摘要 ：為進(jìn)一步提高我國(guó)高位收水冷卻塔自主化設(shè)計(jì)計(jì)算水平，降低國(guó)內(nèi)高位塔工程造價(jià)，依托國(guó)內(nèi)某投運(yùn)的燃煤發(fā)電機(jī)組高位收水冷卻塔，利用自主化設(shè)計(jì)計(jì)算方法與公式，將計(jì)算結(jié)果與國(guó)外高位塔工程公司設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)也與該高位塔的實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。綜合判斷自主化設(shè)計(jì)計(jì)算方法及結(jié)果可靠、可信，可用于對(duì)工業(yè)高位收水冷卻塔的對(duì)比分析、評(píng)價(jià)及對(duì)新建高位冷卻塔的設(shè)計(jì)計(jì)算。

       關(guān)鍵詞 ：自主化計(jì)算 ;工業(yè)塔測(cè)試 ;冷卻性能 ;高位收水冷卻塔

　　引言冷卻塔的作用是將攜帶廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣 [1]。高位收水冷卻塔是一種節(jié)能環(huán)保型自然通風(fēng)濕式冷卻塔，相比常規(guī)濕冷塔，其利用設(shè)置在淋水填料下方的收水裝置將循環(huán)水在高位收集，提高了循環(huán)水泵吸水水位，從而顯著節(jié)約了循環(huán)水泵揚(yáng)程，且有效降低了冷卻塔雨區(qū)噪音，可以說高位收水冷卻塔是冷卻塔家族的先進(jìn)代表。

　　上世紀(jì) 90 年代，我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造了國(guó)內(nèi)第一座 300 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組的高位收水冷卻塔，但 2016 年之前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的 1 000 MW 級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組高位收水冷卻塔均為直接引進(jìn)外方技術(shù)設(shè)計(jì)，其中以歐洲某公司高位冷卻塔技術(shù)占主導(dǎo)地位，高位收水冷卻塔工藝布置復(fù)雜，各部件熱力、阻力系數(shù)均被嚴(yán)格保密，以致其技術(shù)服務(wù)費(fèi)用高昂，工程單位造價(jià)居高不下，因此盡快突破高位冷卻塔技術(shù)壁壘具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

　　近年來，國(guó)內(nèi)相繼開展了超大型高位收水冷卻塔的自主化設(shè)計(jì)研究，通過物理模型、數(shù)學(xué)模型，甚至等比例實(shí)物模型研究了高位收水冷卻塔的熱力、阻力特性，并優(yōu)化了高位收水裝置的水力特性、濺漏水率、力學(xué)特性及節(jié)點(diǎn)連接等內(nèi)容。

　　本文是在筆者所屬公司多年來對(duì)高位收水冷卻塔技術(shù)研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的某歐洲公司設(shè)計(jì)的燃煤發(fā)電機(jī)組高位收水冷卻塔為依托，將該高位塔冷卻性能自主化計(jì)算結(jié)果與國(guó)外高位塔工程公司對(duì)該塔的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)也與該高位塔的實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，綜合分析自主化計(jì)算方法及結(jié)果的可靠性，進(jìn)一步提高我們的設(shè)計(jì)水平，降低國(guó)內(nèi)高位收水冷卻塔的綜合造價(jià)。

　　1　依托工程冷卻塔概況

　　依托工程建設(shè) 2×1 000 MW 超超臨界濕冷機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組各配置一臺(tái)冷卻面積為60 000 m2 的凝汽器和一座填料淋水面積為12 500 m2 的逆流式自然通風(fēng)高位收水冷卻塔。高位收水冷卻塔由歐洲某冷卻塔工程公司總體設(shè)計(jì)施工，整塔淋水填料、噴頭、收水裝置等均由外方進(jìn)口提供并安裝。2015 年 5 月項(xiàng)目正式并網(wǎng)發(fā)電，同年 8 月業(yè)主對(duì)高位收水冷卻塔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)性能考核試驗(yàn)，在接近夏季 10% 氣象頻率設(shè)計(jì)工況下，高位收水冷卻塔實(shí)測(cè)冷卻能力優(yōu)于設(shè)計(jì)計(jì)算值。

　　2　設(shè)計(jì)工況下設(shè)計(jì)值對(duì)比設(shè)計(jì)

　　工況下設(shè)計(jì)值對(duì)比是以上述高位收水冷卻塔為依托，在相同氣象資料、熱力參數(shù) ( 相同循環(huán)水量和溫升 )、冷卻塔尺寸、塔芯材料參數(shù)下，通過自主化計(jì)算方法計(jì)算得出設(shè)計(jì)工況下的出塔水溫，將其與外方設(shè)計(jì)的出塔水溫進(jìn)行對(duì)比分析。

