郭銳敏

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

孟加拉當(dāng)?shù)厝狈κ?，工程用混凝土及砂石等建材需要進(jìn)口，土建造價(jià)非常高，而且當(dāng)?shù)厥┕に捷^差，采用玻璃鋼機(jī)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(tái)冷卻水量大于3000m3/h的大型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔[2]被廣泛運(yùn)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(duì)大型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行布置研究并輔以數(shù)值模擬分析，以期實(shí)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(jī)械冷卻通風(fēng)塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)組配置3×10.2m3/s立式濕井可抽式、固定轉(zhuǎn)速、單級(jí)混流泵(2用1備)，單元制方式運(yùn)行；16×4900m3/h逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔(15用1備)；循環(huán)水母管DN3200。工程2臺(tái)機(jī)組共計(jì)6臺(tái)循環(huán)水泵，32臺(tái)機(jī)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(hù)面板，其余采用玻璃鋼圍護(hù)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(jìn)風(fēng)形式，根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水冷卻塔設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]要求，宜平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向布置。32臺(tái)冷卻塔難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(jì)規(guī)范》(下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中羅列的英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家對(duì)塔排布置的有關(guān)要求，對(duì)塔排間距進(jìn)行初步選擇：

表1 機(jī)械通風(fēng)冷卻塔主要參數(shù)表

表2 塔排間距國(guó)內(nèi)外推薦值對(duì)比表

H0：冷卻塔進(jìn)風(fēng)口高度，m；L1、L2：相鄰塔排長(zhǎng)度，m。

表2是塔排間距國(guó)內(nèi)外推薦值對(duì)比表。從表2中可以看到，美國(guó)、英國(guó)的推薦參考值一致，塔排凈距要求很大。中國(guó)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(guó)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(duì)冷卻效果的影響，則需對(duì)冷卻塔的布置方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.2 布置方案及流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

2.2.1方案一：塔排長(zhǎng)軸平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向布置

(1)布置概況

塔排長(zhǎng)軸平行夏季主導(dǎo)風(fēng)向，32臺(tái)冷卻塔每4臺(tái)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(zhǎng)軸平行風(fēng)向模型圖

圖2 塔排長(zhǎng)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(dòng)，紅色圓形區(qū)域?yàn)轱L(fēng)筒出風(fēng)口，濕熱空氣從此處排出。藍(lán)色區(qū)域?yàn)槔鋮s塔的進(jìn)風(fēng)面，計(jì)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(jìn)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(duì)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(duì)濕度100%。

(4)數(shù)值模擬分析回流率影響

選取第1、3、5、8臺(tái)的右側(cè)進(jìn)風(fēng)面(圖1中的1～4)，在不同的風(fēng)速下，各進(jìn)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(diǎn)：

①對(duì)于單個(gè)塔排，風(fēng)速小時(shí)回流率大，風(fēng)速1m/s時(shí)回流率最大，隨風(fēng)速加大，回流率趨于0%。

②對(duì)于整個(gè)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(shí)，進(jìn)出水管路比較復(fù)雜。對(duì)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(gè)能節(jié)約用地的方案作為對(duì)比。

2.2.2方案二：塔排長(zhǎng)軸垂直夏季主導(dǎo)風(fēng)向布置

(1)布置概況

塔排長(zhǎng)軸垂直夏季主導(dǎo)風(fēng)向，32臺(tái)冷卻塔每16臺(tái)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(zhǎng)軸垂直風(fēng)向模型圖

圖5 塔排長(zhǎng)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(dòng)，紅色圓形區(qū)域?yàn)轱L(fēng)筒出風(fēng)口，濕熱空氣從此處排出。藍(lán)色區(qū)域?yàn)槔鋮s塔的進(jìn)風(fēng)面，計(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(gè)進(jìn)風(fēng)面，測(cè)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(diǎn)：

①無(wú)風(fēng)時(shí)，塔排間沒有熱回流的影響。風(fēng)機(jī)將濕熱空氣垂直向上抽吸，并不會(huì)影響到另一側(cè)的進(jìn)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(gè)進(jìn)風(fēng)面，完全沒有回流影響，兩塔排中間的進(jìn)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(gè)方案各自的特點(diǎn)，結(jié)合典型代表工況下的回流情況(圖7～圖10)，分別進(jìn)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(shí)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(dòng)且風(fēng)速較小，濕熱空氣較緩地向下風(fēng)位移動(dòng)，其中一部分被本塔排及相鄰塔排下風(fēng)位的冷卻塔進(jìn)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(jìn)風(fēng)面1沒有受到回流影響，同為端頭但有相鄰塔排的進(jìn)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(jī)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(shí)，如圖8所示，由于塔排長(zhǎng)度并不長(zhǎng)，干冷風(fēng)向可以在短時(shí)間內(nèi)推著濕熱空氣穿越塔排，降低了對(duì)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(shí)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(dòng)，結(jié)合圖6可知，此時(shí)回流率并不大。

當(dāng)風(fēng)速逐漸增大時(shí)，濕熱空氣開始往下風(fēng)位移動(dòng)，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(kuò)散，如圖10所示，在2個(gè)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(shí)也解釋了圖6中兩塔排組間的進(jìn)風(fēng)口回流率較大的現(xiàn)象。

圖6中的進(jìn)風(fēng)面1，作為垂直風(fēng)向的第一個(gè)進(jìn)風(fēng)面，完全沒有回流問題。進(jìn)風(fēng)面4背對(duì)風(fēng)向，受到上風(fēng)位濕熱空氣影響較小，同時(shí)其后方是開闊場(chǎng)地，濕熱空氣更容易擴(kuò)散，因此其回流率要低于塔排組中間的進(jìn)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(jì)方案

從冷卻效果來(lái)看，冷卻塔采用多塔排布置時(shí)，長(zhǎng)軸平行風(fēng)向方案的冷卻效果要優(yōu)于長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)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(duì)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(jìn)出水管道布置較為復(fù)雜，塔排間的空地零碎，不好利用。

對(duì)于2塔排長(zhǎng)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(duì)于2塔排長(zhǎng)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(bào)告，廠址所在地平均風(fēng)速為2.19m/s，對(duì)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(jìn)出水管的布置簡(jiǎn)潔流暢等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(duì)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(duì)大型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔進(jìn)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(shí)，長(zhǎng)軸平行風(fēng)向方案的冷卻效果優(yōu)于長(zhǎng)軸垂直風(fēng)向方案。

(2)該工程場(chǎng)地條件下，塔排長(zhǎng)軸平行風(fēng)向布置時(shí)，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(chǎng)地條件，塔排長(zhǎng)軸垂直風(fēng)向布置時(shí)，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(jì)方案應(yīng)盡可能充分利用占地，既要考慮系統(tǒng)運(yùn)行的效果，也要兼顧設(shè)備、管道施工與布置的方便。