以通过挡板调节， 进风 口风速可 以通过外部 风机辅助调节 ， 保证进塔水温度和流量可调。 进风 图 2冷却塔模 型结构图 口 2 图 3冷 却 塔 模 型 底 部 空气 进风 口俯 视 图 1 ． 3 冷却塔模化准则及模型塔基本尺寸 1 ． 3 ． 1 几何相似 对模型试验而言， 模 型塔和原 型塔首先要满足 几何相似的条件。该试验模型塔是以某火电机组冷 却塔为基础 ， 按 照 1 5 5的比例建成 ， 长度 比例尺 k 1 ／ 5 5 。 按照几何相似性原则 以及冷却塔行业设 计标准 ， 塔筒设计为双曲线形式 ， 塔高与底部直径之 比为 1 ． 2 0～1 ． 4 0 ， 喉部 面积 与 底 部 面积 之 比为 0 ． 3 0～ 0 ． 3 6 ， 喉部 高度与塔高之 比为 0 ． 8 0～0 ． 8 5 。 喉部以上扩散角为 8 。 ～1 0 。冷却塔模型的基本 尺寸见表 2 。 表 2 冷却塔模型基本尺寸 c m 项 目 尺寸 项 目 尺寸 塔主体高度 2 3 0 ． 0 塔人 口高度 1 4 ． 0 塔喉部直径 1 0 2 ． 4 收水器 高度 1 0 0 ． 6 塔入 口直径 1 7 5 ． 8 填料 高度 5 0 ． 0 塔出 口直径 1 0 6 ． 0 配水管高度8 3 ． 6 1 ． 3 ． 2 动力相似 除了要满足几何相似之外 ， 模型塔和实型塔之 间还应该满足动力相似的条件 ] F ／ ．／ h ， 1 P o u t 式 中 为密度弗劳德数 ； 为塔顶部 出口气流速 度 ， m ／ s ； g为重力加速度 ， m ／ s ； h 为冷却塔 的有效 高度 ， m； 4 0为塔外与塔内填料上 面空气的密度差 ， k g ／m ； p 。 为塔 出 口处 的湿 空气密度 ， k g ／ m 。对 于 冷却塔热 态模 型试 验 ， 要满 足原 型塔 和模 型塔 的 nd 相等。 1 ． 3 ． 3 运动相似 模型塔和原型塔除了满足上述 2个相似条件之 外 ， 还必须满足运动相似 ， 即模型与原型流场所有对 应点上、 对应时刻的流速方 向相 同而流速大小 的比 例相等。速度 比例尺 k ／ v， 式中 为模型塔速 度 ， m ／ s ； 为原型塔速度 ， m／ s 。在重力场中， 重力加 速度 g g ， 有 k ／ f ， 故 1 ／ 5 0 ． 1 3 5 ， 压强比例尺 k k 1 ／ 5 5。 体积流量比例尺 n ， 1 ／ 5 5 U ．0 1 3 5≈ 4． 5 X 1 0～ ． 运动黏度 比例尺 1， 一 1 ／ 5 5 0 ． 1 3 5 2 ． 4 5 1 0～ 2 模型塔空气动力特性计算 2 ． 1 空气动力特性计算 为了更好地掌握冷却塔空气动力特性 ， 在完成 循环冷却系统试验平 台设计后 ， 按照设计参数对冷 却塔模型进行简单的空气动力计算 。冷却塔几何尺 寸如图 4所示。 2 ． 1 ． 1 塔的抽力计算 F d h o g p 。 一P 2 ， 2 1 8 华 电技 术 第 3 3卷 图 4冷却塔几何尺寸图 式中 为抽力 ， P a ； h 。 为有效高度 ， i n ； g为重力加 速度， m ／ s ； p ， P 为进塔空气密度 、 塔出口处空气密 度 ， k g ／ IT I 。 h 。h 2 h 30 ． 5h o ／ 2， 式中 h 为淋水层 与塔顶 的间距 ； h 。 为淋水层与填 料底层的间距 ； h 。 为填料层底部高度。 hh 0 2 0 1 m一0 1 ’ ， 式中 0 。 ， 0 为空气进塔 时和到达填料 的温度 ， ℃； h i ， h 为空气进塔时和到达填料时的比焓 ， k J ／ k g ； t 为平均水温 ， ℃； ” 为温度 t 时的饱 和空气 比焓 ， k J ／ k g 。 出塔空气 比焓 ， 式 中 △ ￡ 为水温差 ， ℃； c 为水的比热容 ， k J ／ K ； A qv ,,／ q 为气水比， q ． 为进塔干空气量 ， k g ／ h ； q 为进塔水质量流量 ， k g ／ h 。 进塔湿空气比焓 k J ／ k g h j1 ． 0 0 5 0 2 5 0 0 ． 