郭銳敏

(中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

孟加拉當(dāng)?shù)厝狈κ模こ逃没炷良吧笆冉ú男枰M口，土建造價非常高，而且當(dāng)?shù)厥┕に捷^差，采用玻璃鋼機械通風(fēng)冷卻塔可以有效地縮短建設(shè)工期，節(jié)約投資[1]。但大型火電廠冷卻水用量大，孟加拉地區(qū)高溫高濕，因此單臺冷卻水量大于3000m3/h的大型機械通風(fēng)冷卻塔[2]被廣泛運用到工程之中。大型冷卻塔塔排的布置方案，既要考慮冷卻效果，又要重視占地情況。本文基于孟加拉某2×660MW電廠條件，對大型機械通風(fēng)冷卻塔進行布置研究并輔以數(shù)值模擬分析，以期實現(xiàn)降低占地面積、節(jié)約投資目的。

1 工程概況

孟加拉某2×660MW燃煤電廠工程，采用帶機械冷卻通風(fēng)塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)。每臺機組配置3×10.2m3/s立式濕井可抽式、固定轉(zhuǎn)速、單級混流泵(2用1備)，單元制方式運行；16×4900m3/h逆流式機械通風(fēng)冷卻塔(15用1備)；循環(huán)水母管DN3200。工程2臺機組共計6臺循環(huán)水泵，32臺機械通風(fēng)冷卻塔。

冷卻塔塔體，采用大跨度混凝土框架結(jié)構(gòu)，兩端采用混凝土圍護面板，其余采用玻璃鋼圍護面板，冷卻塔的主要工藝參數(shù)如表1所示。

2 塔排布置方案

2.1 塔排間距要求

冷卻塔為雙側(cè)進風(fēng)形式，根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻塔設(shè)計規(guī)范》[3]要求，宜平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向布置。32臺冷卻塔難以實現(xiàn)長軸在同一直線上的單列布置，因此考慮將其分成若干塔排陣列，并參考《工業(yè)循環(huán)水冷卻塔設(shè)計規(guī)范》(下簡稱《規(guī)范》)中羅列的英國、美國等國家對塔排布置的有關(guān)要求，對塔排間距進行初步選擇：

表1 機械通風(fēng)冷卻塔主要參數(shù)表

表2 塔排間距國內(nèi)外推薦值對比表

H0：冷卻塔進風(fēng)口高度，m；L1、L2：相鄰塔排長度，m。

表2是塔排間距國內(nèi)外推薦值對比表。從表2中可以看到，美國、英國的推薦參考值一致，塔排凈距要求很大。中國規(guī)范的塔排凈距要求最小，從《規(guī)范》條文中可知，此推薦參考值主要是考慮塔的通風(fēng)要求，并未考慮濕熱空氣回流和干擾的影響。由于孟加拉當(dāng)?shù)馗邷馗邼?，且該工程冷卻塔數(shù)量多、單塔處理水量大，回流影響不可輕視?？紤]到我國的研究多是基于前蘇聯(lián)的成果，因此塔排的凈距根據(jù)前蘇聯(lián)B·A·格拉特科夫推薦的參考值，暫按45m考慮。

為了研究冷卻塔排出的濕熱空氣回流和干擾對冷卻效果的影響，則需對冷卻塔的布置方案進行數(shù)值模擬分析。

2.2 布置方案及流場數(shù)值模擬分析

2.2.1方案一：塔排長軸平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向布置

(1)布置概況

塔排長軸平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向，32臺冷卻塔每4臺一列，凈距按45m考慮，8列總占地面積約為465.4m×76.5m，如圖1～圖2所示。

圖1 塔排長軸平行風(fēng)向模型圖

圖2 塔排長軸平行風(fēng)向平面布置圖

(2)模型建立

圖1中，干冷空氣從綠色區(qū)域往冷卻塔方向流動，紅色圓形區(qū)域為風(fēng)筒出風(fēng)口，濕熱空氣從此處排出。藍(lán)色區(qū)域為冷卻塔的進風(fēng)面，計算藍(lán)色1～4區(qū)域干冷空氣和濕熱空氣中的含水量，即可知道冷卻塔的回流率，如式(1)：

(1)

式中：

R——回流率，%；

Wi——進風(fēng)面空氣含水量，kg/kg；

WD——干空氣含水量，kg/kg；

WW——濕空氣含水量，kg/kg。

(3)模型邊界條件

綠色區(qū)域的環(huán)境風(fēng)速，分別設(shè)定為0、1、5、7、10、14、20m/s，并將此區(qū)域的干空氣條件設(shè)定為干球溫度30.7℃，相對濕度60%。

