間接空冷系統(tǒng)空氣動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

1、間接空冷系統(tǒng)塔空氣動(dòng)力阻力特性試驗(yàn)研究黃春花1 趙順安1 馮 璟2 劉志剛2 (1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2. 中國(guó)電力顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司)摘要：在間接空冷系統(tǒng)中，散熱器和空冷塔是進(jìn)行換熱的關(guān)鍵部件。散熱器的傳熱性能及其與空冷塔組合后的整體阻力特性是影響間接空冷系統(tǒng)冷卻效率空氣動(dòng)力特性的主要重要因素，直接影響空冷系統(tǒng)的換熱效率，而國(guó)內(nèi)外對(duì)此尚無(wú)研究，也沒(méi)有統(tǒng)一的阻力計(jì)算公式。散熱器的傳熱性能及阻力特性一般由生產(chǎn)廠家提供，而散熱器與空冷塔組合后的整體阻力特性尚無(wú)研究，并且沒(méi)有統(tǒng)一的總阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。本文通過(guò)建立空冷散熱器垂直布置于空冷塔塔外的物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)散熱器與空冷

2、塔組合后的整體阻力特性進(jìn)行了研究，并進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)測(cè)取的各個(gè)參數(shù)的計(jì)算分析，最終總結(jié)出散熱器與空冷塔組合后的給出了整體其阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為空冷系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)提供參考。 關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn)；間接空冷； 散熱器； 阻力特性阻力系數(shù) 模型試驗(yàn)1 引 言隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，電力工業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。與此同時(shí)水資源的日益緊缺和人們環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，使得電力行業(yè)逐步向節(jié)水環(huán)保型發(fā)展。空冷系統(tǒng)的應(yīng)運(yùn)而生，為電力行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的突破?？绽湎到y(tǒng)本身節(jié)水可達(dá)97%以上，全廠性節(jié)水約65%，一般建設(shè)1000MW濕冷機(jī)組的水量，可以建一個(gè)規(guī)模比其大三倍的空冷機(jī)組

3、。因此，空冷技術(shù)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用?？绽湎到y(tǒng)由于其強(qiáng)節(jié)水性在我國(guó)三北地區(qū)備受青睞，其節(jié)水可達(dá)97%以上，全廠節(jié)水達(dá)65%?？绽渖崞骱涂绽渌强绽湎到y(tǒng)的重要組成部件，其阻力特性將直接影響空冷系統(tǒng)的冷卻換熱效率，有研究3表明當(dāng)塔的損失超過(guò)1個(gè)出口動(dòng)能頭時(shí)，冷卻水的溫度將升高1.0。我國(guó)對(duì)空冷系統(tǒng)性能的研究目前主要集中在自然風(fēng)的影響、防治以及空冷塔的布置間距等，這些研究以fluent數(shù)值模擬計(jì)算方法為主，而對(duì)散熱器及其與空冷塔組合后的整體阻力特性并沒(méi)有專門的研究，也沒(méi)有統(tǒng)一的阻力計(jì)算公式；國(guó)外研究中南非電力委員會(huì)曾對(duì)空冷系統(tǒng)各個(gè)組成部分的分項(xiàng)阻力系數(shù)1進(jìn)行了試驗(yàn)研究，給出了散熱器進(jìn)口、

4、出口、內(nèi)部射流、空冷塔支撐柱以及轉(zhuǎn)角等各個(gè)分項(xiàng)的部件的阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，總阻力系數(shù)則由各個(gè)分項(xiàng)值相加而成，顯然這種阻力計(jì)算方法忽略了系統(tǒng)中各部件的相互干擾，因而帶來(lái)相應(yīng)的誤差。本文以某660MW機(jī)組工程為例，通過(guò)模型試驗(yàn)方法，這種研究方法沒(méi)有總結(jié)出一套適用的總阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。本項(xiàng)研究進(jìn)行的是了將散熱器垂直布置于塔外的，整塔阻力特性研究，總結(jié)出總阻力系數(shù)的計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供便利的參考可為工程設(shè)計(jì)提供參考。2 模型設(shè)計(jì)2.1 工程概況 試驗(yàn)研究是以A電廠的空冷塔為原型，該電廠裝機(jī)容量2×660MW，按照1機(jī)1塔設(shè)置，設(shè)計(jì)氣溫14.6，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)背壓為12.5 kPa，循

