逆流式双曲线自然通风冷却塔设计浅谈
闻学宇+周艳娟
【摘 要】冷却塔作为电厂冷端系统的主要设备之一，其冷却能力特性直接关系到电厂运行的安全性和经济性。目前大部分设计单位对于逆流式双曲线自然通风冷却塔的设计计算仍采用《工业循环水冷却设计规范》中的焓差法，简便的一维算法因能满足大部分工程设计精度而得到广泛应用。
【Abstract】As one of the main equipment of cold end system， the cooling capacity of cooling tower is directly related to the safety and economy of power plant operation. At present， most design units still use the enthalpy difference method which is presented in the "Design Code of Industrial Circulating Cooling Water" to calculate and design the counterflow hyperbolic natural draft cooling tower， and the simple one-dimensional algorithm can be widely applied to meet the accuracy of most engineering design.
【关键词】自然通风冷却塔，散热修正系数，淋水面积，出塔水温初始值
【Keywords】natural draft cooling tower； heat dissipation correction coefficient； water drenching area； initial water temperature of tower
【中图分类号】TM621 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0150-02
1 引言
发电厂建设在水资源不丰富的区域时通常会使用冷却塔作为冷却手段。为了获得源源不断的电能，工质（一般为水）就需要在热源及冷源间实现循环做功。这里的冷源就是通过循环冷却水实现的，汽轮机低压缸内的乏汽在凝汽器内被管束外部的循环冷却水冷却凝结成为饱和水。循环冷却水吸热后温度升高，温度升高的冷却水被送至冷却塔内与空气进行传热传质，冷却水通过放热后温度下降，空气温度升高变为湿热空气后排至大气环境中去，温度降低的冷却水落入冷却塔集水池后通过循环水沟流至循环水泵吸水池，循环水泵将冷却水升压后至凝汽器再次进行换热，以此循环的过程。
冷却塔在这个循环中所起到的作用是与空气冷源进行换热，循环水系统中的冷却水通过配水装置进入喷淋区并依次通过填料区及雨区，其中填料区中的传热传质过程为冷却塔内高温冷却水与低温空气换热过程的核心。冷却塔如果设计合理，则冷却塔出水温度在合理范围内较低，这样就能使汽轮机低压缸保持合适的真空度，使机组热效率保持较高的水平。因此研究冷却塔是非常有必要和有经济效益的。
2 一维算法
目前冷却塔设计采用的算法仍是由麦克尔在1925年给出的焓差法。麦克尔以空气层中的焓与湿空气中的焓之间的差值作为水面向空气中散热的推动力给出了推导经典焓差法公式的过程。焓差法的麦克尔公式可求解出冷却数即冷却任务，而冷却塔淋水填料热交换特性公式可求解出冷却塔的冷却性能，在冷却任务与冷却性能相同的条件满足时冷却塔的热力计算完毕，然后再通过冷却塔的升力与阻力平衡计算进行动力计算。在冷却塔热力与动力计算都平衡时，循环冷却水出水温度能满足设计要求时，所设计的冷却塔就是应该在实际工程中选用的。
关于一维计算方法在《工业循环水冷却设计规范》中已经给出了具体的计算公式，此处就不再一一列举。本文仅对一维算法中某些参数的选取进行分析，正确选取计算参数以期得到较为准确的计算结果。
2.1 热力特性表达式
热力特性是指填料的冷却能力，不同的填料及布置方式有不同的表达式，这些经验表达式是由工业塔进行试验，再通过得到的数据进行拟合公式化分析得到的，具体试验及拟合公式的方法可参考《冷却塔淋水填料、除水器、喷溅装置性能试验方法》。因此选择一个精确和扩展性能较好的热力特性表达式是冷却塔精确计算的关键一步。在《工业循环水冷却设计规范》的2003年版本中给出了部分逆流式冷却塔填料的热力特性表达式，而这些表达式计算的填料高度均为1m，因此在选择非1m高度的填料进行计算时参考的计算公式需要自行查找资料。中国水利水电科学研究院对逆流式自然通风冷却塔进行了大量试验，在《工业循环水冷却设计规范》2014年版中给出了不同填料不同布置形式下的热力表达式，大大扩展了用于逆流式冷却塔设计精确的基础公式[1]。