81 ． 8 4 6 0 X 0 ． 6 6 2 ” o ／ p 0一仰 0 ， 饱和空气比焓 k J ／ k g h ” 1 ． 0 0 5 0 2 5 0 0 ． 81 ． 8 4 6 0 X 0 ． 6 6 2 p “ ／ p 0一 P 口 ， 式中 为相对湿度 ； p 。 为大气压力 ， k P a ； p ” 为空气 在干球温度时的饱和蒸汽压力 ， k P a 。求出 h ， 0 查 湿空气 hd图得 出P 。 2 ． 1 ． 2 阻力计算 冷却塔的阻力计算主要有 2种方法 一是各部分 气流阻力相加 ， 二是塔的整体阻力。这里选择第 1种 方法， 主要考虑进风口阻力 、 雨区阻力 、 填料和收水器 阻力， 按照经验公式计算各部分阻力系数如下 1 进风口阻力系数 1 0 ． 1 6 7 f 1 ， 式中 D为进风 口处塔直径 ， i n ； 为进风 口高度 ， IT I 。 2 雨区阻力系数 2 0 ． 10 ． 0 2 5 q R， 式中 q为淋水密度 ， m ／ m h ； R为雨区塔平均 半径 ， m。 3 填料、 收水器阻力 这部分阻力一般通过模 型塔试验来求出， 选择江阴市冷却材料厂的 S波填 料阻力特性进行计算 填料阻力 A ， 7o 式中 A1 ． 0 3 61 0一 q 7 ． 7 9 2 X 1 0 一 q0 ． 7 1 9 ； m 2． 8 8 X 1 0I 4 q 1 ．1 9 X 1 0 q1 ． 9 7； 为通过填 料的气流速度 ， m／ s ； 。为空气容重 ， y 。P g， N／ m。 ，g为重力加速度 ； 卸 为填料阻力 ， N ／ m 。 收水器阻力按照以往试验成果表估计 。 进风 E l 和雨区阻力 ， 式中 P 为 m 断面空 气密度 ， k g ／ m ， P P 。 P ／ 2； 为 m断面气流速度， m ／ s ； s 为阻力系数。 2 ． 1 ． 3 冷却塔 内的通风量 对于火 电厂冷却塔来说 ， 在稳定工况下塔 的阻 力和抽力相平衡 ， 即 ．2 h a g p 1 一P 2 v o ， 则冷却塔内的通风量 簪。 _ 1． 1 1 。 N ／h g P l - P 2 一， 式 中 D为填料处塔直径 ， i n ； 。 为填料断面气流速 度 ， m ／ s 。 由于模 型塔 自身尺寸的限制 ， 无法实现塔 自身 抽力与阻力的平衡 ， 需要 风机 的辅助抽力来达到稳 定状态 ， 模拟火电厂冷却塔的运行状况 ， 即 ，2 h e g p 1一 P 2 f ， 式中 厂 为风机抽力 。 进行校验 A q v ／ q S ， 式中的 q为气 、 水 比， Js为填料处截面积， 将 A 与 A进行对 比， 当两者 数值相近 ， 误差小 于 5 ％时 ， 认为计算数值正确 ， 否 则进行重新设置。 2 ． 2 设计参数与计算结果统计分析 根据进出填料水与空气的焓差相等和设定的空气 与水的相关参数， 采用 Me r k e l 积分法以及填料 函数关 系式， 确定试验装置的设计参数 见表3 。并按照设计 参数进行空气动力计算 ， 统计结果见表 4 、 表5 。 第 3期 潘雯瑞， 等 3 0 0MW 火电厂循环水冷却塔模化与空气动力特性计算 ‘ 1 9 表 3 冷却塔模型设计参数 表 4 主要计算参数 计算参数 数值 冷却塔有效 高度／ m 空气容重／ N m。 ， n 进风 口阻力 因数 填料和收水器 阻力／ P a 进风 口阻力／ P a 雨区阻力／ P a 0 ． 1 1 进塔 空气密度／ k g m 出塔空气密度／ k g t t l I 3 出塔空气温度／ ℃ 通风量／ In s 塔 自身抽力／ P a 风机抽力／ P a 总阻力／ P a 1 ． 1 7 6 1 ． 1 6 9 2 1 ． 1 1 ． 0l 6 0． 1 5 2 1 8 ． 9 5 O 1 9． 1 0 0 2 ． 3 理论蒸发水量估算 进塔气流初参数 大气压力 P0 ． 1 M P a ， 干球 温度 t ． 2 0℃ ， 相对湿度 ， 通风量 1 ． 0 1 6 m ／ s ， 塔出 口参数 t 2 1 ． 