紅色區(qū)域的出塔風(fēng)速設(shè)定為9.9m/s，并將此區(qū)域的干空氣條件設(shè)定為干球溫度30.7℃，相對濕度100%。

(4)數(shù)值模擬分析回流率影響

選取第1、3、5、8臺的右側(cè)進風(fēng)面(圖1中的1～4)，在不同的風(fēng)速下，各進風(fēng)面的回流率如圖3所示。

圖3 回流率與風(fēng)速關(guān)系圖一

從圖3中可以看到，塔排平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向的布置方案，有以下特點：

①對于單個塔排，風(fēng)速小時回流率大，風(fēng)速1m/s時回流率最大，隨風(fēng)速加大，回流率趨于0%。

②對于整個塔排組，兩外側(cè)塔排的回流率小，中間塔排的回流率大，其最高回流率為0.8%。塔排總體回流率并不大，冷卻效果比較理想。

該方案占地約35 603m2，并且多塔排布置時，進出水管路比較復(fù)雜。對于工程而言，廠址征地有限，緊湊布置縮小占地必要。為此，需要再考慮一個能節(jié)約用地的方案作為對比。

2.2.2方案二：塔排長軸垂直夏季主導(dǎo)風(fēng)向布置

(1)布置概況

塔排長軸垂直夏季主導(dǎo)風(fēng)向，32臺冷卻塔每16臺一列，凈距按45m考慮，2列總占地面積約為305.7m×82.6m，為方案一的71%，如圖4～圖5所示。

圖4 塔排長軸垂直風(fēng)向模型圖

圖5 塔排長軸垂直風(fēng)向平面布置圖

(2)模型建立

圖4中，干冷空氣從綠色區(qū)域往冷卻塔方向流動，紅色圓形區(qū)域為風(fēng)筒出風(fēng)口，濕熱空氣從此處排出。藍(lán)色區(qū)域為冷卻塔的進風(fēng)面，計算藍(lán)色1～4區(qū)域干冷空氣和濕熱空氣各自的所占比例，冷卻塔的回流率計算公式同式(1)。

(3)模型邊界條件

綠色區(qū)域的環(huán)境風(fēng)速，分別設(shè)定為0、1、3、7、9、10、14、20m/s，并將此區(qū)域的干空氣條件設(shè)定為干球溫度30.7℃，相對濕度60%。

紅色區(qū)域的出塔風(fēng)速，設(shè)定為9.9m/s，且將此區(qū)域的干空氣條件設(shè)定為干球溫度30.7℃，相對濕度100%。

(4)數(shù)值模擬分析回流率影響

選取兩列冷卻塔的4個進風(fēng)面，測定其不同風(fēng)速下的回流率，如圖6所示。

圖6 回流率與風(fēng)速關(guān)系圖二

從圖6中可以看到，塔排垂直夏季主導(dǎo)風(fēng)向的布置方案，有以下特點：

①無風(fēng)時，塔排間沒有熱回流的影響。風(fēng)機將濕熱空氣垂直向上抽吸，并不會影響到另一側(cè)的進風(fēng)口。

②風(fēng)速7～10m/s的區(qū)間內(nèi)，回流率較大，越遠(yuǎn)離此區(qū)間，回流率越小。毋飛翔等人的研究[4]中也有回流率存在峰值的結(jié)論。

③垂直風(fēng)向的第一個進風(fēng)面，完全沒有回流影響，兩塔排中間的進風(fēng)面回流影響較大。

2.2.3數(shù)值模擬分析結(jié)果探討

根據(jù)上述兩個方案各自的特點，結(jié)合典型代表工況下的回流情況(圖7～圖10)，分別進行討論。

圖7是平行風(fēng)向方案，塔排組中間的冷卻塔在風(fēng)速1m/s時回流情況(此工況回流率最大)。從圖7中可以看到，風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速(9.9m/s)將濕熱空氣垂直向上排出，干冷風(fēng)向水平移動且風(fēng)速較小，濕熱空氣較緩地向下風(fēng)位移動，其中一部分被本塔排及相鄰塔排下風(fēng)位的冷卻塔進風(fēng)口吸入，這是產(chǎn)生回流的原因。

結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，端頭側(cè)塔排的進風(fēng)面1沒有受到回流影響，同為端頭但有相鄰塔排的進風(fēng)面4卻有回流影響，由此認(rèn)為，相鄰塔排上風(fēng)位風(fēng)機排出的濕熱空氣，是造成回流的主因。

