劉道遠(yuǎn)，朱蓬勃，姜國策，黃啟川

并列運(yùn)行的自然通風(fēng)冷卻塔熱力計(jì)算方法

劉道遠(yuǎn)1，朱蓬勃2，姜國策2，黃啟川1

（1.淮浙煤電有限責(zé)任公司鳳臺(tái)發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

目前，關(guān)于冷卻塔并列運(yùn)行熱力計(jì)算的研究開展得還不充分。本文通過分析自然通風(fēng)冷卻塔并列運(yùn)行的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用焓差法、窮舉法和回歸分析法進(jìn)行并列運(yùn)行冷卻塔熱力計(jì)算的方法研究，并通過實(shí)例實(shí)際驗(yàn)證該方法的有效性。結(jié)果表明：并列運(yùn)行時(shí)，2座冷卻塔的結(jié)構(gòu)型式、氣候條件、進(jìn)水溫度、等效溫升與進(jìn)出凝汽器冷卻水溫升均相同；一機(jī)兩塔和一機(jī)一塔的循環(huán)水的蒸發(fā)損失相等；相較于一機(jī)一塔運(yùn)行方式，一機(jī)兩塔并列運(yùn)行在各種負(fù)荷下均有顯著的節(jié)能效果。本文結(jié)果可對(duì)相關(guān)改造項(xiàng)目以及運(yùn)行節(jié)能分析提供參考。

自然通風(fēng)冷卻塔；并列運(yùn)行；熱力計(jì)算；一機(jī)兩塔；一機(jī)一塔；焓差法；窮舉法

隨著我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，太陽能、風(fēng)能和核能等新能源發(fā)電方式快速發(fā)展，以煤炭為主要原料的火電機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)總體呈逐年下降趨勢(shì)[1-3]。為加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，東部沿海地區(qū)已經(jīng)開始對(duì)煤電運(yùn)行提出了更加嚴(yán)格的要求，比如浙江省出臺(tái)了能源“雙控”政策：為達(dá)到控煤和節(jié)能降耗的目的，各電廠一部分機(jī)組調(diào)停，一部分維持較高負(fù)荷運(yùn)行成為常態(tài)，這具備了進(jìn)行一機(jī)兩塔運(yùn)行的外部條件。從節(jié)能降耗角度考慮，燃煤機(jī)組有進(jìn)行一機(jī)兩塔節(jié)能改造的需求。文獻(xiàn)[4]按照冷卻塔循環(huán)水流量平均分配的原則，采用常規(guī)冷卻塔熱力計(jì)算的方法對(duì)節(jié)能效果分析；文獻(xiàn)[5-7]依據(jù)改造后的熱力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示：改造后，夏季時(shí)一機(jī)兩塔運(yùn)行節(jié)能效果顯著。本文在隨機(jī)分配2座并列運(yùn)行冷卻塔循環(huán)水進(jìn)水比例的工況下，進(jìn)行冷卻塔熱力計(jì)算，為相關(guān)節(jié)能改造提供參考。

1 冷卻塔并列運(yùn)行

1.1 一機(jī)兩塔運(yùn)行改造

一機(jī)兩塔運(yùn)行改造是指在2臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水回水母管上設(shè)置聯(lián)絡(luò)管和隔離閥，當(dāng)1臺(tái)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，另外1臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水可采用2座冷卻塔并列運(yùn)行進(jìn)行冷卻，即一機(jī)兩塔運(yùn)行，系統(tǒng)如圖1所示。

1—冷卻塔；2—循環(huán)水泵；3—聯(lián)絡(luò)閘板；4—循環(huán)水泵出口閥；5—循環(huán)水供水母管聯(lián)絡(luò)閥；6—凝汽器進(jìn)口閥；7—凝汽器出口閥；8—凝汽器；9—循環(huán)水回水母管聯(lián)絡(luò)閥。

1.2 并列運(yùn)行特點(diǎn)分析

1）2座冷卻塔的結(jié)構(gòu)型式及氣候條件相同 由于擴(kuò)大單元制運(yùn)行的2臺(tái)機(jī)組一般均采用相同的邊界條件設(shè)計(jì)，因此假定冷卻塔的塔高、進(jìn)風(fēng)口高度、淋水面積、填料特性等均相同；由于2座冷卻塔相鄰布置，相同時(shí)刻的氣候條件也相同。