由于大量试验数据是在工业冷却塔或試验装置试验时同时考虑配水区、淋水填料区及雨区三部分混在一起测试出来的，而实际设计的冷却塔进风口高度与工业冷却塔或试验装置尾部冷却高度存在差值，因此在某些情况下作为冷却能力的热力表达式需要进行修正处理。中国水利水电科学研究院与东北电力设计院合作完成了此项工作并得到由于进风口高度不同附加的冷却数的计算公式。
鉴于对冷却数修正扩展的考虑，笔者认为在计算冷却塔冷却数时应首选中国水利水电科学院给出的热力特性表达式。
2.2 蒸发水量散热修正系数
循环水在冷却塔填料中与湿空气换热工程中存在蒸发现象，循环水量在冷却过程中不是常量，因此在计算冷却数时需要考虑蒸发水量所带走热量引起的修正。《工业循环水冷却设计规范》中也给出了蒸发水量带走热量的修正系数，对于修正系数在麦克尔公式的左右两端位置不同很多规范也给出了不同的意见。笔者在这个问题上的考虑是冷却塔填料试验中如果考虑了修正系数的影响时，冷却数计算也需考虑修正系数的影响[2]。而在《冷却塔淋水填料、除水器、喷溅装置性能试验方法》中明确了热力特性公式是由考虑修正后的冷却数来拟合出公式的系数的，因此在进行算法程序设计时将修正系数位于麦克尔公式的积分端。
2.3 淋水面积
淋水面积是逆流式自然通风冷却塔的重要设计数据，因此在用于热力及动力计算时选取合适的淋水面积尤为重要。在《工业循环水冷却设计规范》2014年版中删除了2003版中“淋水面积应采用淋水填料顶部可淋到水并充分通风的面积”的条文。在冷却塔设计中往往提出的淋水面积是名义淋水面积，是填料顶部所有面积的数值。在实际冷却塔填料区换热时往往会受到淋水构架及配水构筑物所占面积和体积的影响，如果不考虑这部分影响将会使计算得出的冷却能力略大，这样对于生产是不安全的，因此笔者认为在进行热力计算时需要扣除构筑物所占的这部分面积得到有效淋水面积用于热力计算是合理的。在动力计算时，仅考虑断面风速的作用，因此在全塔阻力计算时可采取名义淋水面积进行计算。
2.4 出塔水温初始值
在冷却塔计算的初始迭代过程中需要假设一个出塔水温值。逆流式自然通风冷却塔实际运行中的通风量是有限的，冷却后水温不可能冷却到冷却极限即湿球温度，因此出塔水温初始值应设定为湿球温度用于迭代起始点。但在北方地区考虑到安全运行，冬季运行出塔水温需要保持在12℃以上，因此冬季计算时需要考虑出塔水温初始值不能太低，需要同时考虑分区配水、循环水旁路及悬挂挡风板降低进风口高度等计算输入来进行设计计算，考虑到保护措施后出塔水温初始值可先从5℃进行迭代计算[3]。
3 拟二维算法
在冷却塔淋水面积小于8000m2时用一维算法进行冷却塔计算还是比较准确的，这是因为冷却塔中流场近似于一维，而在淋水面积超过8000m2并不大于13000m2的冷却塔雨区内气流流场为二维，而在填料及喷淋区中仍可近似为一维流场，因此可将冷却塔雨区单独拿出来并进行试验，通过模拟试验得出冷却塔雨区计算方法。用得出的雨区热力公式再加上对填料及喷淋区一维模拟塔试验结果就可以利用一维算法来进行关于冷却塔的热力计算，结果近似等同于二维流场计算结果，用这种简单算法可避免一维算法中流场近似的缺陷，而又不必进行非常复杂的二维计算。在淋水面积超过13000m2的情况下填料及喷淋区也呈现为二维流动，因此此时需要配合试验或数值模拟来进行超大型冷却塔设计计算比较稳妥。
因此笔者认为一般情况下冷却面积不超过13000m2时用拟二维算法进行冷却塔计算是最为简便有效的算法。
4 结论
通过分析逆流式自然通风冷却塔程序设计中遇到的问题，笔者对于冷却塔计算粗浅的体会即为：①选择扩展性比较好并且精确的热力特性表达式；②蒸发水量散热修正系数在麦克尔公式积分端考虑；③淋水面积应在热力与动力计算时分别考虑不同的取值；④出塔水温初始值的设定考虑为湿球温度；⑤采用拟二维算法可提高冷却塔计算的准确性及有效性。
【参考文献】
【1】赵振国. 冷却塔[M]. 北京：中国水利水电出版社，2001.
【2】赵振国，石金玲，周常虹，等. 冷却塔雨区的热力特性[J]. 水利学报，2000（3）：12-18.
【3】赵振国，石金玲，周常虹，等. 冷却塔的一個新的热力计算方法——用一维方法作二维计算[J]. 水利学报，2002（2）：8-16.
