張東文，張宇陽(yáng)

（1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095；2.冀北電力有限公司檢修分公司，北京102400）

超大型自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力特性研究

張東文1，張宇陽(yáng)2

（1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095；2.冀北電力有限公司檢修分公司，北京102400）

隨著淋水面積的逐漸增大，現(xiàn)行的阻力計(jì)算公式已不再適用于超大型冷卻塔的計(jì)算。本文通過(guò)對(duì)應(yīng)建立超大型冷卻塔冷態(tài)氣流阻力試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)不同規(guī)模冷卻塔的支撐結(jié)構(gòu)（包括人字柱及塔內(nèi)支撐柱）、不同淋水填料阻力、不同進(jìn)風(fēng)口高度等進(jìn)行組合試驗(yàn)，對(duì)其相應(yīng)阻力特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了適用于超大型常規(guī)逆流式自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力系數(shù)計(jì)算公式，并經(jīng)過(guò)了工程驗(yàn)證。

超大型自然通風(fēng)冷卻塔；進(jìn)風(fēng)口；阻力特性

1 研究背景

自然通風(fēng)冷卻塔在運(yùn)行中，塔內(nèi)空氣經(jīng)過(guò)吸熱升溫，密度降低，與環(huán)境空氣形成密度差，從而產(chǎn)生抽力，促使空氣流動(dòng)。同時(shí)，冷卻塔塔體各部分對(duì)空氣的流動(dòng)有阻礙作用，形成阻力。在計(jì)算中，使抽力與阻力相等求得斷面風(fēng)速，是自然通風(fēng)逆流式冷卻塔設(shè)計(jì)計(jì)算中關(guān)鍵的一步。自然通風(fēng)冷卻塔阻力部分主要包括進(jìn)風(fēng)口區(qū)域、雨區(qū)以及塔筒區(qū)域。其中，進(jìn)風(fēng)口區(qū)域在整體阻力計(jì)算中占有很大的比重。目前我國(guó)現(xiàn)行的冷卻塔阻力計(jì)算公式多是針對(duì)淋水面積較小，進(jìn)風(fēng)口高度較低的冷卻塔經(jīng)過(guò)試驗(yàn)提出的，而對(duì)于淋水面積大于12 000 m2的超大型冷卻塔，上述公式的應(yīng)用則具有一定的局限性和誤差，因此需要對(duì)原有公式進(jìn)行校正或者提出新的計(jì)算公式。由于核電配套冷卻塔需要更大的淋水面積，所以進(jìn)風(fēng)口高度也相應(yīng)增大，而進(jìn)風(fēng)口高度的增大對(duì)于廠用電很敏感。內(nèi)陸核電適用的超大型冷卻塔進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度往往低于0.35，而現(xiàn)行公式只適用于進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度0.35～0.45的冷卻塔設(shè)計(jì)范圍，因此現(xiàn)行公式對(duì)于超大型冷卻塔的優(yōu)化不再適用。而進(jìn)風(fēng)口區(qū)域的阻力占整塔很大部分，所以急需針對(duì)超大型冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力特性展開(kāi)研究，提出合理的計(jì)算公式。

本文針對(duì)三種超大型自然通風(fēng)冷卻塔塔型，采用模型試驗(yàn)方法，研究進(jìn)風(fēng)口高度、淋水填料、塔殼支柱以及支撐柱等對(duì)超大型自然通風(fēng)逆流式冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域（除雨區(qū)外）的阻力系數(shù)的影響，分析進(jìn)風(fēng)口高度、塔殼支撐柱、淋水填料以及支撐柱等構(gòu)件的阻力特性，以獲得進(jìn)風(fēng)口區(qū)域（除雨區(qū)外）阻力計(jì)算公式。

2 模型設(shè)計(jì)

超大型冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力特性試驗(yàn)裝置系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1，系統(tǒng)主要包括懸吊裝置、風(fēng)機(jī)、過(guò)渡段風(fēng)筒、塔筒、模擬填料孔板、模擬支撐柱、模擬人字柱以及測(cè)試系統(tǒng)。

