黃春花，趙順安

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

1 引言

隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)生活水平的不斷提高，電力工業(yè)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。與此同時(shí)水資源的日益緊缺和人們環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，使得電力行業(yè)逐步向節(jié)水環(huán)保型發(fā)展。與同容量的濕冷機(jī)組相比，空冷系統(tǒng)本身節(jié)水可達(dá)97%以上，全廠性節(jié)水約65%，一般建設(shè)1 000MW濕冷機(jī)組所需的水量，可以建一個(gè)規(guī)模比其大三倍的空冷機(jī)組，由此，空冷技術(shù)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

空冷散熱器和空冷塔是空冷系統(tǒng)的重要組成部件，其阻力特性將直接影響空冷系統(tǒng)的冷卻效率，有研究［1］顯示當(dāng)塔的損失超過(guò)1個(gè)出口動(dòng)能頭時(shí)，冷卻水的溫度將升高1℃?？v觀目前對(duì)空冷系統(tǒng)阻力特性的研究方法［2-3］，采用的主要途徑是分項(xiàng)研究，即對(duì)散熱器、支撐柱以及進(jìn)口轉(zhuǎn)角等各項(xiàng)的阻力特性進(jìn)行研究，總結(jié)出各自相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)阻力系數(shù)，然后將各分項(xiàng)相加即得總的經(jīng)驗(yàn)阻力系數(shù)，該研究方法沒(méi)有總結(jié)出一套適用的總阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。本文進(jìn)行的是散熱器垂直布置于塔外條件下，散熱器與空冷塔組裝后的整塔阻力特性的研究，給出適用于一定范圍的總阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供便利的參考。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 工程概況試驗(yàn)研究是以A電廠所配備的空冷塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為參考，該電廠裝機(jī)容量2×660MW，按照1機(jī)1塔設(shè)置，設(shè)計(jì)氣溫14.6℃，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)背壓為12.5kPa，循環(huán)水冷卻采用表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)。空冷散熱器垂直布置在空冷塔進(jìn)風(fēng)口的外側(cè)。

2.2 模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)按照雷諾準(zhǔn)則，但是在模型試驗(yàn)中使Rem=Rep成立是不可能的，因此，為了提高試驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性，滿(mǎn)足氣流運(yùn)動(dòng)的相似，在模型試驗(yàn)研究中，確保氣流運(yùn)動(dòng)處于阻力平方區(qū)，原型與模型的阻力系數(shù)相等，模型比尺的選取盡量大。本項(xiàng)研究綜合考慮各項(xiàng)影響因素，最終選取長(zhǎng)度比尺為L(zhǎng)r=100，制作整體正態(tài)模型，模型試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。模型中，空冷塔塔體采用無(wú)色透明有機(jī)玻璃制作，塔體曲線以參考工程的實(shí)際數(shù)據(jù)按比例縮小，垂直布置于塔外的散熱器用多孔板組合按照等效阻力［4］的方法來(lái)模擬。

2.3 測(cè)量參數(shù)及整理方法在試驗(yàn)研究中，風(fēng)速和全壓的測(cè)量是在塔筒喉部斷面處進(jìn)行的，采用的儀器是美國(guó)TSI公司8386型多參數(shù)熱線風(fēng)速儀和L型畢托管；大氣壓的測(cè)量?jī)x器是DYM3型盒式氣壓表；氣溫的測(cè)量采用鉑電阻溫度計(jì)；風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由變頻調(diào)速器來(lái)控制。喉部斷面處風(fēng)速和全壓的測(cè)量按照等面環(huán)的方法來(lái)測(cè)取，測(cè)試中在喉部設(shè)置8個(gè)等面積環(huán)，測(cè)取各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的風(fēng)速Vi和全壓Pi，則通風(fēng)量及喉部全壓為：

式中：Q為總通風(fēng)量，m3/s；A為喉部斷面面積，m2；Vi為等面積環(huán)上測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速，m/s；Pi為等面積環(huán)上測(cè)點(diǎn)處全壓，Pa；P為全壓，Pa。

阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的整理是以散熱器迎面風(fēng)速為參照的，散熱器和空冷塔組合后的整塔阻力系數(shù)由兩部分組成，即：進(jìn)口至喉部斷面的阻力系數(shù)ξh和塔出口阻力系數(shù)ξo，計(jì)算方法如下：

式中：P0為塔外大氣壓力，可設(shè)為0；ρ為空氣密度，kg/m3；Vy為迎面風(fēng)速，m/s；Ao為塔出口面積，m2；ξo為塔出口阻力系數(shù)；ξh為至喉部阻力系數(shù)；ξn為整塔阻力系數(shù)。