【摘 要】冷却塔作为电厂冷端系统的主要设备之一，其冷却能力特性直接关系到电厂运行的安全性和经济性。目前大部分设计单位对于逆流式双曲线自然通风冷却塔的设计计算仍采用《工业循环水冷却设计规范》中的焓差法，简便的一维算法因能满足大部分工程设计精度而得到广泛应用。
【Abstract】As one of the main equipment of cold end system， the cooling capacity of cooling tower is directly related to the safety and economy of power plant operation. At present， most design units still use the enthalpy difference method which is presented in the "Design Code of Industrial Circulating Cooling Water" to calculate and design the counterflow hyperbolic natural draft cooling tower， and the simple one-dimensional algorithm can be widely applied to meet the accuracy of most engineering design.
【关键词】自然通风冷却塔，散热修正系数，淋水面积，出塔水温初始值
【Keywords】natural draft cooling tower； heat dissipation correction coefficient； water drenching area； initial water temperature of tower
【中图分类号】TM621 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0150-02
1 引言
发电厂建设在水资源不丰富的区域时通常会使用冷却塔作为冷却手段。为了获得源源不断的电能，工质（一般为水）就需要在热源及冷源间实现循环做功。这里的冷源就是通过循环冷却水实现的，汽轮机低压缸内的乏汽在凝汽器内被管束外部的循环冷却水冷却凝结成为饱和水。循环冷却水吸热后温度升高，温度升高的冷却水被送至冷却塔内与空气进行传热传质，冷却水通过放热后温度下降，空气温度升高变为湿热空气后排至大气环境中去，温度降低的冷却水落入冷却塔集水池后通过循环水沟流至循环水泵吸水池，循环水泵将冷却水升压后至凝汽器再次进行换热，以此循环的过程。
冷却塔在这个循环中所起到的作用是与空气冷源进行换热，循环水系统中的冷却水通过配水装置进入喷淋区并依次通过填料区及雨区，其中填料区中的传热传质过程为冷却塔内高温冷却水与低温空气换热过程的核心。冷却塔如果设计合理，则冷却塔出水温度在合理范围内较低，这样就能使汽轮机低压缸保持合适的真空度，使机组热效率保持较高的水平。因此研究冷却塔是非常有必要和有经济效益的。
2 一维算法
目前冷却塔设计采用的算法仍是由麦克尔在1925年给出的焓差法。麦克尔以空气层中的焓与湿空气中的焓之间的差值作为水面向空气中散热的推动力给出了推导经典焓差法公式的过程。焓差法的麦克尔公式可求解出冷却数即冷却任务，而冷却塔淋水填料热交换特性公式可求解出冷却塔的冷却性能，在冷却任务与冷却性能相同的条件满足时冷却塔的热力计算完毕，然后再通过冷却塔的升力与阻力平衡计算进行动力计算。在冷却塔热力与动力计算都平衡时，循环冷却水出水温度能满足设计要求时，所设计的冷却塔就是应该在实际工程中选用的。
关于一维计算方法在《工业循环水冷却设计规范》中已经给出了具体的计算公式，此处就不再一一列举。本文仅对一维算法中某些参数的选取进行分析，正确选取计算参数以期得到较为准确的计算结果。
2.1 热力特性表达式
热力特性是指填料的冷却能力，不同的填料及布置方式有不同的表达式，这些经验表达式是由工业塔进行试验，再通过得到的数据进行拟合公式化分析得到的，具体试验及拟合公式的方法可参考《冷却塔淋水填料、除水器、喷溅装置性能试验方法》。因此选择一个精确和扩展性能较好的热力特性表达式是冷却塔精确计算的关键一步。在《工业循环水冷却设计规范》的2003年版本中给出了部分逆流式冷却塔填料的热力特性表达式，而这些表达式计算的填料高度均为1m，因此在选择非1m高度的填料进行计算时参考的计算公式需要自行查找资料。中国水利水电科学研究院对逆流式自然通风冷却塔进行了大量试验，在《工业循环水冷却设计规范》2014年版中给出了不同填料不同布置形式下的热力表达式，大大扩展了用于逆流式冷却塔设计精确的基础公式[1]。