5、環(huán)水冷卻采用表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)。散熱器垂直布置在空冷塔進(jìn)風(fēng)口外側(cè)。2.2 1 模型系統(tǒng)設(shè)計(jì) 模型設(shè)計(jì)中，要保證模型與原型的相似，首先要求幾何相似；其次要滿足氣流運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的相似。就本試驗(yàn)而言，相似準(zhǔn)則滿足下式： （1）式中：為雷諾數(shù)，；為歐拉數(shù)，；表示原型與模型值比；為塔內(nèi)填料斷面平均氣流速度，m/s；為塔的特征尺寸，取填料斷面長(zhǎng)度，m；為壓力差，Pa；為空氣密度，kg/m3； 為氣流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s。式（1）所表述的是雷諾和歐拉相似準(zhǔn)則，還可寫(xiě)成準(zhǔn)則方程。雷諾準(zhǔn)則是對(duì)流態(tài)起決定性作用的因素，但這種決定性作用在一定條件下將消失，因?yàn)楫?dāng)模型塔內(nèi)氣流的 Re 數(shù)超過(guò)某一臨界值后，其流態(tài)

6、、流速分布皆與原型相似，而與Re 數(shù)無(wú)關(guān)，即流體流動(dòng)進(jìn)入“阻力平方區(qū)”亦稱“自模區(qū)”，模型在“自模區(qū)”內(nèi)自行滿足歐拉準(zhǔn)則。因此，試驗(yàn)中要滿足氣流運(yùn)動(dòng)相似，須使氣流在“自模區(qū)”。 模型設(shè)計(jì)按照雷諾準(zhǔn)則，但是要滿足Rem=Rep是不可能的，模型中阻力系數(shù)與原型相等，盡可能地使模型的雷諾數(shù)足夠大，使氣流運(yùn)動(dòng)處于阻力平方區(qū)，保證模型與原型的流態(tài)相似。綜合考慮各項(xiàng)影響因素，本項(xiàng)模型最終選取模型試驗(yàn)比尺取為L(zhǎng)r100，制作整體正態(tài)模型，模型試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)如圖1所示?？绽渌w采用無(wú)色透明有機(jī)玻璃制作，塔型型線由原體塔曲線按比例縮小，垂直布置在塔外的空冷散熱片用等效阻力的多孔板來(lái)模擬。圖1 模型試驗(yàn)裝置示

7、意圖2.3 2 測(cè)量參數(shù)及整理方法 試驗(yàn)主要測(cè)試參數(shù)包括大氣干濕球溫度、大氣壓、不同斷面全壓以及風(fēng)速等，其中風(fēng)速與壓力的測(cè)量采用熱線風(fēng)速儀配合L型畢托管,采用美國(guó)TSI公司8386型多參數(shù)熱線風(fēng)速儀和L型畢托管來(lái)測(cè)量模型塔中的風(fēng)速和全壓；大氣壓采用DYM3型盒式氣壓表來(lái)測(cè)量；氣溫采用鉑電阻溫度計(jì)來(lái)測(cè)量；風(fēng)機(jī)的風(fēng)量由變頻調(diào)速器來(lái)控制。喉部斷面處風(fēng)速和全壓的測(cè)量按照等面環(huán)的方法來(lái)測(cè)取，測(cè)試中在喉部設(shè)置8個(gè)等面積環(huán)，測(cè)取各個(gè)測(cè)點(diǎn)上的風(fēng)速Vi和全壓Pi，則通風(fēng)量及喉部全壓為： （12） （23）式中：A喉部斷面面積，m2；Vi等環(huán)面測(cè)點(diǎn)風(fēng)速，m/s；Pi等環(huán)面測(cè)點(diǎn)全壓，Pa；Q喉部斷面通風(fēng)量，m3/s