參考某電廠13 000 m2海水塔等塔型參數(shù)，模型塔筒采用雙曲線(xiàn)設(shè)置，底部直徑取1.20 m，淋水填料采用阻力系數(shù)相同的孔板模擬，孔板頂部直徑1.19 m，底部直徑1.196 m。模型進(jìn)風(fēng)口區(qū)域主要結(jié)構(gòu)包括塔筒支柱（人字柱）、塔內(nèi)支柱以及塔芯材料等，而模型中這些結(jié)構(gòu)的模擬也主要基于初步設(shè)計(jì)13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2淋水面積的冷卻塔的設(shè)計(jì)尺寸，為使模型試驗(yàn)結(jié)果具有更廣泛的適用性和代表性，模型構(gòu)件除塔芯材料采用孔板替代外，其余均基于同一塔筒的基礎(chǔ)上，分別按照1∶108.1，1∶127.2，1∶146.9的比尺分別模擬13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2淋水面積的冷卻塔的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)共設(shè)計(jì)有阻力系數(shù)10、20、30、40四種孔板。

為減小周?chē)h(huán)境氣流對(duì)冷卻塔模型的干擾，模型安裝在室內(nèi)較開(kāi)闊的區(qū)域。模型塔內(nèi)的通風(fēng)即進(jìn)塔氣流由風(fēng)機(jī)提供，風(fēng)機(jī)風(fēng)量應(yīng)滿(mǎn)足模型相似律即雷諾數(shù)要求。模型采用抽風(fēng)式設(shè)計(jì)，軸流風(fēng)機(jī)安裝在模型塔筒頂部，氣流自塔底進(jìn)風(fēng)口吸入，經(jīng)過(guò)進(jìn)風(fēng)口區(qū)域及塔體后，從風(fēng)機(jī)出口排出。為防止風(fēng)機(jī)葉輪渦流對(duì)塔內(nèi)氣流的干擾，喉部以上安裝約50 cm擴(kuò)展段。由于模型主要模擬塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力特性，因此，模型對(duì)塔喉部以上出口部分不作模擬，塔筒喉部與擴(kuò)展段之間由30 cm的直段塔筒相接。變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。模型四周用鋼結(jié)構(gòu)與風(fēng)機(jī)進(jìn)行固定和支撐，塔體底部采用可升降平臺(tái)，可以調(diào)節(jié)模型進(jìn)風(fēng)口高度。

冷卻塔的阻力主要集中在塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域，冷卻塔塔筒對(duì)氣流阻力較小，同時(shí)，氣流流經(jīng)塔筒喉部位置時(shí)，徑向流速幾乎為零，且縱向流速沿?cái)嗝娣植驾^均勻。因此，本試驗(yàn)中塔內(nèi)通風(fēng)量（由斷面風(fēng)速計(jì)算）及阻力測(cè)試均在喉部斷面進(jìn)行，即阻力測(cè)試結(jié)果均是指從塔進(jìn)風(fēng)口至喉部斷面之間區(qū)域的阻力特性。

圖1 試系布置圖

3 試驗(yàn)資料整理方法

3.1 阻力測(cè)試喉部斷面各測(cè)點(diǎn)阻力等于該點(diǎn)與塔外大氣的全壓差值，取各點(diǎn)算術(shù)平均值作為塔進(jìn)口至喉部斷面的平均阻力，用下式計(jì)算：

式中：ΔP為平均阻力及喉部斷面各測(cè)點(diǎn)與塔外大氣全壓差值的平均值，Pa；ΔPi為單個(gè)測(cè)點(diǎn)處全壓差，Pa；n是測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3.2 通風(fēng)量及斷面平均風(fēng)速模型塔通風(fēng)量由喉部斷面測(cè)試各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓Ei，則塔內(nèi)通風(fēng)量可表示為：

在得到整個(gè)模型的塔通風(fēng)量之后，相應(yīng)的填料的斷面平均風(fēng)速求解方法如下：

式中：Vf為相應(yīng)填料的斷面平均風(fēng)速，m/s；Af為淋水填料斷面面積，m2；

3.3 阻力系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)求出阻力與斷面平均風(fēng)速之后，即可求出冷卻塔各部分阻力系數(shù)：

式中：ξ為模型冷卻塔總阻力系數(shù)；ρm為塔內(nèi)平均空氣密度，因本試驗(yàn)為冷態(tài)試驗(yàn)，所以平均空氣密度取環(huán)境空氣密度，可通過(guò)環(huán)境干濕球和大氣壓求得kg/m3；Vf為填料斷面平均風(fēng)速，m/s。

4 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)結(jié)果

在初始進(jìn)行的雷諾數(shù)與阻力系數(shù)的敏感性關(guān)系試驗(yàn)分析可得，當(dāng)模型填料斷面雷諾數(shù)大于1.0× 105（臨界值）后，氣流運(yùn)動(dòng)達(dá)到阻力平方區(qū)，冷卻塔的總阻力系數(shù)不再發(fā)生變化。所以模型試驗(yàn)中塔的總阻力系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果取填料斷面雷諾數(shù)不小于1.0×105的測(cè)量結(jié)果。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行孔板阻力特性測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果與4種孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)值10、20、30、40相當(dāng)，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