當(dāng)風(fēng)速增大至10m/s時，如圖8所示，由于塔排長度并不長，干冷風(fēng)向可以在短時間內(nèi)推著濕熱空氣穿越塔排，降低了對相鄰塔排的影響，從而回流率下降。

圖7 平行布置風(fēng)速1m/s回流情況圖

圖8 平行布置風(fēng)速10m/s回流情況圖

圖9是垂直風(fēng)向方案，塔排中部的冷卻塔在風(fēng)速1m/s時回流情況。風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)速(9.9m/s)比水平風(fēng)速大，濕熱空氣主要是往塔排上空移動，結(jié)合圖6可知，此時回流率并不大。

當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時，濕熱空氣開始往下風(fēng)位移動，由于干冷空氣密度大且位于上空，上升的濕熱空氣被其阻礙難以得到擴散，如圖10所示，在2個塔排之間，濕熱空氣出現(xiàn)滯留回旋，這是造成回流影響的主要原因，同時也解釋了圖6中兩塔排組間的進風(fēng)口回流率較大的現(xiàn)象。

圖6中的進風(fēng)面1，作為垂直風(fēng)向的第一個進風(fēng)面，完全沒有回流問題。進風(fēng)面4背對風(fēng)向，受到上風(fēng)位濕熱空氣影響較小，同時其后方是開闊場地，濕熱空氣更容易擴散，因此其回流率要低于塔排組中間的進風(fēng)面。

圖9 垂直布置風(fēng)速1m/s回流情況圖

圖10 垂直布置風(fēng)速7m/s回流情況圖

3 工程設(shè)計方案

從冷卻效果來看，冷卻塔采用多塔排布置時，長軸平行風(fēng)向方案的冷卻效果要優(yōu)于長軸垂直風(fēng)向方案。高坤華等人的研究[5]中也得到相同的結(jié)論。

該工程受主廠房和出線方向的限制，冷卻塔區(qū)域的用地為一個長邊垂直夏季風(fēng)向的矩形區(qū)域，用地形狀和范圍已定，再額外征地難度大。

對于冷卻效果好的8塔排方案(方案一)，雖然占地形狀與可用地區(qū)域相同，但其占地過大，比方案二要多占地約10 352m2，已經(jīng)超出了可用地范圍。此外，多塔排的進出水管道布置較為復(fù)雜，塔排間的空地零碎，不好利用。

對于2塔排長軸平行風(fēng)向方案(即方案二轉(zhuǎn)置90°)，其占地形狀與可用地區(qū)域完全不符，不在考慮范圍內(nèi)。

對于2塔排長軸垂直風(fēng)向方案(即方案二)，其最高的回流量為27%，出現(xiàn)在7～10m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，根據(jù)該工程的水文氣象報告，廠址所在地平均風(fēng)速為2.19m/s，對應(yīng)的回流率約為9%?？紤]到年均的回流影響不大，且該方案有不需要額外征地、進出水管的布置簡潔流暢等優(yōu)點，決定基于此方案再做優(yōu)化。

根據(jù)可用地的范圍條件，將塔排的脫開距離增加到50m；為充分利用占地，將循環(huán)水排水池及排污水泵布置在兩塔排中間。最終布置如圖11所示。

圖11 該工程冷卻塔最終布置方案圖

4 結(jié)論

大型冷卻塔的布置方案對冷卻效果有很大的影響，隨塔排數(shù)量增多，其占地面積迅速增大，對電廠的總平布置及工程用地有很大的影響。本文基于孟加拉某2×660MW電廠條件，對大型機械通風(fēng)冷卻塔進行方案布置和數(shù)值模擬分析研究，得到以下結(jié)論：

(1)冷卻塔多塔排布置時，長軸平行風(fēng)向方案的冷卻效果優(yōu)于長軸垂直風(fēng)向方案。

(2)該工程場地條件下，塔排長軸平行風(fēng)向布置時，在低風(fēng)速范圍內(nèi)有回流影響，隨風(fēng)速增大影響逐漸減少，但總體回流率不大。

(3)基于該工程場地條件，塔排長軸垂直風(fēng)向布置時，在7～10m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，回流影響較大，距此區(qū)域越遠(yuǎn)，影響越小。

(4)受工程征地形狀和范圍的影響，冷卻塔設(shè)計方案應(yīng)盡可能充分利用占地，既要考慮系統(tǒng)運行的效果，也要兼顧設(shè)備、管道施工與布置的方便。