　　2.1 冷卻塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

　　本工程塔芯采用 Coolfilm-SNCS 型淋水填料，聚氯乙烯 (polyvinyl chloride，PVC) 材質(zhì)，片間距為 20 mm，懸吊方式安裝，高度 1.5 m。

　　1) 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)自主化設(shè)計(jì)

　　計(jì)算參考使用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要包括 ：T/CSEE 0146—2020《高位收水冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]、GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 50102—2014《工業(yè)循環(huán)冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL/T 5525—2017《冷卻塔塔芯部件選擇設(shè)計(jì)導(dǎo)則》和 DL/T 742—2019《冷卻塔塑料部件技術(shù)條件》等。

　　依據(jù)各實(shí)測(cè)有效試驗(yàn)點(diǎn)的冷卻數(shù)，用最小二乘法擬合本工程熱力性能方程式，其中淋水填料的熱力特性系數(shù) Ψ 為 2.13，淋水填料的熱力特性指數(shù) m 為 0.56。自主化計(jì)算冷卻塔阻力系數(shù)高位收水冷卻塔在阻力方面與常規(guī)冷卻塔的最大區(qū)別是其沒有雨區(qū)，相比常規(guī)冷卻塔增加了收水斜板和收水槽裝置。

　　通過對(duì)依托工程熱力性能說明書中相關(guān)高位冷卻塔結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、夏季 10% 頻率氣象參數(shù)下熱力參數(shù)等數(shù)據(jù)的反算得到高位收水冷卻塔總阻力系數(shù) ξ 為53.71，塔進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù) ξ1 為 6.07，收水裝置與淋水填料阻力系數(shù) ξ2 為 25.94，配水系統(tǒng)與除水器阻力系數(shù) ξ3 為 6.08，環(huán)境風(fēng)影響阻力系數(shù)ξ4 為 9.63，冷卻塔出口阻力系數(shù) ξ5 為 5.99。我國(guó)冷卻塔研究機(jī)構(gòu)研究了風(fēng)筒式自然通風(fēng)逆流式冷卻塔的通風(fēng)阻力，通過對(duì)模型塔的阻力試驗(yàn)研究，建立了冷卻塔內(nèi)氣流總阻力系數(shù)的計(jì)算方法。

　　采用該計(jì)算方法并根據(jù)依托高位收水冷卻塔的結(jié)構(gòu)尺寸及上述反算結(jié)果，計(jì)算得本次自主化設(shè)計(jì)采用的總阻力系數(shù) ξ 約為49.03，其中從塔的進(jìn)風(fēng)口至塔喉部的阻力系數(shù)ξa 為 4.39，冷卻塔出口阻力系數(shù) ξb 為 4.64。自主化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比自主化計(jì)算淋水填料的有效面積為毛面積減去配水槽、中央豎井、填料支柱截面和懸吊桿的阻風(fēng)面積，通過自主化設(shè)計(jì)計(jì)算，在設(shè)計(jì)工況下的出塔水溫對(duì)比。

　　小結(jié)從計(jì)算結(jié)果的對(duì)比看，自主化計(jì)算結(jié)果與引進(jìn)技術(shù)計(jì)算值的平均絕對(duì)值偏差在 0.12℃范圍內(nèi)，最大絕對(duì)值偏差為 0.13℃。參考 DL/T1027—2006《工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程》中對(duì)被測(cè)冷卻塔冷卻能力評(píng)價(jià)的規(guī)定，即當(dāng)塔的實(shí)測(cè)冷卻能力達(dá)到 95% 及以上時(shí)，應(yīng)視為達(dá)到設(shè)計(jì)要求。一般來說，當(dāng)對(duì)采用不同計(jì)算方法得出的出塔水溫，其計(jì)算偏差在 ±0.3℃以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為是可接受的。因此可以看出自主化計(jì)算結(jié)果與外方計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。

　　3　工業(yè)塔測(cè)試值和自主化計(jì)算值對(duì)比

　　3.1 依托高位塔測(cè)試

　　以第 1 章所述高位冷卻塔為依托，所有測(cè)試數(shù)據(jù)均來自對(duì)該高位塔的觀測(cè)結(jié)果，冷卻塔熱力性能測(cè)試依據(jù) CTI Code ATC—105《冷卻塔驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》和《工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程》相關(guān)內(nèi)容。