4.1 進(jìn)風(fēng)口高度影響阻力特性因?yàn)樗?nèi)的阻力系數(shù)主要受淋水填料及進(jìn)風(fēng)口阻力影響，人字柱及塔內(nèi)支柱影響較小，可以暫時(shí)不考慮。所以本試驗(yàn)首先在沒(méi)有安裝人字柱和塔內(nèi)支柱的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)升降平臺(tái)，調(diào)整進(jìn)風(fēng)口高度，在所測(cè)得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上求得總阻力系數(shù)減去孔板阻力系數(shù)即為進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù)。

在實(shí)際工程中，常用進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度來(lái)表征進(jìn)風(fēng)口高度變化，進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度ε即為進(jìn)風(fēng)口面積與塔殼底面積的比值。目前常用的相對(duì)高度的設(shè)計(jì)范圍在0.35～0.45之間，不完全滿(mǎn)足超大型冷卻塔設(shè)計(jì)要求。

本試驗(yàn)選取4個(gè)進(jìn)風(fēng)口高度來(lái)反映其變化對(duì)冷卻塔阻力的影響，使得ε范圍在0.30～0.50之間。對(duì)不同進(jìn)風(fēng)口高度與不同孔板條件下的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)處理后匯總于圖2—5中。試驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)風(fēng)面積與底殼面積比在0.2～0.6區(qū)域內(nèi)，阻力系數(shù)與進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度近似成反比關(guān)系，但不同區(qū)域降低幅度不同；在0.27～0.35之間，阻力系數(shù)變化明顯；在0.35～0.45之間，降低幅度減緩；而在0.50以上，阻力系數(shù)變化幅度較小，說(shuō)明進(jìn)風(fēng)口高度增加到一定程度后，對(duì)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力的影響將不明顯。

將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理可得不同進(jìn)風(fēng)口高度條件下阻力系數(shù)計(jì)算公式：

式中：A=0.005ξf2-0.1289ξf+1.7847；B=2×10-4ξf

2+0.04ξf-3.01；ε為進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度（進(jìn)風(fēng)口面積與塔底殼面積比），取值范圍為0.3～0.5；ξf為淋水填料阻力系數(shù)。式（5）僅僅考慮了進(jìn)風(fēng)口氣流拐彎和淋水填料的阻力。

各孔板阻力系數(shù)下，阻力系數(shù)隨ε變化分別見(jiàn)圖2—5。

4.2 人字柱的阻力特性選取阻力系數(shù)為20的孔板對(duì)淋水面積13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2相應(yīng)比尺下不同直徑的人字柱進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，人字柱的阻力無(wú)法直接測(cè)量，試驗(yàn)通過(guò)比較模型塔在有、無(wú)人字柱時(shí)阻力的差值進(jìn)行計(jì)算。

圖2 孔板阻力系數(shù)10，阻力系數(shù)隨ε變化圖

圖3 孔板阻力系數(shù)20，阻力系數(shù)隨ε變化圖

圖4 孔板阻力系數(shù)30，阻力系數(shù)隨ε變化圖

圖5 孔板阻力系數(shù)40，阻力系數(shù)隨ε變化圖

式中：ξr為人字柱阻力系數(shù)；ξε為進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù)；ξf為填料阻力系數(shù)；AD為人字柱在垂向進(jìn)風(fēng)口斷面投影面積，m2；A為進(jìn)風(fēng)口面積，m2；εr=AD/A。

4.3 塔內(nèi)支撐柱的阻力特性選取阻力系數(shù)為30的孔板對(duì)淋水面積13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2相應(yīng)比尺下不同直徑的人字柱進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)比較模型塔在有、無(wú)人字柱是阻力的差值進(jìn)行計(jì)算。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后分析，并結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式可知，支撐柱的阻力系數(shù)隨支撐柱阻風(fēng)面積與進(jìn)風(fēng)口面積的比值增大而增大，繪制其關(guān)系圖如圖7。

