(1 西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院 西安 710055； 2 西安熱工研究院有限公司 西安 710032)

自然通風冷卻塔是火力發(fā)電廠中重要的冷端設備，其冷卻性能的優(yōu)劣影響燃煤機組的經(jīng)濟性[1-3]?；痣姀S汽輪機的末端排氣在凝結成水的過程中會產(chǎn)生大量的熱，自然通風冷卻塔可以通過接觸傳熱、蒸發(fā)傳熱將這部分熱量排到大氣中[1]。隨著火力發(fā)電廠機組功率的不斷增大，需要更大淋水面積的自然通風冷卻塔，因此對大型自然通風冷卻塔的熱力性能進行測試研究十分必要。

相關學者對冷卻塔的熱力性能進行了大量研究，N. Williamson等[4]建立二維模型分析了自然通風冷卻塔的性能；R. Al-Waked等[5-6]利用三維數(shù)值模型研究了冷卻塔塔內(nèi)的傳熱傳質情況，分析了不同工況對冷卻塔熱力性能的影響。趙元賓等[7-8]利用計算機對冷卻塔內(nèi)氣水參數(shù)的分布及換熱規(guī)律進行數(shù)值計算，分析冷卻塔的冷卻效果。胡三季等[9]在實驗室內(nèi)對冷卻塔的塔心部件的熱力及阻力性能進行了實驗研究。但由于實驗室的模擬塔與實際電廠中的工業(yè)冷卻塔在配水方式、塔內(nèi)參數(shù)等條件不同，當實驗結果應用于工業(yè)塔時，需要對工業(yè)塔進行進一步實驗驗證，此類研究目前較少。

本文對某電廠一座淋水面積為12 000 m2的大型自然通風冷卻塔的熱力性能進行實驗研究，得出該工業(yè)塔的熱力性能方程式，得到模擬實驗塔的修正系數(shù)，給出該塔的風溫分布，分析了采用通風阻力經(jīng)驗系數(shù)公式計算出塔水溫的優(yōu)勢，可為大型自然通風冷卻塔的設計與改造提供參考。

1 冷卻塔的設計條件

本實驗對某大型工業(yè)逆流式自然通風冷卻塔(以下簡稱工業(yè)塔)的熱力性能進行測試。該電廠新建1 000 MW機組配用一座12 000 m2逆流式自然通風冷卻塔，塔高167.16 m，淋水面積12 000 m2，頂部直徑80.64 m，喉部直徑76.79 m，進風高度11.50 m，進風口直徑125.059 m，填料底層直徑124.548 m。淋水填料采用“雙斜波”形，材質為改性PVC，填料在塔內(nèi)采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外階梯型布置。該塔的設計參數(shù)為：濕球溫度26.6 ℃，干球溫度29.8 ℃，相對濕度77%，大氣壓強100.17 kPa，冷卻水量103 680 m3/h，進塔水溫42.68 ℃，出塔水溫32.7 ℃。

2 測試參數(shù)介紹

2.1 測試項目

實驗測試項目有：環(huán)境干、濕球溫度(與進塔干、濕球溫度合用)，大氣風速風向、大氣壓力、進塔水溫度、出塔水溫度、進塔水體積流量、出塔空氣溫度。

2.2 實驗測點的安裝及測試方法

距該塔20 m處設置兩個氣象觀測點，測點高度為7 m。大氣干、濕球溫度采用電動通風干濕表測量，儀表測試范圍為0～80 ℃，分辨率為0.01 ℃，精度為A級；大氣壓力采用DYM3型空盒式大氣壓力表測量，儀表放在通風遮陽處，儀表測試范圍為80～106.4 kPa，分辨率為0.1 kPa；環(huán)境風速采用EY-11B型便攜式數(shù)字風速表監(jiān)測；進塔水溫通過在中央豎井內(nèi)放置3支Pt100型鉑電阻溫度探頭測量；出塔水溫通過在回水槽內(nèi)放置6支Pt100型鉑電阻溫度探頭測量；進塔水體積流量通過在進水母管上用FLC-2012型超聲波流量計測量，測量精度為±1.5%；塔內(nèi)風溫通過在塔內(nèi)的4條主水槽上部設置24個測點，用Pt100型鉑電阻溫度探頭測量，儀表測試范圍為0～80 ℃，分辨率為0.01 ℃，精度為A級。塔內(nèi)風速通過在塔內(nèi)的4條主水槽上部設置72個測點，用MSF-1型電子微風表測量。上述所有Pt100型鉑電阻溫度計均接至分散式集中控制系統(tǒng)，由計算機連續(xù)采樣。