1 ℃， 相对湿度 ， 进塔水温 t 4 0℃， 冷却后的水温 t 3 4℃ 。干空气和水蒸气的气体常 数分别为 R 2 8 7 J ／ k g K ， R 4 6 2 j ／ k g K ， 比定压热容分别为 c 1 ． 0 0 5 k J ／ k g K ， c 1 ． 8 6 k J ／ k g K 一 引。 由空气进 口参数查饱和湿空气状态参数表 ， 查 得 t 。 2 0 ℃下的饱和蒸汽压力为P 2 ． 3 3 7 k P a ； 则 进 口湿 蒸 汽 中 水 蒸 气 分 压 力 P P。 1 ． 1 6 8 k P a ； 空气人 口处湿空气中水蒸气 的质量流量 q ．P v l g 1 ／ R t l0 ． 0 0 8 8 k g ／ s ； 空气入 口处湿空 气中干空气的质量流量 9 ⋯ PP 。 g ／ R t 。 1 ． 21 k g ／s 。 由湿空气出口参数查饱和湿空气状态参数表查 得对应温度下的饱和蒸汽压力 P 2 ． 5 k P a ， 则出 口 湿蒸汽中水蒸气分压力 P P 1 ． 6 2 5 k P a ， 塔 出口处水蒸气与干空气的比值 d 0 ． 6 2 2 P ／ p P ， 0 ． 0 1 ； 因为塔进 出 12 1 干空气量相 同， 所 以， 出 口干空气质量流量 q g 1 ． 2 1 k g ／ s ， 出口湿空 气质量流量 g d 2 g q 0 ． 0 1 2 3 k g ／ s 。 故蒸 发 的水 量 △ g q 一q 0 ． 0 0 3 5 k g ／ s ， 折合 1 2 ． 6 k g ／ h 。 3 结论 按照模化准则对 3 0 0 MW 火 电机组循环水 冷却 塔进行模化 ， 确保冷却塔模 型可 以在一定程度上反 映火电厂冷却塔实际运行情况。根据设计参数进行 空气动力特 性计算 ， 通 过计算 得 出塔 自身抽 力为 0 ． 1 5 2 P a ， 塔总阻力为 1 9 ． 1 0 0 P a ， 风机需要提供的抽 力为 1 8 ． 9 5 0P a ， 可 以维持模型塔 阻力和抽力平衡。 另外， 理论蒸发水量为 1 2 ． 6 k g ／ h 。这些计算可供风 机选型以及电耗 、 水耗分析时参考。 参考文献 [ 1 ] 徐卫东． 循环水温度对 机组经济性 影响 的分析 [ J ] ． 能源 与环境 ， 2 0 0 6 4 8 1 8 2 ． [ 2 ] 赵振国． 冷却塔[ M] ． 2版． 北京 水利电力出版社 ， 2 0 0 1 66． [ 3 ] 王凯． 自然通风湿式冷却塔进风 17 1 空气动力场的数值模 拟与阻力研究 [ D] ． 济南 山东大学 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 李培元． 火力发电厂水处理及水质控制[ M] ． 北京 中国 电力出版社 ， 2 0 0 0 6 5 96 6 6 ． [ 5 ] 孔珑 ． 工程流体力 学 [ M] ． 2版． 北京 中国 电力 出版社 ， 1 99 2 8 49 0． [ 6 ] 沈维道， 蒋智敏， 童钧耕． 工程热力学[ M] ． 3版． 北京 高 等教育 出版社 ， 2 0 0 1 3 4 1 3 6 2 ． [ 7 ] 曹伟， 王玉怀， 车富生， 等．冷却塔冷却效率低的原因分 析及处理 [ J ] ． 华 电技术 ， 2 0 0 9 ， 3 1 9 6 5 6 6 ． [ 8 ] 叶涛 ． 热 力发 电厂 [ M] ． 3版． 北 京 中 国 电力 出版 社 ， 2 0 o9． [ 9 ] 李飚 ， 汪烈永 ， 王俊．4 0 0 0 m 逆 流式双 曲线 自然 通风冷 却塔改造 [ J ] ． 华电技术 ， 2 0 1 0 ， 3 2 S 1 l 41 6 ． 编辑 白银 雷 作者简介 潘雯瑞 1 9 8 5 一 ， 女 ， 河南 正 阳人 ， 在读 硕 士研究 生 ， 从 事火 电 厂 节 能 与 污 染 物 控 制 方 面 的 研 究 E m a i l 2 0 0 8 p a n w e n r u i 1 6 3 ． e o m 。 卯 6 2 “ 2