8、；P從進(jìn)口至喉部的全壓，Pa。阻力系數(shù)公式的整理以散熱器迎面風(fēng)速為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，散熱器和空冷塔組成的整體的阻力系數(shù)由兩部分組成，即：進(jìn)口至喉部斷面的阻力系數(shù)和塔出口阻力系數(shù)，計(jì)算方法如下： （34） （45） （56）式中：P0塔外大氣壓力，可設(shè)為0；空氣密度，kg/m3；Vy迎面風(fēng)速，m/s；Ay迎風(fēng)面面積，m2； Ao塔出口面積，m2；塔出口阻力系數(shù)；至喉部阻力系數(shù)；整塔阻力系數(shù)。3 試驗(yàn)結(jié)果3.1 工程概況 試驗(yàn)研究是以A電廠的空冷塔為原型，該電廠裝機(jī)容量2×660MW，按照1機(jī)1塔設(shè)置，設(shè)計(jì)氣溫14.6，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)背壓為12.5 kPa，循環(huán)水冷卻采用表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)。

9、散熱器垂直布置在空冷塔進(jìn)風(fēng)口外側(cè)，A電廠空冷散熱器的其設(shè)計(jì)高度為25m，散熱片的設(shè)計(jì)阻力系數(shù)為20，為了在工程中能夠廣泛地應(yīng)用試驗(yàn)研究的成果，模型制作時(shí)，按照原體散熱器高度分別為20m、25m和30m，散熱片阻力系數(shù)分別為15、20、33來(lái)進(jìn)行。試驗(yàn)中是用多孔板按照等效阻力的方法來(lái)設(shè)計(jì)散熱片，由多孔板組合成多孔三角模擬實(shí)際的散熱三角進(jìn)行試驗(yàn)研究。3.1 2 試驗(yàn)工況 試驗(yàn)研究按照3種散熱器高度、3種散熱片阻力系數(shù)和4種通風(fēng)量組合進(jìn)行，具體研究工況見(jiàn)表1。試驗(yàn)時(shí)在多孔三角內(nèi)外測(cè)取靜壓，通過(guò)計(jì)算獲得多孔三角的阻力系數(shù)；在塔筒喉部測(cè)量風(fēng)量和全壓，以便計(jì)算從進(jìn)口至喉部的阻力系數(shù)。表1 試驗(yàn)工況工況原體

10、散熱器高20m工況原體散熱器高25m工況原體散熱器高30m多孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量(m3/h)多孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量(m3/h)多孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)風(fēng)機(jī)風(fēng)量(m3/h)1152500013152500025152500022025000142025000262025000333250001533250002733250004151900016151900028151900052019000172019000292019000633190001833190003033190007151300019151300031151300082013000202013000322013000933130

11、002133130003333130001015600022156000341560001120600023206000352060001233600024336000363360003.2 3 實(shí)測(cè)多孔三角的阻力系數(shù) 在模型塔試驗(yàn)中中，通過(guò)測(cè)取多孔三角的內(nèi)、外靜壓，加上測(cè)點(diǎn)處的動(dòng)壓，便可以來(lái)計(jì)算多孔三角的阻力系數(shù)。多孔板阻力系數(shù)的設(shè)計(jì)是以迎面風(fēng)速為基準(zhǔn)的，因此下文中阻力系數(shù)的整理均以迎面風(fēng)速為準(zhǔn)，多孔三角阻力系數(shù)與迎面風(fēng)速的關(guān)系見(jiàn)圖1。（a）原體散熱器高20m(b) 原體散熱器高25m(c) 原體散熱器高30m圖1 多孔三角阻力系數(shù)與迎面風(fēng)速關(guān)系圖由以上各圖的趨勢(shì)可知，由圖1可以看出，當(dāng)迎面

12、氣流速度達(dá)到某一臨界值后，氣流運(yùn)動(dòng)達(dá)到阻力平方區(qū)后，多孔三角的阻力系數(shù)均趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的阻力系數(shù)值見(jiàn)表2。表2 多孔三角實(shí)測(cè)阻力系數(shù)多孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)原體散熱器高度20m原體散熱器高度25m原體散熱器高度30m迎面風(fēng)速(m/s)實(shí)測(cè)多孔三角阻力系數(shù)迎面風(fēng)速(m/s)實(shí)測(cè)多孔三角阻力系數(shù)迎面風(fēng)速(m/s)實(shí)測(cè)多孔三角阻力系數(shù)154.3025.433.4526.6011.7426.84204.1931.653.3632.4111.6533.21334.0340.503.3540.8911.4343.013.3 4 空冷塔總阻力系數(shù) 模型試驗(yàn)中中散熱器的高度分別是20cm、25cm、30cm，迎風(fēng)