2）2座冷卻塔的進(jìn)水溫度相同 根據(jù)一機(jī)兩塔運(yùn)行方式可知，當(dāng)采用一機(jī)兩塔運(yùn)行時(shí)，2座冷卻塔的進(jìn)水溫度均為運(yùn)行機(jī)組的凝汽器出水溫度，因此2座冷卻塔的進(jìn)水溫度相同。

3）進(jìn)出2座冷卻塔冷卻水的等效溫升與進(jìn)出凝汽器冷卻水溫升相同 由于一機(jī)一塔運(yùn)行時(shí)，在不考慮循環(huán)水補(bǔ)水及泵功的情況下，冷卻塔的進(jìn)水溫度等于凝汽器冷卻水的出水溫度，冷卻塔的出水溫度等于凝汽器冷卻水的進(jìn)水溫度[8]。將并列運(yùn)行的2座冷卻塔的出水混合后的溫度稱為冷卻塔的等效出水溫度，冷卻塔的進(jìn)水溫度與等效出水溫度之差為等效溫升。由于冷卻塔的進(jìn)水溫度即為凝汽器冷卻水的出水溫度，冷卻塔的等效出水溫度即為凝汽器冷卻水的進(jìn)水溫度，因此并列運(yùn)行的2座冷卻塔的等效溫升與凝汽器的冷卻水溫升相同。

2 熱力計(jì)算方法

2.1 常規(guī)計(jì)算

2.1.1冷卻塔溫升計(jì)算

根據(jù)凝汽器的熱平衡方程，冷卻水在凝汽器內(nèi)的溫升可表達(dá)為[9]

由式(1)可知：當(dāng)汽輪機(jī)排汽量一定時(shí)，循環(huán)水溫升取決于冷卻水流量；而機(jī)組冷卻倍率一定時(shí)，凝汽器溫升為1個(gè)常數(shù)。并列運(yùn)行冷卻塔的冷卻水等效溫升也存在上述特征。因此，機(jī)組負(fù)荷和循環(huán)水泵運(yùn)行方式確定后，凝汽器溫升即可計(jì)算得到。

2.1.2冷卻塔熱力計(jì)算

逆流式冷卻塔一般采用焓差法[11]進(jìn)行熱力計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：為淋水填料的體積，m3；為進(jìn)入冷卻塔的循環(huán)水流量，kg/s；為考慮蒸發(fā)水量散熱的系數(shù)；a為淋水填料的散熱系數(shù)，kg/(m3·s)；1和2分別為冷卻塔進(jìn)水溫度和出水溫度，℃；為濕空氣的比焓，kJ/kg；″為與水溫相應(yīng)的飽和空氣比焓，kJ/kg；W為循環(huán)水的比熱容，kJ/(kg·℃)。

式(2)右邊稱為冷卻塔的冷卻數(shù)，它與氣象條件有關(guān)，與冷卻塔的構(gòu)造無關(guān)，用表示，一般采用辛普遜積分法[12]進(jìn)行計(jì)算。式(2)左邊稱為冷卻塔的特性數(shù)（用表示），表征在一定的淋水填料和塔型下冷卻塔所具有的冷卻能力，也可以表達(dá)為[13]

式中：和為常數(shù)；為氣水比；1為冷卻塔進(jìn)口風(fēng)速，m/s；1為冷卻塔進(jìn)風(fēng)口面積，m2；1為冷卻塔進(jìn)口干空氣密度，kg/m3；為冷卻塔進(jìn)口空氣體積流量，m3/s。

式(2)為一個(gè)非線性方程式，一般采用迭代法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程為：首先假設(shè)冷卻塔的出塔溫 度2，然后分別計(jì)算出特性數(shù)和冷卻數(shù)，如滿足條件=，則2即為冷卻塔出口水溫的計(jì)算 值，否則改變2的值繼續(xù)進(jìn)行迭代，直至滿足上 述條件為止[14]。

2.2 并列運(yùn)行計(jì)算

冷卻塔并列運(yùn)行時(shí)，如果循環(huán)水等分進(jìn)入2座冷卻塔中，假定2座塔的設(shè)計(jì)參數(shù)、氣象條件等均相同，則2座冷卻塔的溫升也相同，即每座冷卻塔溫升均等于凝汽器的溫升（或者等效溫升），這時(shí)每座冷卻塔就可以按照已知溫升和循環(huán)水流量采用常規(guī)的焓差法進(jìn)行熱力計(jì)算。但實(shí)際中，由于2臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)布置不完全一致、聯(lián)絡(luò)管管徑及閥門產(chǎn)生新的阻力等因素的影響，一機(jī)兩塔改造后兩塔并列運(yùn)行時(shí)循環(huán)水不能均勻分配到2座冷卻塔中，這時(shí)2座冷卻塔的溫升不同，就不能直接采用焓差法進(jìn)行熱力計(jì)算。此時(shí)，可以根據(jù)冷卻塔并列運(yùn)行的特點(diǎn)采取如下方法求解。

