范 攀,杜志方,楊迎哲,李 誠,王 蓓
(1.中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院有限公司,陜西 西安 710075;2.中國電力國際發(fā)展有限公司平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司,河南 平頂山 467033)
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,我國自主設(shè)計建造了國內(nèi)第一座300 MW燃煤發(fā)電機(jī)組的高位收水冷卻塔,但2016年之前國內(nèi)已投運(yùn)的1 000 MW級燃煤發(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,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,國內(nèi)相繼開展了超大型高位收水冷卻塔的自主化設(shè)計研究,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,以國內(nèi)已投運(yùn)的某歐洲公司設(shè)計的燃煤發(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算結(jié)果與國外高位塔工程公司對該塔的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行對比分析,同時也與該高位塔的實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究,綜合分析自主化計算方法及結(jié)果的可靠性,進(jìn)一步提高我們的設(shè)計水平,降低國內(nèi)高位收水冷卻塔的綜合造價。
依托工程建設(shè)2×1 000 MW超超臨界濕冷機(jī)組,每臺機(jī)組各配置一臺冷卻面積為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)主對高位收水冷卻塔進(jìn)行了現(xiàn)場性能考核試驗(yàn),在接近夏季10%氣象頻率設(shè)計工況下,高位收水冷卻塔實(shí)測冷卻能力優(yōu)于設(shè)計計算值。
設(shè)計工況下設(shè)計值對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,通過自主化計算方法計算得出設(shè)計工況下的出塔水溫,將其與外方設(shè)計的出塔水溫進(jìn)行對比分析。
2.1.1 氣象參數(shù)及熱力參數(shù)
設(shè)計工況下依托高位收水冷卻塔氣象參數(shù)及熱力參數(shù)匯總見表1所列。
表1 設(shè)計工況氣象參數(shù)及熱力參數(shù)表
2.1.2 冷卻塔設(shè)計參數(shù)
依托高位收水冷卻塔塔型參數(shù)見表2所列。
表2 冷卻塔尺寸參數(shù)表
2.1.3 塔芯淋水填料
本工程塔芯采用Cool film-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。
2.2.1 自主化計算輸入數(shù)據(jù)表
自主化計算氣象及熱力參數(shù)見表1所列;冷卻塔尺寸輸入?yún)?shù)見表2所列;塔芯填料參數(shù)整理匯總見表3所列。
表3 塔芯填料參數(shù)表
2.2.2 自主化計算依據(jù)
1)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)
自主化設(shè)計計算參考使用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要包括:T/CSEE 0146—2020《高位收水冷卻塔設(shè)計規(guī)程》[2]、GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》、GB/T 50102—2014《工業(yè)循環(huán)冷卻設(shè)計規(guī)范》、DL/T 5525—2017《冷卻塔塔芯部件選擇設(shè)計導(dǎo)則》和DL/T 742—2019《冷卻塔塑料部件技術(shù)條件》等。
2)計算公式
式中:N為冷卻數(shù);Ψ為熱力計算綜合修正系數(shù);A為淋水填料的熱力特性系數(shù);λ為氣水比;m為淋水填料的熱力特性指數(shù);t1為進(jìn)塔水溫,℃;t2為出塔水溫,℃;Cw為循環(huán)水比熱,kJ/(kg·℃);dt為溫度積分單元,℃;h''為與水溫相應(yīng)的飽和空氣比焓,kJ/kg;h為濕空氣的比焓,kJ/kg。
依據(jù)各實(shí)測有效試驗(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。
式中:H為冷卻塔的全部通風(fēng)阻力,Pa;ξ為冷卻塔通風(fēng)總阻力系數(shù);ρm為計算空氣密度,kg/m3;vm為淋水填料計算斷面的平均風(fēng)速,m/s。
式中:Z為冷卻塔抽力,Pa;He為冷卻塔有效抽風(fēng)高度,m;g為重力加速度,m/s2;ρ1為冷卻塔進(jìn)塔濕空氣密度,kg/m3;ρ2為冷卻塔出塔濕空氣密度,kg/m3。
3)自主化計算冷卻塔阻力系數(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)的計算方法。采用該計算方法并根據(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,計算得本次自主化設(shè)計采用的總阻力系數(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。
2.2.3 自主化設(shè)計計算結(jié)果對比