13、面面積與塔筒底部面積比分別為1.462、1.879、2.230，與塔筒出口面積比分別為2.460、3.160、3.902。不同風(fēng)量，不同 試驗(yàn)所測(cè)各個(gè)風(fēng)量、各孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)下，從進(jìn)口至喉部的阻力系數(shù)結(jié)果見(jiàn)如表3所示，至喉部阻力系數(shù)與迎面風(fēng)速關(guān)系曲線見(jiàn)如圖2所示。表3 不同工況條件至，從進(jìn)口至喉部的阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果喉部及塔總阻力系數(shù)匯總多孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)風(fēng)量(m3/h)散熱器高度20m散熱器高度25m散熱器高度30m迎面風(fēng)速(m/s)至喉部阻力系數(shù)迎面風(fēng)速(m/s)至喉部阻力系數(shù)迎面風(fēng)速(m/s)至喉部阻力系數(shù)15250004.3026.863.4529.052.8630.41190003.2

14、626.942.6129.752.1830.88130002.1827.111.7530.181.4730.7060001.1028.390.8731.620.7533.6020250004.1932.913.3635.052.8436.52190003.1633.282.5535.192.1636.87130002.1433.311.7135.441.4636.5560001.0834.750.8438.370.7338.8333250004.0341.463.3543.822.7845.07190003.0441.432.5344.182.1245.05130002.0641.371.71

15、44.041.4444.9860001.0342.640.8346.610.7147.82（a）原體散熱器高20m （b）原體散熱器高25m （c）原體散熱器高30m圖2 至喉部阻力系數(shù)與迎面風(fēng)速關(guān)系圖由以上圖、表中的數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明知各種散熱器高度下，當(dāng)迎面風(fēng)速達(dá)到2.0m/s后，氣流運(yùn)動(dòng)達(dá)到阻力平方區(qū)，計(jì)算所得的至喉部阻力系數(shù)均基本穩(wěn)定保持不變，穩(wěn)定后的多孔三角、至喉部及整塔的阻力系數(shù)匯總見(jiàn)表4。表4 阻力系數(shù)匯總表多孔板設(shè)計(jì)阻力系數(shù)散熱器高度20m散熱器高度25m散熱器高度30m多孔三角阻力系數(shù)至喉部阻力系數(shù)全塔總阻力系數(shù)多孔三角阻力系數(shù)至喉部阻力系數(shù)全塔總阻力系數(shù)多孔三角阻力系數(shù)至喉部

16、阻力系數(shù)全塔總阻力系數(shù)1525.4326.8632.8726.6029.0538.96 26.8430.4145.53 2031.6532.9138.9232.4135.0544.96 33.2136.5251.64 3340.5041.4647.4740.8943.8253.73 43.0145.0760.19將上表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以迎面風(fēng)速表示的塔總阻力系數(shù)的計(jì)算公式如下： （67）式中：以迎面風(fēng)速表示的實(shí)測(cè)多孔三角阻力系數(shù)；迎風(fēng)面面積與塔筒底部面積之比，范圍：1.4622.320；迎風(fēng)面面積與塔出口面積之比，范圍：2.4603.902。4 結(jié) 論本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)方法，對(duì)某660MW

17、級(jí)機(jī)組配套空冷系統(tǒng)的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，本文以660MW級(jí)機(jī)組的空冷系統(tǒng)為例，對(duì)散熱器和空冷塔組合后的系統(tǒng)進(jìn)行阻力特性的物理模型試驗(yàn)研究，最終總結(jié)出整塔總阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，為后續(xù)空冷塔的性能研究提供依據(jù)和參照。試驗(yàn)研究研究結(jié)果表明：散熱器與空冷塔組合的整體阻力系數(shù)與散熱三角的阻力系數(shù)、迎面面積與塔筒底部面積比以及迎面面積與塔筒出口面積比有關(guān)，即空冷塔的阻力特性受到空冷塔塔型相關(guān)比例的影響；給出了散熱器和空冷塔組合后的整塔總阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可為空冷塔的性能研究提供依據(jù)和參照。參 考 文 獻(xiàn)1 Detlev G.Kröger, Air-cooled heat exchangers and cooling towers, Volume 1, 2003.2 華紹曾，楊學(xué)寧等編譯，實(shí)用流體阻力手冊(cè)，國(guó)防工業(yè)出版社，1985.2 丁爾謀，發(fā)電廠空冷技術(shù)，水利電