1）假設(shè)2座冷卻塔分別為1、2號(hào)冷卻塔，循環(huán)水流量分別為1和2（1＞2），進(jìn)出水溫度分別為11、12和21、22，進(jìn)出水焓值分別為11、12和21、22，溫升分別為?1、?2，等效溫升為?。

2）根據(jù)冷卻塔的換熱原理，相同的氣候條件和冷卻塔規(guī)格，淋水密度增加，冷卻塔的換熱效果降低[15]，故有?1＜?＜?2。

3）根據(jù)上述關(guān)系，采用窮舉法分別取1組足夠數(shù)量的?1和?2，又已知1和2，可采用焓差法分別計(jì)算1組?1、?2對(duì)應(yīng)的11、21，然后分別繪制出1、2號(hào)冷卻塔各自不同溫升與對(duì)應(yīng)的循環(huán)水進(jìn)水溫度關(guān)系的曲線。采用回歸分析法分別得到函數(shù)11=(?1)和21=(?2)。

4）根據(jù)并列運(yùn)行冷卻塔的特點(diǎn)，并列運(yùn)行的2座冷卻塔進(jìn)水溫度相同，故：

5）根據(jù)能量守恒原理，循環(huán)水在凝汽器內(nèi)的吸熱量等于循環(huán)水在冷卻塔內(nèi)的散熱量，故有

6）聯(lián)立式(5)、式(6)可計(jì)算得到?1、?2，進(jìn)而求出11、21和12、22，完成冷卻塔熱力計(jì)算。

2.3 冷卻塔蒸發(fā)損失分析

冷卻塔蒸發(fā)水率計(jì)算公式為[12]

式中：e為蒸發(fā)損失水率；ZF為系數(shù)，1/℃。

根據(jù)并列運(yùn)行的冷卻塔的特點(diǎn)，2座冷卻塔進(jìn)塔干球空氣溫度相同，故ZF相等。則一機(jī)一塔運(yùn)行時(shí)的蒸發(fā)損失為

一機(jī)兩塔運(yùn)行時(shí)總的蒸發(fā)損失為

由式(6)、式(8)、式(9)可得Z=Z′。因此，一機(jī)兩塔和一機(jī)一塔的循環(huán)水蒸發(fā)損失相等。

3 計(jì)算實(shí)例

某電廠一期工程為超臨界2×600 MW火電機(jī)組，采用帶雙曲線逆流式自然通風(fēng)冷卻塔的擴(kuò)大單元制循環(huán)水系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)組配1座冷卻塔，2臺(tái)循環(huán)水泵。2臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水母管管徑為3 040 mm×16 mm。原設(shè)計(jì)運(yùn)行方式為冬季采用一機(jī)一泵運(yùn)行，春秋季采用二機(jī)三泵運(yùn)行，夏季采用一機(jī)兩泵運(yùn)行方式。2018年，通過在2臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水回水母管設(shè)置3 040 mm×16 mm的聯(lián)絡(luò)管及隔離閥改造實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩塔運(yùn)行。

以1號(hào)機(jī)組采用一機(jī)兩泵兩塔運(yùn)行為例，根據(jù)設(shè)計(jì)條件，進(jìn)行一機(jī)兩塔運(yùn)行時(shí)循環(huán)水系統(tǒng)阻力特性計(jì)算，得到汽輪機(jī)額定功率工況時(shí)的初始參數(shù)：凝汽 器溫升7.76 ℃，1、2號(hào)塔循環(huán)水流量分別為45 288、26 352t/h，特性數(shù)1.960.53，大氣壓力99.55 kPa，濕球溫度27.3 ℃，干球溫度29.8 ℃。

將相關(guān)參數(shù)代入式(6)，可得

由于Q1＞Q2，根據(jù)冷卻塔換熱原理有?t1＜7.76，?t2＞7.76。在上述范圍內(nèi)，?t1從大到小，?t2從大到小，分別羅列出足夠多和足夠精度的?t1和?t2值，然后分別采用焓差法進(jìn)行冷卻塔的出塔溫度和進(jìn)塔溫度計(jì)算，分別繪制1、2號(hào)冷卻塔進(jìn)水溫度隨各自溫升變化曲線，如圖2所示。