由于大量试验数据是在工业冷却塔或試验装置试验时同时考虑配水区、淋水填料区及雨区三部分混在一起测试出来的，而实际设计的冷却塔进风口高度与工业冷却塔或试验装置尾部冷却高度存在差值，因此在某些情况下作为冷却能力的热力表达式需要进行修正处理。中国水利水电科学研究院与东北电力设计院合作完成了此项工作并得到由于进风口高度不同附加的冷却数的计算公式。
鉴于对冷却数修正扩展的考虑，笔者认为在计算冷却塔冷却数时应首选中国水利水电科学院给出的热力特性表达式。
2.2 蒸发水量散热修正系数
循环水在冷却塔填料中与湿空气换热工程中存在蒸发现象，循环水量在冷却过程中不是常量，因此在计算冷却数时需要考虑蒸发水量所带走热量引起的修正。《工业循环水冷却设计规范》中也给出了蒸发水量带走热量的修正系数，对于修正系数在麦克尔公式的左右两端位置不同很多规范也给出了不同的意见。笔者在这个问题上的考虑是冷却塔填料试验中如果考虑了修正系数的影响时，冷却数计算也需考虑修正系数的影响[2]。而在《冷却塔淋水填料、除水器、喷溅装置性能试验方法》中明确了热力特性公式是由考虑修正后的冷却数来拟合出公式的系数的，因此在进行算法程序设计时将修正系数位于麦克尔公式的积分端。
2.3 淋水面积
淋水面积是逆流式自然通风冷却塔的重要设计数据，因此在用于热力及动力计算时选取合适的淋水面积尤为重要。在《工业循环水冷却设计规范》2014年版中删除了2003版中“淋水面积应采用淋水填料顶部可淋到水并充分通风的面积”的条文。在冷却塔设计中往往提出的淋水面积是名义淋水面积，是填料顶部所有面积的数值。在实际冷却塔填料区换热时往往会受到淋水构架及配水构筑物所占面积和体积的影响，如果不考虑这部分影响将会使计算得出的冷却能力略大，这样对于生产是不安全的，因此笔者认为在进行热力计算时需要扣除构筑物所占的这部分面积得到有效淋水面积用于热力计算是合理的。在动力计算时，仅考虑断面风速的作用，因此在全塔阻力计算时可采取名义淋水面积进行计算。
2.4 出塔水温初始值
在冷却塔计算的初始迭代过程中需要假设一个出塔水温值。逆流式自然通风冷却塔实际运行中的通风量是有限的，冷却后水温不可能冷却到冷却极限即湿球温度，因此出塔水温初始值应设定为湿球温度用于迭代起始点。但在北方地区考虑到安全运行，冬季运行出塔水温需要保持在12℃以上，因此冬季计算时需要考虑出塔水温初始值不能太低，需要同时考虑分区配水、循环水旁路及悬挂挡风板降低进风口高度等计算输入来进行设计计算，考虑到保护措施后出塔水温初始值可先从5℃进行迭代计算[3]。
3 拟二维算法
在冷却塔淋水面积小于8000m2时用一维算法进行冷却塔计算还是比较准确的，这是因为冷却塔中流场近似于一维，而在淋水面积超过8000m2并不大于13000m2的冷却塔雨区内气流流场为二维，而在填料及喷淋区中仍可近似为一维流场，因此可将冷却塔雨区单独拿出来并进行试验，通过模拟试验得出冷却塔雨区计算方法。用得出的雨区热力公式再加上对填料及喷淋区一维模拟塔试验结果就可以利用一维算法来进行关于冷却塔的热力计算，结果近似等同于二维流场计算结果，用这种简单算法可避免一维算法中流场近似的缺陷，而又不必进行非常复杂的二维计算。在淋水面积超过13000m2的情况下填料及喷淋区也呈现为二维流动，因此此时需要配合试验或数值模拟来进行超大型冷却塔设计计算比较稳妥。
因此笔者认为一般情况下冷却面积不超过13000m2时用拟二维算法进行冷却塔计算是最为简便有效的算法。
4 结论
通过分析逆流式自然通风冷却塔程序设计中遇到的问题，笔者对于冷却塔计算粗浅的体会即为：①选择扩展性比较好并且精确的热力特性表达式；②蒸发水量散热修正系数在麦克尔公式积分端考虑；③淋水面积应在热力与动力计算时分别考虑不同的取值；④出塔水温初始值的设定考虑为湿球温度；⑤采用拟二维算法可提高冷却塔计算的准确性及有效性。
【参考文献】
【1】赵振国. 冷却塔[M]. 北京：中国水利水电出版社，2001.
【2】赵振国，石金玲，周常虹，等. 冷却塔雨区的热力特性[J]. 水利学报，2000（3）：12-18.
【3】赵振国，石金玲，周常虹，等. 冷却塔的一個新的热力计算方法——用一维方法作二维计算[J]. 水利学报，2002（2）：8-16.