圖6 人字柱阻力系數(shù)隨變化

圖7 xz與ez的關(guān)系

結(jié)合數(shù)據(jù)與圖7，支柱阻力系數(shù)計(jì)算公式可擬合如下：

式中ez為支撐柱阻風(fēng)面積與進(jìn)風(fēng)口面積比。

4.4 總結(jié)進(jìn)風(fēng)口區(qū)域的的阻力系數(shù)通過(guò)模型試驗(yàn)測(cè)試得到了各個(gè)部分的試驗(yàn)值，淋水填料的阻力系數(shù)與氣流轉(zhuǎn)彎不可分割，其它可相加，表示如下：

5 工程驗(yàn)證

鄒縣電廠四期12 000 m2自然通風(fēng)逆流式冷卻塔是我國(guó)目前已經(jīng)運(yùn)行的百萬(wàn)千瓦級(jí)火電機(jī)組配套的淡水冷卻塔，該塔于2007年8月進(jìn)行了冷卻塔的性能試驗(yàn)。塔總高165.00 m，有效抽風(fēng)高度151.8m，進(jìn)風(fēng)口高度11.64 m，喉部高度127.05 m，喉部直徑75.21 m，塔殼底部直徑124.79 m，填料采用PVC塑料哈蒙復(fù)合波填料。采用一維計(jì)算方法，帶入阻力公式（8），具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)［1-4］。

由表1可以看出，計(jì)算的最大誤差為-0.47，平均誤差為-0.22，滿(mǎn)足冷卻塔精度計(jì)算要求。

表1 一機(jī)兩泵全塔配水運(yùn)行工況（循環(huán)水量112294t/h）（單位：℃）

6 結(jié)論

本文針對(duì)淋水面積分別為13 000 m2、18 000 m2、24 000 m2模型塔，對(duì)應(yīng)建立了冷卻塔冷態(tài)氣流阻力試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)不同規(guī)模冷卻塔的支撐結(jié)構(gòu)（包括人字柱及塔內(nèi)支撐柱）、不同淋水填料阻力、不同進(jìn)風(fēng)口高度等進(jìn)行組合試驗(yàn)，對(duì)其相應(yīng)阻力特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了適用于超大型常規(guī)逆流式自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力系數(shù)計(jì)算公式，并經(jīng)過(guò)工程驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）進(jìn)風(fēng)口高度是影響進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力系數(shù)的重要參數(shù)。進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力系數(shù)與進(jìn)風(fēng)口高度近似成反比關(guān)系。

（2）人字柱的阻力系數(shù)不僅和人字柱投影面積與進(jìn)風(fēng)口面積的比值相關(guān)，還與進(jìn)風(fēng)口阻力系數(shù)大小相關(guān)。

（3）支撐柱的阻力系數(shù)隨支撐的阻風(fēng)面積與進(jìn)風(fēng)口面積的比值增大而增大，二者呈線(xiàn)性關(guān)系。

（4）通過(guò)模型試驗(yàn)，總結(jié)出了進(jìn)風(fēng)口區(qū)域各部件和組合的阻力系數(shù)計(jì)算公式，建立超大型常規(guī)逆流濕式冷卻塔計(jì)算模型奠定基礎(chǔ)。

（5）通過(guò)對(duì)比計(jì)算和工程實(shí)例驗(yàn)證，本文章提出的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力系數(shù)計(jì)算公式，完全滿(mǎn)足超大型冷卻塔的計(jì)算要求。

［1］宋小軍.超大型冷卻塔一二維熱力計(jì)算方法對(duì)比分析研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2007.

［2］工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T50102-2014［S］.

［3］火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T5339-2006［S］.

［4］趙順安.冷卻塔工藝原理［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

Research on inlet resistant of super large natural draft cooling tower

ZHANG Dongwen1，ZHANG Yuyang2
（1.State Nuclear Power Design and Research Institute，Beijing100095，China；
2.Jibei Electric Power Maintenance Company，Beijing102400，China）

Cooling tower is becoming larger and larger，so the present calculation formula can’t be used to calculate the resistance of super large natural draft cooling tower.In this paper，we try to establish the test model of super large natural draft cooling tower(without hot water)，then test it under different condi?tions，including different support structures，different fills and different inlet heights，and analyze the resis?tance of each part，and propose a calculation formula which could be used to calculate the inlet resistance of super large natural draft cooling tower，and at the end，verify the new formula through engineering prac?tice.

super large natural draft cooling tower；inlet；resistance

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.002

1672-3031（2016）05-0328-06

（責(zé)任編輯：李福田）

2016-05-04

張東文（1964-），男，山東濟(jì)南人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事冷卻塔方面的研究。

E-mail：zhangdongwen@snpdri.com