根據(jù)圖2中的曲線分別擬合出2座冷卻塔的進(jìn)水溫度隨溫升變化的函數(shù)：

由式(5)、式(11)和式(12)可得

由式(10)和式(13)聯(lián)立可求得?1=7.289 ℃，?2=8.563 ℃；進(jìn)而求出冷卻塔進(jìn)水溫度11/21=37.838 ℃，1號(hào)冷卻塔和2號(hào)冷卻塔的出水溫度分別為30.541 ℃和29.275 ℃。至此，并列運(yùn)行冷卻塔的熱力計(jì)算完成。

根據(jù)上述結(jié)果可得，采用一機(jī)兩塔并列運(yùn)行時(shí)，凝汽器冷卻水進(jìn)水溫度為30.078 ℃；而相同外部條件下，一機(jī)一塔運(yùn)行方式時(shí)凝汽器冷卻水進(jìn)水溫度為32.180 ℃，比前者高約2.102 ℃。采用同樣方法可以求得當(dāng)機(jī)組負(fù)荷分別為450、300 MW時(shí)，一機(jī)兩塔比一機(jī)一塔分別降低約2.14、1.78 ℃。因此，一機(jī)兩塔并列運(yùn)行方式無論在額定負(fù)荷還是部分負(fù)荷均有顯著的節(jié)能效果。

4 結(jié) 語

本文通過分析并列運(yùn)行冷卻塔的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用焓差法、窮舉法以及回歸分析法給出一機(jī)兩塔運(yùn)行時(shí)冷卻塔的熱力計(jì)算方法并通過實(shí)例進(jìn)行熱力計(jì)算，可對(duì)相關(guān)改造項(xiàng)目的可行性研究以及運(yùn)行節(jié)能分析提供有益的參考。

［1］ 陳國平, 李明節(jié), 許濤, 等. 關(guān)于新能源發(fā)展的技術(shù)瓶頸研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(1): 20-26.

CHEN Guoping, LI Mingjie, XU Tao, et al. Study on technical bottleneck of new energy development[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(1): 20-26.

［2］ 邱波, 趙勇, 夏清. 我國中長期電力需求增長趨勢(shì)研究[J]. 中國能源, 2018, 40(11): 21-27.

QIU Bo, ZHAO Yong, XIA Qing. Research on the growth trend of China’s medium-and long-term electricity demand[J]. Energy of China, 2018, 40(11): 21-27.

［3］ 施應(yīng)玲, 左藝, 孟雅儒. 中國火電產(chǎn)業(yè)的歷史軌跡與發(fā)展展望[J]. 科技管理研究, 2017, 37(16): 136-145.

SHI Yingling, ZUO Yi, MENG Yaru. Historical track and prospect of China’s thermal power industry[J]. Science and Technology Management Research, 2017, 37(16): 136-145.

［4］ 呂凱, 孫鵬, 任麗君, 等. 火電機(jī)組冷端系統(tǒng)鄰機(jī)互聯(lián)改造[J]. 熱力發(fā)電, 2017, 46(10): 88-93.

LYU Kai, SUN Peng, REN Lijun, et al. Research of neighbor inter-connection on cold end system of thermal power units[J]. Thermal Power Generation, 2017, 46(10): 88-93.

［5］ 黃凱, 彭濱, 吳文忠. 600 MW機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)一機(jī)雙塔運(yùn)行方式研究[J]. 湖南電力, 2011, 31(增刊1): 63-65.

HUANG Kai, PENG Bin, WU Wenzhong, et al. Study on operation mode of one unit and two towers in circulating water system of 600 MW unit[J]. Hunan Electric Power, 2011, 31(Suppl.1): 63-65.

［6］ 方海彬, 陳亮, 高軍, 等. 循環(huán)水一機(jī)雙塔改造[J]. 河南電力技術(shù), 2017(3): 60-62.

FANG Haibin, CHEN Liang, GAO Jun, et al. Retrofit of one unit and two towers for circulating water[J]. Henan Electric Power Technology, 2017(3): 60-62.

［7］ 李飛飛. 馬利冷卻塔一機(jī)雙塔運(yùn)行研究[J]. 科技視界, 2015(13): 251-251.

LI Feifei. Study on operation of one unit and two towers of Marley cooling tower[J]. Science & Technology Vision, 2015(13): 251-251.

［8］ 周蘭欣, 張學(xué)鐳, 陳素敏, 等. 凝汽器壓力應(yīng)達(dá)值的確定方法[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2002, 44(3): 149-151.

