间接空冷系统空气动力特性试验研究

1、间接空冷系统塔空气动力阻力特性试验研究黄春花1 赵顺安1 冯 璟2 刘志刚2 (1.中国水利水电科学研究院，2. 中国电力顾问集团华北电力设计院工程有限公司)摘要：在间接空冷系统中，散热器和空冷塔是进行换热的关键部件。散热器的传热性能及其与空冷塔组合后的整体阻力特性是影响间接空冷系统冷却效率空气动力特性的主要重要因素，直接影响空冷系统的换热效率，而国内外对此尚无研究，也没有统一的阻力计算公式。散热器的传热性能及阻力特性一般由生产厂家提供，而散热器与空冷塔组合后的整体阻力特性尚无研究，并且没有统一的总阻力系数的经验计算公式。本文通过建立空冷散热器垂直布置于空冷塔塔外的物理试验模型，对散热器与空冷

2、塔组合后的整体阻力特性进行了研究，并进行试验研究。通过对试验测取的各个参数的计算分析，最终总结出散热器与空冷塔组合后的给出了整体其阻力系数经验计算公式，为空冷系统的工艺设计提供参考。 关键词：模型试验；间接空冷； 散热器； 阻力特性阻力系数 模型试验1 引 言随着世界各国经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高，电力工业得到了突飞猛进的发展。与此同时水资源的日益紧缺和人们环保意识的逐步增强，使得电力行业逐步向节水环保型发展。空冷系统的应运而生，为电力行业的发展带来了新的突破。空冷系统本身节水可达97%以上，全厂性节水约65%，一般建设1000MW湿冷机组的水量，可以建一个规模比其大三倍的空冷机组

3、。因此，空冷技术在全世界范围内得到了广泛的应用。空冷系统由于其强节水性在我国三北地区备受青睐，其节水可达97%以上，全厂节水达65%。空冷散热器和空冷塔是空冷系统的重要组成部件，其阻力特性将直接影响空冷系统的冷却换热效率，有研究3表明当塔的损失超过1个出口动能头时，冷却水的温度将升高1.0。我国对空冷系统性能的研究目前主要集中在自然风的影响、防治以及空冷塔的布置间距等，这些研究以fluent数值模拟计算方法为主，而对散热器及其与空冷塔组合后的整体阻力特性并没有专门的研究，也没有统一的阻力计算公式；国外研究中南非电力委员会曾对空冷系统各个组成部分的分项阻力系数1进行了试验研究，给出了散热器进口、

4、出口、内部射流、空冷塔支撑柱以及转角等各个分项的部件的阻力系数的经验计算公式，总阻力系数则由各个分项值相加而成，显然这种阻力计算方法忽略了系统中各部件的相互干扰，因而带来相应的误差。本文以某660MW机组工程为例，通过模型试验方法，这种研究方法没有总结出一套适用的总阻力系数经验计算公式。本项研究进行的是了将散热器垂直布置于塔外的，整塔阻力特性研究，总结出总阻力系数的计算公式，为工程设计提供便利的参考可为工程设计提供参考。2 模型设计2.1 工程概况 试验研究是以A电厂的空冷塔为原型，该电厂装机容量2×660MW，按照1机1塔设置，设计气温14.6，汽轮机设计背压为12.5 kPa，循

5、环水冷却采用表面式凝汽器间接空冷系统。散热器垂直布置在空冷塔进风口外侧。2.2 1 模型系统设计 模型设计中，要保证模型与原型的相似，首先要求几何相似；其次要满足气流运动和动力的相似。就本试验而言，相似准则满足下式： （1）式中：为雷诺数，；为欧拉数，；表示原型与模型值比；为塔内填料断面平均气流速度，m/s；为塔的特征尺寸，取填料断面长度，m；为压力差，Pa；为空气密度，kg/m3； 为气流运动粘性系数，m2/s。式（1）所表述的是雷诺和欧拉相似准则，还可写成准则方程。雷诺准则是对流态起决定性作用的因素，但这种决定性作用在一定条件下将消失，因为当模型塔内气流的 Re 数超过某一临界值后，其流态