2.3 測試工況

實驗包括：兩臺循環(huán)水泵并聯(lián)運行全塔配水機組滿負荷運行，三臺循環(huán)泵并聯(lián)運行全塔配水機組滿負荷運行。

3 實驗結果與分析

3.1 工業(yè)塔實測熱力性能

3.1.1工業(yè)塔的冷卻能力

通過冷卻水量對比法計算出該工業(yè)塔的冷卻能力。根據(jù)《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》規(guī)定，當塔的實測冷卻能力值達到95%以上時，應視為達到設計要求；當達到105%以上時，應視為超過設計要求[10]。對三泵并聯(lián)全塔配水的59組工況進行冷卻能力計算，其中47組數(shù)據(jù)達到設計要求，12組數(shù)據(jù)超出設計要求，該塔的平均冷卻能力為101.1%。因此，該塔達到了設計要求。

3.1.2實驗塔的熱力性能方程式

實驗塔為鋼結構，實驗段截面為1.0 m×1.0 m，全塔高13.3 m。塔內(nèi)采用壓力配水，配水裝置由5根DN50鋼管組成，每根管底部開一排直徑為7 mm的孔，配水管下面由5條扁鐵組成濺水板。配水裝置上部裝有除水器。實驗塔尾部冷卻高度為4.8 m。塔體兩面進風，進風口設在集水池上部。用該塔對雙斜波淋水填料進行熱力性能測試，全塔平均淋水填料高度為1.25 m，對測試數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合，得到熱力性能方程式：

N=2.15λ0.65

(1)

式中：N為冷卻數(shù)；λ為氣水比。

3.1.3工業(yè)塔的熱力性能方程式

該工業(yè)塔采用雙斜波淋水填料，填料在塔內(nèi)采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外階梯型布置，現(xiàn)場對冷卻塔進行測試得到數(shù)據(jù)，依據(jù)測試數(shù)據(jù)計算出1機2泵、1機3泵全塔配水各工況點的氣水比和冷卻數(shù)，利用最小二乘法對各測試工況點計算的氣水比和冷卻數(shù)數(shù)據(jù)進行擬合，得到熱力性能方程式：

N=2.26λ0.61

(2)

文獻[11]中指出模擬實驗塔冷卻數(shù)應用于實際工業(yè)塔時，需要考慮冷卻塔中氣流的不均勻性，通過模擬實驗塔得到的冷卻數(shù)需要乘一個不均勻系數(shù)Kv，對于自然通風逆流式冷卻塔Kv=0.9。胡三季等[12]對實驗塔和實際工業(yè)塔的不均勻系數(shù)進行了研究，得出在自然通風冷卻塔熱力性能計算采用模擬實驗塔的冷卻數(shù)結果時，若該塔為壓力配水時，冷卻數(shù)取模擬實驗塔冷卻數(shù)的95%～98%；若該塔為多點豎井的槽式配水，冷卻數(shù)取模擬實驗塔冷卻數(shù)的90%～95%；若該塔為中央豎井的槽式配水，冷卻數(shù)取模擬實驗塔冷卻數(shù)的85%～90%。因此，如果實際工業(yè)塔塔內(nèi)淋水填料為等高布置時，冷卻數(shù)為模擬實驗塔冷卻數(shù)的85%～90%。但本測試的工業(yè)塔塔內(nèi)填料采用不等高布置方式，填料類型與3.1.2中模擬實驗塔相同。在常用氣水比工況條件下[13]，分別采用該工業(yè)塔的熱力性能方程式和模擬實驗塔的熱力性能方程式計算冷卻數(shù)，并得到修正系數(shù)，如表1所示。

表1 工業(yè)塔的修正系數(shù)Tab.1 Correction coefficient of industrial tower

表2 二泵并聯(lián)工況運行時，塔內(nèi)實測風溫均方根誤差Tab.2 The RMS error of air temperature in the cooling tower under the condition of two pumps inparallel operating conditions

由表1可知，在常用氣水比下，通過該工業(yè)塔的熱力性能方程計算的冷卻數(shù)大于通過實驗塔的熱力性能方程計算的冷卻數(shù)，修正系數(shù)為1.047～1.081。由此可見，當工業(yè)塔塔內(nèi)填料采用不等高布置，模擬實驗塔塔內(nèi)填料采用等高布置時，修正系數(shù)為1.047～1.081；當工業(yè)塔和模擬實驗塔塔內(nèi)填料均采用等高布置時，修正系數(shù)為0.85～0.90。說明填料的不等高布置，提高了冷卻塔的冷卻數(shù)；隨著氣水比的增大，修正系數(shù)變小，說明冷卻塔氣水比的增加，工業(yè)塔和實驗塔的冷卻數(shù)逐漸靠近；為通過模擬實驗塔(填料等高布置)的冷卻數(shù)推算工業(yè)冷卻塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)提供參考。