ZHOU Lanxin, ZHANG Xuelei, CHEN Sumin, et al. Calculational methods of condenser back pressure target value[J]. Turbine Technology, 2002, 44(3): 149-151.

［9］ 李勇, 曹麗華, 張欣剛. 汽輪機(jī)凝汽器真空應(yīng)達(dá)值的確定方法及其應(yīng)用[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2002, 44(4): 207-209.

LI Yong, CAO Lihua, ZHANG Xin’gang. The determining method of norm vacuum of condenser for steam turbine and its application[J]. Turbine Technology, 2002, 44(4): 207-209.

［10］ 沈士一, 莊賀慶, 康松, 等. 汽輪機(jī)原理[M]. 北京: 中國電力出版社, 1992: 214-215.

SHEN Shiyi, ZHUANG Heqing, KANG Song, et al. Principle of steam turbine[M]. Beijing: China Electric Power Press, 1992: 214-215.

［11］ 工業(yè)循環(huán)水冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范: GB/T 50102—2014[S]. 北京: 中國計(jì)劃出版社, 2014: 5.

Code for design of cooling for industrial recirculating water: GB/T 50102—2014[S]. Beijing: China Planning Press, 2014: 5.

［12］ 盧楠, 孫寶金. 基于辛普森（Simpson）法的積分近似計(jì)算[J]. 數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)與研究, 2013(19): 104.

LU Nan, SUN Baojin. Integral approximation based on Simpson method[J]. Mathematics learning and research, 2013(19): 104.

［13］ 趙振國. 冷卻塔[M]. 2版. 北京: 中國水力水電出版社, 2001: 314-319.

ZHAO Zhenguo. Cooling towers[M]. 2nd ed. Beijing: China Water & Power Press, 2001: 314-319.

［14］ 張志剛, 王瑋, 曾德良, 等. 冷卻塔出塔水溫的迭代計(jì)算方法[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2010, 30(5): 372-377.

ZHANG Zhigang, WANG Wei, ZENG Deliang, et al. The iterative calculation of cooling towers outlet water temperature[J]. Journal of Chinese of Power Engineering, 2010, 30(5): 372-377.

［15］ 楊劍永, 張武. 大型機(jī)組冷卻塔節(jié)能潛力分析[J]. 東北電力技術(shù), 2010, 31(6): 1-5.

YANG Jianyong, ZHANG Wu. Potential energy saving analysis on large-scale air-cooling tower[J]. Northeast Electric Power Technology, 2010, 31(6): 1-5.

Thermodynamic calculation method for natural ventilation cooling towers running in parallel

LIU Daoyuan1, ZHU Pengbo2, JIANG Guoce2, HUANG Qichuan1

(1. Huaizhe Coal & Power Fengtai Power Generation Branch Co., Ltd., Huainan 232131, China;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

At present, the study on thermodynamic calculation of cooling towers running in parallel is insufficient. On the basis of analyzing the characteristics of parallel operation of natural ventilation cooling towers, this paper carries out a comprehensive study on thermodynamic calculation methods for cooling towers in parallel operation, by using the enthalpy potential method, exhaustion method and regression analysis method. Moreover, combining with the practical examples, it verifies the effectiveness of the methods. The results show that, in parallel operation, the parameters of the two cooling towers, such as the structural type, climatic conditions, water inlet temperature, equivalent temperature rise, and the temperature rise of the cooling water flowing in and out of the condenser, are the same. The evaporation loss of the circulating water of one unit with double-tower and one unit with one tower are equal. Compared with the operating mode of one unit with one tower, the parallel operation of one unit with double-tower can save the energy significantly at different loads. The results can provide references for relevant renovation projects and the analysis on operational energy saving.

natural ventilation cooling tower, parallel operation, thermodynamic calculation, one unit with two towers, one unit with one tower, enthalpy difference method, exhaustion method

TK172

B

10.19666/j.rlfd.201905138

劉道遠(yuǎn)，朱蓬勃，姜國策，等. 并列運(yùn)行的自然通風(fēng)冷卻塔熱力計(jì)算方法[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 134-137. LIU Daoyuan, ZHU Pengbo, JIANG Guoce,et al. Thermodynamic calculation method for natural ventilation cooling towers running in parallel[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 134-137.

2019-05-05

劉道遠(yuǎn)(1972)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榛痣姀S節(jié)能與環(huán)保技術(shù)，daoyuanemail@163.com。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）