高位收水冷却塔冷却性能自主化设计计算对比研究

　　摘要 ：为进一步提高我国高位收水冷却塔自主化设计计算水平，降低国内高位塔工程造价，依托国内某投运的燃煤发电机组高位收水冷却塔，利用自主化设计计算方法与公式，将计算结果与国外高位塔工程公司设计参数进行对比分析。同时也与该高位塔的实测运行数据进行对比研究。综合判断自主化设计计算方法及结果可靠、可信，可用于对工业高位收水冷却塔的对比分析、评价及对新建高位冷却塔的设计计算。

       关键词 ：自主化计算 ;工业塔测试 ;冷却性能 ;高位收水冷却塔

　　引言冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气 [1]。高位收水冷却塔是一种节能环保型自然通风湿式冷却塔，相比常规湿冷塔，其利用设置在淋水填料下方的收水装置将循环水在高位收集，提高了循环水泵吸水水位，从而显著节约了循环水泵扬程，且有效降低了冷却塔雨区噪音，可以说高位收水冷却塔是冷却塔家族的先进代表。

　　上世纪 90 年代，我国自主设计建造了国内第一座 300 MW 燃煤发电机组的高位收水冷却塔，但 2016 年之前国内已投运的 1 000 MW 级燃煤发电机组高位收水冷却塔均为直接引进外方技术设计，其中以欧洲某公司高位冷却塔技术占主导地位，高位收水冷却塔工艺布置复杂，各部件热力、阻力系数均被严格保密，以致其技术服务费用高昂，工程单位造价居高不下，因此尽快突破高位冷却塔技术壁垒具有积极的现实意义。

　　近年来，国内相继开展了超大型高位收水冷却塔的自主化设计研究，通过物理模型、数学模型，甚至等比例实物模型研究了高位收水冷却塔的热力、阻力特性，并优化了高位收水装置的水力特性、溅漏水率、力学特性及节点连接等内容。

　　本文是在笔者所属公司多年来对高位收水冷却塔技术研究成果和工程实践经验的基础上，以国内已投运的某欧洲公司设计的燃煤发电机组高位收水冷却塔为依托，将该高位塔冷却性能自主化计算结果与国外高位塔工程公司对该塔的设计结果进行对比分析，同时也与该高位塔的实测运行数据进行对比研究，综合分析自主化计算方法及结果的可靠性，进一步提高我们的设计水平，降低国内高位收水冷却塔的综合造价。

　　1　依托工程冷却塔概况

　　依托工程建设 2×1 000 MW 超超临界湿冷机组，每台机组各配置一台冷却面积为60 000 m2 的凝汽器和一座填料淋水面积为12 500 m2 的逆流式自然通风高位收水冷却塔。高位收水冷却塔由欧洲某冷却塔工程公司总体设计施工，整塔淋水填料、喷头、收水装置等均由外方进口提供并安装。2015 年 5 月项目正式并网发电，同年 8 月业主对高位收水冷却塔进行了现场性能考核试验，在接近夏季 10% 气象频率设计工况下，高位收水冷却塔实测冷却能力优于设计计算值。

　　2　设计工况下设计值对比设计

　　工况下设计值对比是以上述高位收水冷却塔为依托，在相同气象资料、热力参数 ( 相同循环水量和温升 )、冷却塔尺寸、塔芯材料参数下，通过自主化计算方法计算得出设计工况下的出塔水温，将其与外方设计的出塔水温进行对比分析。

　　2.1 冷却塔系统设计参数

　　本工程塔芯采用 Coolfilm-SNCS 型淋水填料，聚氯乙烯 (polyvinyl chloride，PVC) 材质，片间距为 20 mm，悬吊方式安装，高度 1.5 m。

　　1) 规范标准自主化设计

　　计算参考使用的规范标准主要包括 ：T/CSEE 0146—2020《高位收水冷却塔设计规程》[2]、GB 50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》、GB/T 50102—2014《工业循环冷却设计规范》、DL/T 5525—2017《冷却塔塔芯部件选择设计导则》和 DL/T 742—2019《冷却塔塑料部件技术条件》等。

　　依据各实测有效试验点的冷却数，用最小二乘法拟合本工程热力性能方程式，其中淋水填料的热力特性系数 Ψ 为 2.13，淋水填料的热力特性指数 m 为 0.56。自主化计算冷却塔阻力系数高位收水冷却塔在阻力方面与常规冷却塔的最大区别是其没有雨区，相比常规冷却塔增加了收水斜板和收水槽装置。

　　通过对依托工程热力性能说明书中相关高位冷却塔结构尺寸参数、夏季 10% 频率气象参数下热力参数等数据的反算得到高位收水冷却塔总阻力系数 ξ 为53.71，塔进风口阻力系数 ξ1 为 6.07，收水装置与淋水填料阻力系数 ξ2 为 25.94，配水系统与除水器阻力系数 ξ3 为 6.08，环境风影响阻力系数ξ4 为 9.63，冷却塔出口阻力系数 ξ5 为 5.99。我国冷却塔研究机构研究了风筒式自然通风逆流式冷却塔的通风阻力，通过对模型塔的阻力试验研究，建立了冷却塔内气流总阻力系数的计算方法。

