塔型参数对超大型冷却塔性能影响研究
冷却塔的塔型参数在一定程度上影响着冷却塔的换热性能, 部分学者已进行了相关研究[1~7]。《工业循环水冷却设计规范》 (GB/T 50102—2014) [8]、《火力发电厂水工设计规范》 (DL/T 5339—2006) [9]和《核电厂水工设计规范》 (NB/T 25046—2015) [10]中均给出了冷却塔塔型关键参数的常用范围, 但规范推荐的塔型参数范围仅供参考用, 塔型参数的确定尚需结合工程的实际情况。
结合已有研究成果, 以某核电厂工程区域的气象、水质条件及初选塔型参数为基础, 采用适用于超大型冷却塔的二维热力计算方法对塔高、进风口高度、出口直径、喉部直径和喉部高度等在一定范围内变化的塔型组合进行计算分析, 得到各塔型参数变化对冷却塔出塔水温的影响规律。通过塔型优化比选, 确定该核电厂的最优塔型。
1 工程概况
某百万千瓦级核电工程位于滨海地区, 厂址年平均风速为3m/s。1台机组配置1座超大型自然通风逆流式冷却塔。冷却塔淋水面积为17 500m2, 初选塔高199.48m, 喉部高度149.61m, 塔壳底直径150.77m, 出口直径101.44m, 喉部直径89.19m, 进风口高度13.57m。初选塔型参数的比例关系如表1所示。
该核电工程选择冷却塔所采用的气象参数如表2 所示。
表1 初选塔型参数基本比例关系
表2 气象参数
注:干球温度、大气压力、相对湿度所取数据均与湿球温度相对应。
2 塔型参数对冷却性能的影响
2.1 进风口高度对冷却塔性能影响
在其他塔型参数保持不变的情况下, 仅改变进风口高度, 得到不同进风口高度 (进风口面积与塔壳底面积比值) 条件下冷却塔的出塔水温如图1所示。
图1 出塔水温随进风口面积与塔壳底面积比值的变化曲线
从图1可以看出, 出塔水温随着进风口高度 (进风口面积与塔壳底面积比值) 的增加而减小。与进风口面积与塔壳底面积比值为0.30~0.34 (进风口面积与淋水面积比值小于0.35) 的出塔水温相比, 在进风口面积与塔壳底面积比值为0.34~0.38范围内出塔水温变化较快。
2.2 塔出口直径对冷却塔性能影响
在其他塔型参数保持不变的情况下, 仅改变塔出口直径, 得到不同出口直径与塔壳底直径比值条件下的出塔水温和出口密度弗氏数如图2所示。
从图2可以看出, 出塔水温和出口密度弗氏数随着出口直径的增加而减小。从出塔水温降低幅度来看, 出口直径变化的影响明显小于进风口高度对出塔水温的影响。
图2 出塔水温及出口密度弗氏数随出口直径变化关系曲线
根据相关文献[12], 出口密度弗氏数小于0.60时, 塔出口气流将容易发生倒流现象, 影响冷却塔的效率。
考虑本工程所在地区风速较大, 为减少自然风对于塔出口气流的不利影响, 出口空气密度弗氏数应尽量大些。
2.3 塔高对冷却塔性能影响
在塔型其他参数保持不变的情况下, 仅改变塔高与零米直径的比值, 得到不同进风口面积/塔壳底面积的比值条件下, 冷却塔的出塔水温随塔高/零米直径的变化关系曲线如图3所示。
图3 出塔水温随塔高/零米直径的变化关系曲线
从图3可以看出, 在其他塔型参数相同条件下, 出塔水温随着塔高的增加而降低, 且二者近似呈线性变化关系。针对本工程, 在满足冷却塔的出口密度弗氏数不小于0.6的情况下, 出塔水温对应的塔高 (塔高与零米直径的比值) 及进风口高度 (进风口面积与塔壳底面积比值) 组合如图4所示。
在满足本工程出塔水温要求 (20.9±0.2) ℃的情况下, 进风口面积与塔壳底面积比值为0.32~0.37, 冷却塔高度与零米直径的比值在1.20~1.32均有符合要求的塔型, 且进风口面积与塔壳底面积比值越小, 塔高与零米直径的比值越大。当进风口面积与塔壳底面积比值为0.31时, 为满足出塔水温要求, 塔高与零米直径的比值需增大到1.40, 塔高约222m。当进风口面积与塔壳底面积比值为0.30时, 塔高需继续增加。塔高的增加将造成工程投资的增加, 对地基的处理要求也会更高。
图4 出塔水温随塔高及进风口高度的变化关系曲线
2.4 喉部直径与喉部高度对冷却塔性能影响
2.4.1 喉部直径对冷却塔性能影响
在其他塔型参数保持不变的情况下, 仅改变塔喉部直径 (喉部直径小于出口直径) , 得到不同喉部直径与塔壳底面积比值条件的出塔水温如图5所示。从图5可以看出, 喉部直径变化对出塔水温几乎无影响。
图5 出塔水温随喉部面积/塔壳底面积变化曲线
2.4.2 喉部高度对冷却塔性能影响
在其他塔型参数保持不变的情况下, 仅改变塔喉部高度, 得到不同喉部高度与塔高比值条件下的出塔水温如图6所示。
从图6可以看出, 喉部高度变化对出塔水温影响较小。
综上分析, 在塔体其他尺寸一定的条件下, 喉部直径与喉部高度的设计尺寸可在一定范围内调整。二者设计尺寸的选取会对塔出口扩散角度大小造成影响, 进而影响到塔出口气流的流态, 另外工艺设计还应给其他设计留有余度。其设计尺寸的最终确定不仅要满足工艺方面的要求, 还要结合结构设计及工程造价等其他因素综合考虑确定。
图6 喉部高度对出塔水温的影响
2.5 最优塔型参数
在上述研究成果基础上, 针对不同的进风口高度及塔高组合进行了优化比选。比选结果如表3所示。
表3 塔型优化比选结果
根据表3比选结果, 推荐年总费用最小的方案二作为本工程最优的塔型方案。与初选塔型参数相比, 塔进风口高度得到了进一步的优化, 可以明显降低电厂的运行费用, 同时降低自然风对冷却塔性能的影响;塔出口直径和喉部直径的减小一方面降低了塔出口气流受自然风影响的程度;另一方面, 亦可在一定程度上节省工程投资。
3 结论
本研究以某滨海核电厂工程区域的气象、水质条件及初选塔型参数为基础, 参考相关规范, 开展了各塔型参数对出塔水温的影响规律研究, 根据研究成果对该核电厂塔型参数进行优化。优化后的塔型设计方案降低了冷却塔性能受自然风的影响程度, 在一定程度上节省了工程投资, 并可明显降低电厂的运行费用。
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