6、、流速分布皆与原型相似，而与Re 数无关，即流体流动进入“阻力平方区”亦称“自模区”，模型在“自模区”内自行满足欧拉准则。因此，试验中要满足气流运动相似，须使气流在“自模区”。 模型设计按照雷诺准则，但是要满足Rem=Rep是不可能的，模型中阻力系数与原型相等，尽可能地使模型的雷诺数足够大，使气流运动处于阻力平方区，保证模型与原型的流态相似。综合考虑各项影响因素，本项模型最终选取模型试验比尺取为Lr100，制作整体正态模型，模型试验装置示意图见如图1所示。空冷塔塔体采用无色透明有机玻璃制作，塔型型线由原体塔曲线按比例缩小，垂直布置在塔外的空冷散热片用等效阻力的多孔板来模拟。图1 模型试验装置示

7、意图2.3 2 测量参数及整理方法 试验主要测试参数包括大气干湿球温度、大气压、不同断面全压以及风速等，其中风速与压力的测量采用热线风速仪配合L型毕托管,采用美国TSI公司8386型多参数热线风速仪和L型毕托管来测量模型塔中的风速和全压；大气压采用DYM3型盒式气压表来测量；气温采用铂电阻温度计来测量；风机的风量由变频调速器来控制。喉部断面处风速和全压的测量按照等面环的方法来测取，测试中在喉部设置8个等面积环，测取各个测点上的风速Vi和全压Pi，则通风量及喉部全压为： （12） （23）式中：A喉部断面面积，m2；Vi等环面测点风速，m/s；Pi等环面测点全压，Pa；Q喉部断面通风量，m3/s

8、；P从进口至喉部的全压，Pa。阻力系数公式的整理以散热器迎面风速为基准来进行，散热器和空冷塔组成的整体的阻力系数由两部分组成，即：进口至喉部断面的阻力系数和塔出口阻力系数，计算方法如下： （34） （45） （56）式中：P0塔外大气压力，可设为0；空气密度，kg/m3；Vy迎面风速，m/s；Ay迎风面面积，m2； Ao塔出口面积，m2；塔出口阻力系数；至喉部阻力系数；整塔阻力系数。3 试验结果3.1 工程概况 试验研究是以A电厂的空冷塔为原型，该电厂装机容量2×660MW，按照1机1塔设置，设计气温14.6，汽轮机设计背压为12.5 kPa，循环水冷却采用表面式凝汽器间接空冷系统。

9、散热器垂直布置在空冷塔进风口外侧，A电厂空冷散热器的其设计高度为25m，散热片的设计阻力系数为20，为了在工程中能够广泛地应用试验研究的成果，模型制作时，按照原体散热器高度分别为20m、25m和30m，散热片阻力系数分别为15、20、33来进行。试验中是用多孔板按照等效阻力的方法来设计散热片，由多孔板组合成多孔三角模拟实际的散热三角进行试验研究。3.1 2 试验工况 试验研究按照3种散热器高度、3种散热片阻力系数和4种通风量组合进行，具体研究工况见表1。试验时在多孔三角内外测取静压，通过计算获得多孔三角的阻力系数；在塔筒喉部测量风量和全压，以便计算从进口至喉部的阻力系数。表1 试验工况工况原体

10、散热器高20m工况原体散热器高25m工况原体散热器高30m多孔板设计阻力系数风机风量(m3/h)多孔板设计阻力系数风机风量(m3/h)多孔板设计阻力系数风机风量(m3/h)1152500013152500025152500022025000142025000262025000333250001533250002733250004151900016151900028151900052019000172019000292019000633190001833190003033190007151300019151300031151300082013000202013000322013000933130