自主化計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)計計算,在設(shè)計工況下的出塔水溫對比見表4所列。
表4 設(shè)計工況下出塔水溫對比表℃
由表4可以看出,夏季頻率10%氣象條件下,換熱溫差8.97 ℃時,自主化設(shè)計計算出塔水溫較引進(jìn)設(shè)計值高0.11 ℃;年平均氣象條件下,換熱溫差8.73 ℃時,自主化設(shè)計計算出塔水溫較引進(jìn)設(shè)計值低0.13 ℃。
從計算結(jié)果的對比看,自主化計算結(jié)果與引進(jìn)技術(shù)計算值的平均絕對值偏差在0.12℃范圍內(nèi),最大絕對值偏差為0.13℃。參考DL/T 1027—2006《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》中對被測冷卻塔冷卻能力評價的規(guī)定,即當(dāng)塔的實(shí)測冷卻能力達(dá)到95%及以上時,應(yīng)視為達(dá)到設(shè)計要求。一般來說,當(dāng)對采用不同計算方法得出的出塔水溫,其計算偏差在±0.3℃以內(nèi)時,認(rèn)為是可接受的。因此可以看出自主化計算結(jié)果與外方計算結(jié)果相當(dāng),能夠滿足工程設(shè)計要求。
以第1章所述高位冷卻塔為依托,所有測試數(shù)據(jù)均來自對該高位塔的觀測結(jié)果,冷卻塔熱力性能測試依據(jù)CTI Code ATC—105《冷卻塔驗(yàn)收測試規(guī)程》和《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》相關(guān)內(nèi)容。
3.1.1 測試工況
8月份對高位收水冷卻塔在循環(huán)水滿流量(三臺循環(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)行了性能測試試驗(yàn)。
觀測參數(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 主要測試參數(shù)合規(guī)性
根據(jù)《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》,判斷主要測試參數(shù)允許偏離設(shè)計值范圍的合規(guī)性,主要測試參數(shù)合規(guī)性匯總見表5所列。
表5 主要測試參數(shù)合規(guī)性匯總表
3.1.3 測試工況數(shù)據(jù)表[2]
對收集到的多組原塔有效測試數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選,按數(shù)據(jù)完整度選取共6組測試數(shù)據(jù),其中包括測試工況中的最大和最小濕球溫度所在數(shù)據(jù)組。測試數(shù)據(jù)匯總見表6所列。
表6 高位塔熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表
可以看出原塔型測試期間,全塔運(yùn)行循環(huán)水量為96 480 t/h,平均溫升約9.84 ℃;對比夏季10%氣象條件設(shè)計工況下,全塔運(yùn)行循環(huán)水量為104 580 t/h,溫升8.97 ℃,測試工況熱負(fù)荷為設(shè)計工況的101.2%,循環(huán)水量為設(shè)計工況的92.2%,測試數(shù)據(jù)合規(guī)性滿足《工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程》要求,可用于3.2節(jié)的對比分析。
自主化設(shè)計計算值是以依托高位收水冷卻塔的測試數(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算公式及方法,計算出測試工況下的出塔水溫值。匯總6組計算結(jié)果見表7所列,運(yùn)行工況有效測試值與自主化計算值對比匯總見表8所列。
表7 高位塔自主化設(shè)計計算結(jié)果匯表
由表8可以看出,運(yùn)行工況下,原塔型實(shí)測出塔平均水溫大部分低于自主化計算值,最大出塔水溫差絕對值0.23℃,最小出塔水溫差絕對值0.02℃,出塔水溫差絕對值的平均值約0.12℃。運(yùn)行工況冷卻塔出塔水溫實(shí)測值與自主化計算值比較如圖1所示。
圖1 出塔水溫實(shí)測值與自主化設(shè)計值比較
表8 運(yùn)行工況有效測試值與自主化設(shè)計計算值對比匯表
通過與高位塔原塔實(shí)測值的分析比較,可以看出:
1)運(yùn)行工況有效測試值是在循環(huán)水量為設(shè)計工況的92.2%條件下測定的,實(shí)測出塔平均水溫大部分低于自主化設(shè)計平均值,平均出塔水溫差約0.12 ℃,最大出塔水溫差絕對值0.23 ℃,最小出塔水溫差絕對值0.02 ℃。
2)實(shí)測數(shù)據(jù)由于設(shè)備、技術(shù)、測試條件等因素影響客觀會存在一定誤差,實(shí)測值與計算值之間存在偏差是不可避免的,當(dāng)實(shí)測循環(huán)水量和設(shè)計循環(huán)水量的差值在±10%以內(nèi)時,冷卻塔出塔水溫的實(shí)測值與計算值之間的偏差控制在0.3 ℃范圍內(nèi),認(rèn)為設(shè)計是滿足要求的。因此高位收水冷卻塔自主化計算結(jié)果是符合實(shí)際、可靠的。
自主化高位收水冷卻塔冷卻性能計算方法及公式適用于逆流式自然通風(fēng)高位收水冷卻塔,計算水平與國外高位塔工程公司相當(dāng),計算結(jié)果與實(shí)塔測試數(shù)據(jù)吻合度高,是可靠的。自主化計算方法及公式可用于對工業(yè)塔的對比分析、評價及對新建高位冷卻塔的設(shè)計計算。