　　采用该计算方法并根据依托高位收水冷却塔的结构尺寸及上述反算结果，计算得本次自主化设计采用的总阻力系数 ξ 约为49.03，其中从塔的进风口至塔喉部的阻力系数ξa 为 4.39，冷却塔出口阻力系数 ξb 为 4.64。自主化设计计算结果对比自主化计算淋水填料的有效面积为毛面积减去配水槽、中央竖井、填料支柱截面和悬吊杆的阻风面积，通过自主化设计计算，在设计工况下的出塔水温对比。

　　小结从计算结果的对比看，自主化计算结果与引进技术计算值的平均绝对值偏差在 0.12℃范围内，最大绝对值偏差为 0.13℃。参考 DL/T1027—2006《工业冷却塔测试规程》中对被测冷却塔冷却能力评价的规定，即当塔的实测冷却能力达到 95% 及以上时，应视为达到设计要求。一般来说，当对采用不同计算方法得出的出塔水温，其计算偏差在 ±0.3℃以内时，认为是可接受的。因此可以看出自主化计算结果与外方计算结果相当，能够满足工程设计要求。

　　3　工业塔测试值和自主化计算值对比

　　3.1 依托高位塔测试

　　以第 1 章所述高位冷却塔为依托，所有测试数据均来自对该高位塔的观测结果，冷却塔热力性能测试依据 CTI Code ATC—105《冷却塔验收测试规程》和《工业冷却塔测试规程》相关内容。

　　3.1.1 测试工况

　　8 月份对高位收水冷却塔在循环水满流量( 三台循环水泵并联运行 )，全塔配水和汽轮机负荷 1 000 MW 的工况下，进行了性能测试试验。观测参数主要包括 ：环境干球温度、环境湿球温度、大气风速风向、大气压力、进塔水温度、进塔水量和出塔水温等其他运行参数。

　　3.1.2 主要测试参数

　　合规性根据《工业冷却塔测试规程》，判断主要测试参数允许偏离设计值范围的合规性。

　　3.1.3 测试工况

　　数据表[2]对收集到的多组原塔有效测试数据经过筛选，按数据完整度选取共 6 组测试数据，其中包括测试工况中的最大和最小湿球温度所在数据组。可以看出原塔型测试期间，全塔运行循环水量为 96 480 t/h，平均温升约 9.84 ℃ ;对比夏季 10% 气象条件设计工况下，全塔运行循环水量为 104 580 t/h，温升 8.97 ℃， 测 试工况热负荷为设计工况的 101.2%，循环水量为设计工况的 92.2%，测试数据合规性满足《工业冷却塔测试规程》要求，可用于 3.2 节的对比分析。

　　3.2 自主化设计

　　计算值自主化设计计算值是以依托高位收水冷却塔的测试数据为基础，在相同气象资料、热力参数 ( 相同循环水量和温升 )、冷却塔尺寸及淋水填料参数下，利用自主化高位塔计算公式及方法，计算出测试工况下的出塔水温值。运行工况下，原塔型实测出塔平均水温大部分低于自主化计算值，最大出塔水温差绝对值 0.23℃，最小出塔水温差绝对值 0.02℃，出塔水温差绝对值的平均值约0.12℃。

　　3.3 小结

　　通过与高位塔原塔实测值的分析比较，可以看出 ：1) 运行工况有效测试值是在循环水量为设计工况的 92.2% 条件下测定的，实测出塔平均水温大部分低于自主化设计平均值，平均出塔水温差约 0.12 ℃，最大出塔水温差绝对值0.23 ℃，最小出塔水温差绝对值 0.02 ℃。2) 实测数据由于设备、技术、测试条件等因素影响客观会存在一定误差，实测值与计算值之间存在偏差是不可避免的，当实测循环水量和设计循环水量的差值在 ±10% 以内时，冷却塔出塔水温的实测值与计算值之间的偏差控制在 0.3 ℃范围内，认为设计是满足要求的。因此高位收水冷却塔自主化计算结果是符合实际、可靠的。

　　4　结语

　　自主化高位收水冷却塔冷却性能计算方法及公式适用于逆流式自然通风高位收水冷却塔，计算水平与国外高位塔工程公司相当，计算结果与实塔测试数据吻合度高，是可靠的。自主化计算方法及公式可用于对工业塔的对比分析、评价及对新建高位冷却塔的设计计算。

　　参考文献

　　[1] 赵振国. 冷却塔[M]. 北京：中国水利水电出版社，1997.

　　[2] 中国电机工程学会. 高位收水冷却塔设计规程：T/CSEE0146-2020[S]. 北京：中国电力出版社，2020.

　　作者：范　攀1，杜志方2，杨迎哲1，李　诚1，王　蓓1