11、002133130003333130001015600022156000341560001120600023206000352060001233600024336000363360003.2 3 实测多孔三角的阻力系数 在模型塔试验中中，通过测取多孔三角的内、外静压，加上测点处的动压，便可以来计算多孔三角的阻力系数。多孔板阻力系数的设计是以迎面风速为基准的，因此下文中阻力系数的整理均以迎面风速为准，多孔三角阻力系数与迎面风速的关系见图1。（a）原体散热器高20m(b) 原体散热器高25m(c) 原体散热器高30m图1 多孔三角阻力系数与迎面风速关系图由以上各图的趋势可知，由图1可以看出，当迎面

12、气流速度达到某一临界值后，气流运动达到阻力平方区后，多孔三角的阻力系数均趋于稳定，稳定后的阻力系数值见表2。表2 多孔三角实测阻力系数多孔板设计阻力系数原体散热器高度20m原体散热器高度25m原体散热器高度30m迎面风速(m/s)实测多孔三角阻力系数迎面风速(m/s)实测多孔三角阻力系数迎面风速(m/s)实测多孔三角阻力系数154.3025.433.4526.6011.7426.84204.1931.653.3632.4111.6533.21334.0340.503.3540.8911.4343.013.3 4 空冷塔总阻力系数 模型试验中中散热器的高度分别是20cm、25cm、30cm，迎风

13、面面积与塔筒底部面积比分别为1.462、1.879、2.230，与塔筒出口面积比分别为2.460、3.160、3.902。不同风量，不同 试验所测各个风量、各孔板设计阻力系数下，从进口至喉部的阻力系数结果见如表3所示，至喉部阻力系数与迎面风速关系曲线见如图2所示。表3 不同工况条件至，从进口至喉部的阻力系数试验结果喉部及塔总阻力系数汇总多孔板设计阻力系数风量(m3/h)散热器高度20m散热器高度25m散热器高度30m迎面风速(m/s)至喉部阻力系数迎面风速(m/s)至喉部阻力系数迎面风速(m/s)至喉部阻力系数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）原体散热器高20m （b）原体散热器高25m （c）原体散热器高30m图2 至喉部阻力系数与迎面风速关系图由以上图、表中的数据试验结果表明知各种散热器高度下，当迎面风速达到2.0m/s后，气流运动达到阻力平方区，计算所得的至喉部阻力系数均基本稳定保持不变，稳定后的多孔三角、至喉部及整塔的阻力系数汇总见表4。表4 阻力系数汇总表多孔板设计阻力系数散热器高度20m散热器高度25m散热器高度30m多孔三角阻力系数至喉部阻力系数全塔总阻力系数多孔三角阻力系数至喉部阻力系数全塔总阻力系数多孔三角阻力系数至喉部

16、阻力系数全塔总阻力系数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将上表中的数据进行整理，以迎面风速表示的塔总阻力系数的计算公式如下： （67）式中：以迎面风速表示的实测多孔三角阻力系数；迎风面面积与塔筒底部面积之比，范围：1.4622.320；迎风面面积与塔出口面积之比，范围：2.4603.902。4 结 论本文通过物理模型试验方法，对某660MW

17、级机组配套空冷系统的空气动力特性进行了研究，本文以660MW级机组的空冷系统为例，对散热器和空冷塔组合后的系统进行阻力特性的物理模型试验研究，最终总结出整塔总阻力系数的经验计算公式，为后续空冷塔的性能研究提供依据和参照。试验研究研究结果表明：散热器与空冷塔组合的整体阻力系数与散热三角的阻力系数、迎面面积与塔筒底部面积比以及迎面面积与塔筒出口面积比有关，即空冷塔的阻力特性受到空冷塔塔型相关比例的影响；给出了散热器和空冷塔组合后的整塔总阻力系数经验计算公式，可为空冷塔的性能研究提供依据和参照。参 考 文 献1 Detlev G.Kröger, Air-cooled heat exchangers and cooling towers, Volume 1, 2003.2 华绍曾，杨学宁等编译，实用流体阻力手册，国防工业出版社，1985.2 丁尔谋，发电厂空冷技术，水利电