3 試驗(yàn)研究結(jié)果

A電廠空冷散熱器設(shè)計(jì)高度為25m，散熱片的阻力系數(shù)為20。為了能夠在實(shí)際工程中廣泛地使用試驗(yàn)研究的結(jié)果，在進(jìn)行模型設(shè)計(jì)時(shí)，考慮散熱器高度分別按照20m、25m和30m，散熱片阻力系數(shù)分別按照15、20、33進(jìn)行模擬。試驗(yàn)中用多孔板按照等效阻力的方法來(lái)設(shè)計(jì)散熱片，由多孔板組合成多孔三角來(lái)模擬實(shí)際的散熱三角進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 試驗(yàn)工況試驗(yàn)按照3種散熱器高度、3種散熱片阻力系數(shù)和4種通風(fēng)量組合進(jìn)行研究，具體研究工況見(jiàn)表1。試驗(yàn)時(shí)在多孔三角內(nèi)、外測(cè)取靜壓，通過(guò)計(jì)算可獲得多孔三角的阻力系數(shù)；在塔筒喉部測(cè)量風(fēng)量和全壓，從而算出進(jìn)口至喉部的阻力系數(shù)。

3.2 實(shí)測(cè)多孔三角的阻力系數(shù)在模型塔中，通過(guò)測(cè)取多孔三角內(nèi)、外靜壓來(lái)獲取實(shí)測(cè)多孔三角的阻力系數(shù)。設(shè)計(jì)多孔板的阻力系數(shù)是以迎面風(fēng)速為基準(zhǔn)的，因此下文中阻力系數(shù)的整理均以迎面風(fēng)速為準(zhǔn)，散熱三角阻力系數(shù)與迎面風(fēng)速的關(guān)系見(jiàn)圖2。

表1 試驗(yàn)工況

分析圖2可知，當(dāng)迎面氣流運(yùn)動(dòng)達(dá)到阻力平方區(qū)后，多孔三角的阻力系數(shù)均趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的阻力系數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 多孔三角實(shí)測(cè)阻力系數(shù)

3.3 空冷塔總阻力系數(shù)模型中散熱器的高度分別為20cm、25cm、30cm，相應(yīng)的迎面面積與塔筒底部面積比ε1為1.462、1.879、2.230，與塔筒出口面積比ε2為2.460、3.160、3.902。經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)中所測(cè)得的數(shù)據(jù)的整理計(jì)算，得各個(gè)風(fēng)量、各孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)下，從進(jìn)口至喉部的阻力系數(shù)見(jiàn)表3，至喉部阻力系數(shù)與迎面風(fēng)速關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

表3 至喉部及塔總阻力系數(shù)匯總

分析以上圖、表中的數(shù)據(jù)，可知各種散熱器高度下，當(dāng)迎面風(fēng)速達(dá)到2.0m/s后，氣流運(yùn)動(dòng)達(dá)到阻力平方區(qū)，所測(cè)的至喉部的阻力系數(shù)均基本穩(wěn)定不變，穩(wěn)定后的散熱三角、至喉部及整塔的阻力系數(shù)匯總見(jiàn)表4。

表4 阻力系數(shù)匯總

將上表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以迎面風(fēng)速表示的塔總阻力系數(shù)ξz的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

式中：ξy為以迎面風(fēng)速表示的實(shí)測(cè)散熱三角阻力系數(shù)；ε1為迎風(fēng)面面積與塔筒底部面積之比，范圍：1.462～2.320；ε2為迎風(fēng)面面積與塔出口面積之比，范圍：2.460～3.902。

4 結(jié)論

本文以660MW級(jí)機(jī)組的空冷系統(tǒng)為例，對(duì)空冷塔和散熱器組合的系統(tǒng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)研究，最終給出空冷塔和散熱器組合的總阻力系數(shù)，為后續(xù)空冷塔的性能研究提供依據(jù)和參照。試驗(yàn)研究表明：空冷塔與散熱器組合的整體阻力系數(shù)與實(shí)測(cè)散熱三角的阻力系數(shù)、散熱三角的迎面面積與塔筒底部面積比以及塔筒出口面積比都相關(guān)，因此要獲得較好性能的空冷塔，就需要對(duì)相關(guān)的空冷塔塔型及散熱三角進(jìn)行優(yōu)化研究。

［1］Moore F K.Aerodynamic design problems of dry cooling systems［C］//Proceedings of the IAHR Cooling Tower Workshop San Francisco，California，1980：1-26.

［2］Detlev G Kr?ger.Air-cooled heat exchangers and cooling towers［M］.Volume 1，Penn Well Corporation，2003.

［3］Van Aarde D J，K?rger D G.Flow losses through an array of a-frame heat exchangers［J］.Heat Transfer Engi?neering，1993，14（1）：43-51.

［4］華紹曾，楊學(xué)寧，等編譯.實(shí)用流體阻力手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

［5］丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù)［M］.北京：水利電力出版社，1992.