　　3.1.1 測(cè)試工況

　　8 月份對(duì)高位收水冷卻塔在循環(huán)水滿流量( 三臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行 )，全塔配水和汽輪機(jī)負(fù)荷 1 000 MW 的工況下，進(jìn)行了性能測(cè)試試驗(yàn)。觀測(cè)參數(shù)主要包括 ：環(huán)境干球溫度、環(huán)境濕球溫度、大氣風(fēng)速風(fēng)向、大氣壓力、進(jìn)塔水溫度、進(jìn)塔水量和出塔水溫等其他運(yùn)行參數(shù)。

　　3.1.2 主要測(cè)試參數(shù)

　　合規(guī)性根據(jù)《工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程》，判斷主要測(cè)試參數(shù)允許偏離設(shè)計(jì)值范圍的合規(guī)性。

　　3.1.3 測(cè)試工況

　　數(shù)據(jù)表[2]對(duì)收集到的多組原塔有效測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選，按數(shù)據(jù)完整度選取共 6 組測(cè)試數(shù)據(jù)，其中包括測(cè)試工況中的最大和最小濕球溫度所在數(shù)據(jù)組。可以看出原塔型測(cè)試期間，全塔運(yùn)行循環(huán)水量為 96 480 t/h，平均溫升約 9.84 ℃ ;對(duì)比夏季 10% 氣象條件設(shè)計(jì)工況下，全塔運(yùn)行循環(huán)水量為 104 580 t/h，溫升 8.97 ℃， 測(cè) 試工況熱負(fù)荷為設(shè)計(jì)工況的 101.2%，循環(huán)水量為設(shè)計(jì)工況的 92.2%，測(cè)試數(shù)據(jù)合規(guī)性滿足《工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程》要求，可用于 3.2 節(jié)的對(duì)比分析。

　　3.2 自主化設(shè)計(jì)

　　計(jì)算值自主化設(shè)計(jì)計(jì)算值是以依托高位收水冷卻塔的測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在相同氣象資料、熱力參數(shù) ( 相同循環(huán)水量和溫升 )、冷卻塔尺寸及淋水填料參數(shù)下，利用自主化高位塔計(jì)算公式及方法，計(jì)算出測(cè)試工況下的出塔水溫值。運(yùn)行工況下，原塔型實(shí)測(cè)出塔平均水溫大部分低于自主化計(jì)算值，最大出塔水溫差絕對(duì)值 0.23℃，最小出塔水溫差絕對(duì)值 0.02℃，出塔水溫差絕對(duì)值的平均值約0.12℃。

　　3.3 小結(jié)

　　通過與高位塔原塔實(shí)測(cè)值的分析比較，可以看出 ：1) 運(yùn)行工況有效測(cè)試值是在循環(huán)水量為設(shè)計(jì)工況的 92.2% 條件下測(cè)定的，實(shí)測(cè)出塔平均水溫大部分低于自主化設(shè)計(jì)平均值，平均出塔水溫差約 0.12 ℃，最大出塔水溫差絕對(duì)值0.23 ℃，最小出塔水溫差絕對(duì)值 0.02 ℃。2) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由于設(shè)備、技術(shù)、測(cè)試條件等因素影響客觀會(huì)存在一定誤差，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間存在偏差是不可避免的，當(dāng)實(shí)測(cè)循環(huán)水量和設(shè)計(jì)循環(huán)水量的差值在 ±10% 以內(nèi)時(shí)，冷卻塔出塔水溫的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的偏差控制在 0.3 ℃范圍內(nèi)，認(rèn)為設(shè)計(jì)是滿足要求的。因此高位收水冷卻塔自主化計(jì)算結(jié)果是符合實(shí)際、可靠的。

　　4　結(jié)語

　　自主化高位收水冷卻塔冷卻性能計(jì)算方法及公式適用于逆流式自然通風(fēng)高位收水冷卻塔，計(jì)算水平與國(guó)外高位塔工程公司相當(dāng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)塔測(cè)試數(shù)據(jù)吻合度高，是可靠的。自主化計(jì)算方法及公式可用于對(duì)工業(yè)塔的對(duì)比分析、評(píng)價(jià)及對(duì)新建高位冷卻塔的設(shè)計(jì)計(jì)算。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 趙振國(guó). 冷卻塔[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，1997.

　　[2] 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì). 高位收水冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)程：T/CSEE0146-2020[S]. 北京：中國(guó)電力出版社，2020.

　　作者：范　攀1，杜志方2，楊迎哲1，李　誠(chéng)1，王　蓓1