3.2 工業(yè)塔塔內(nèi)實測風溫分布

塔內(nèi)風溫越均勻，冷卻效果越好[14-15]。表2所示為該工業(yè)塔二泵并聯(lián)運行全塔配水時，塔內(nèi)實測風溫均方根誤差。均方根誤差計算式為：

(3)

表2中測點的布置按等面環(huán)方法由塔壁(測點1)至塔心(測點6)通過等面環(huán)的方法布置，塔門處的測道為A半徑，順時針走向，依次為B半徑、C半徑、D半徑，測點布局示意圖如圖1所示。

圖1 測點布局示意圖Fig.1 Measuring points layout

該塔的填料采用不等高布置，高度按1、1.25、1.5 m由塔中心向外階梯形布置，由表2可知，二泵并聯(lián)時，塔內(nèi)風溫均方根誤差為0.56～0.67 ℃。而文獻[16]研究的冷卻塔塔內(nèi)填料采用等高布置，高度為1.25 m，二泵并聯(lián)時，塔內(nèi)實測風溫均方根誤差為0.73～1.78 ℃。由此可知，當塔內(nèi)淋水填料不等高布置時，塔內(nèi)風溫的均方根誤差小于塔內(nèi)淋水填料等高布置的均方根誤差，因此填料的不等高布置能使塔內(nèi)風溫相對更均勻。塔內(nèi)風溫越均勻，證明塔內(nèi)氣水之間的熱傳遞越好，冷卻塔的冷卻效果越好。因此，塔的不等高布置能強化冷卻塔的冷卻效果。

3.3 不同阻力公式計算出塔水溫

基于工業(yè)塔的實測數(shù)據(jù)，采用工業(yè)塔熱力性能方程式，冷卻塔分別以二泵并聯(lián)(小流量)、三泵并聯(lián)(大流量)的工況運行時，通過阻力經(jīng)驗系數(shù)公式和《GB/T 50102—2006》推薦的阻力系數(shù)公式分別計算出塔水溫的差值如圖2所示。

圖2 兩阻力系數(shù)公式計算的出塔水溫差值Fig.2 The difference of outflow water temperature between the two resistance coefficient formula

由圖2可知，當冷卻塔在二泵并聯(lián)(小流量)工況下運行時，兩種阻力計算公式計算出塔水溫的差值t1的區(qū)間為0.15～0.59 ℃；當冷卻塔在三泵并聯(lián)(大流量)工況下運行時，兩種阻力計算公式計算出塔水溫的差值t2的區(qū)間為0.06～0.21 ℃，其中t2小于t1的最小值0.15 ℃的測試點有53個，占總測試點的89.8 %。此外，當冷卻塔在三泵并聯(lián)(大流量)工況下運行時，t2的值較小，說明兩種阻力公式計算的出塔水溫比較接近。因此為了計算簡便，當冷卻塔進水塔水體積流量較大時，可選用通風阻力經(jīng)驗公式來計算出塔水溫。

4 結論

1)利用工業(yè)塔現(xiàn)場測試計算得到的熱力性能方程式和實驗室模擬塔的熱力性能方程式分別在常用氣水比范圍內(nèi)計算冷卻數(shù)，求得工業(yè)塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)與模擬實驗塔(填料等高布置)的冷卻數(shù)的修正系數(shù)為1.047～1.081。填料不等高布置的冷卻塔冷卻數(shù)高于填料等高布置的冷卻塔，且在沒有模擬冷卻塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)時，可通過模擬冷卻塔(填料等高布置)的冷卻數(shù)推算實際工業(yè)塔(填料不等高布置)的冷卻數(shù)。

2)冷卻塔塔內(nèi)風溫均方根誤差越小風溫分布越均勻。本實驗得到該工業(yè)塔(填料不等高布置)的塔內(nèi)風溫均方根誤差為0.56～0.67 ℃，小于填料等高布置的冷卻塔[16]。因此，填料不等高布置的冷卻塔塔內(nèi)風溫相比于填料等高布置的冷卻塔塔內(nèi)風溫更均勻，即冷卻效果更好。

3)當冷卻塔進塔水體積流量較大時，通過冷卻塔通風阻力經(jīng)驗系數(shù)公式計算各工況點的出塔水溫和通過《GB/T 50102—2003》冷卻塔通風阻力推薦公式計算各實驗點的出塔水溫非常接近，可采用冷卻塔通風阻力經(jīng)驗系數(shù)公式計算各工況點的出塔水溫以提高計算效率。