【某火力发电厂冷却水系统中冷却塔设计计算案例7000字】

某火力发电厂冷却水系统中冷却塔设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u13223某火力发电厂冷却水系统中冷却塔设计计算案例 111.1冷却塔尺寸设计 2310611.2淋水装置、除水器及喷溅装置选择 5285831.3冷却水配水系统设计计算 7116381.4冷却塔热力及通风阻力计算 14314001.5集水池设计 2011231.6防风、防冻措施 21冷却塔是一种利用水作为冷却剂，从某一系统中吸收热量再将热量传递给大气，时水温降低的构筑物。在这个过程中，水吸收热量后在冷却塔内充分与空气进行接触，水的热量转化成空气中的热量，利用蒸发散热、对流和辐射传热的方式进行热传递，最终使水的温度降低达到冷却的目的。按照水和空气接触方式的不同冷却塔可以分为湿式冷却塔和干式冷却塔，干式冷却塔水与空气不直接接触，而是水与散热片接触，使散热片温度升高，之后空气与散热片接触带走散热片的热量，间接实现水的降温，由于整个过程水不与空气接触，因此水的蒸发可忽略，故多用在水资源匮乏的地区。湿式冷却塔则是水与空气直接接触，空气带走水中的热量。本次设计中，考虑到电厂附近就有充足的水源供给，且考虑到湿式冷却塔国内经验更加充足，故采用湿式冷却塔。冷却塔按照水和空气流动方向的不同又可以分为逆流式冷却塔、横流式冷却塔。逆流塔中水从塔内填料上方进入，从下方流出，而空气则从填料下方流进，从上方流出，整个过程中空气与冷却水流动方向相反。而横流式冷却塔水仍从填料上方流入下方流出，但空气从侧面横穿过填料。逆流式冷却塔工作过程中温度最高的水与最潮湿温度最高的空气在填料上层接触，温度最低的水和最干燥温度最低的空气在填料下层接触，整个填料中，水由上到下始终是与比自己温度更低的空气相接触，冷却效率得到了保证。而横流式冷却塔中水始终与相同温度的空气接触，无法保证冷却效率，同时横流式冷却塔中填料目前尚未发现有十分合适的填料，国内相关工程经验也较少，故本次设计采用逆流式冷却塔。根据通风方式冷却塔还分为自然通风和机械通风。其中机械通风借助鼓风机等机械设备向冷却塔内输入冷空气，自然通风则是利用自然大气通风。机械冷却塔虽然效率更高，但是整体能耗巨大，同时维护管理较困难，因此很少用于冷却水量较大的情况，多用在化工等领域。本次设计采用自然通风。综上，本次设计采用自然通风逆流湿式冷却塔，同时为了满足节水相关要求，冷却塔内安装有除水器。1.1冷却塔尺寸设计冷却塔的形状有筒型、方形等，但经过这么多年的发展与理论更新，目前行业主流多采用双曲线型塔体，既能保证通风效率有能保证塔体强度和施工的要求。如图1.8所示。图1.8双曲线型冷却塔简图双曲线方程为：（1.1）根据之前的计算结果，本次设计中循环水量为73800m3/h，即上塔水量为73800m3/h。淋水面积（1.2）式中：Q——上塔水量，Q=73800m3/h;q——淋水密度，6~8m3/(h·m2)，在此取q=7.77m3/(h·m2)。填料底部处塔体直径（1.3）式中：。本次工程中取110m。塔底直径塔底直径一般为填料底部处塔体直径的1.1倍，则：（1.4）喉部面积（1.5）式中：——系数，取0.3~0.36，此处取0.36。喉部直径（1.6）式中：本次工程中取66m。塔体高度（1.7）式中：——系数，取1.2~1.6，在此处取1.3。本次工程取160m。喉部高度（1.8）式中：——系数，取0.75~0.85，在此处取0.8。喉部以上高度（1.9）式中：塔体双曲线方程由以上计算可知，双曲线上存在两点（33，0）和（60.5，-128），将此两点带入式1.1，联立得到：则塔体的双曲线方程为：（1.10）将带入上式得到，故冷却塔塔口处直径为35.4×2=70.8m。进风口高度本次设计中进风口高度取为12m，进风口面积与塔壳底面积之比为进风口相对高度，其大小应在0.3~0.45之间。进风口高度为12m时，Y=-116，代入式1.10，得到R=56.6m。则进风口面积：塔壳底面积：进风口相对高度：在0.3~0.45之间，故进风口高度取为12m可行。1.2淋水装置、除水器及喷溅装置选择淋水装置又被称为淋水填料，是冷却塔的中啊哟组成部分，是降低冷却水温度的主要设备，淋水填料引起的降温效果是整个冷却塔降温效果的60%~70%，淋水填料的性能很大程度上决定了冷却塔的冷却能力。进入冷却塔的热水，通过喷头被均匀喷洒至淋水填料上，喷洒的水滴在淋水填料上进一步分解变为比表面积更大的水滴，或者直接吸附在填料上形成一层薄薄得水膜，与外面进塔而来的冷空气更加充分的接触，接触面积的增大和接触时间的增长可以进一步提高热传递的效率也即提高了冷却塔冷却效率。淋水填料一般可以简单分为点滴式、薄膜式两种，选择合适的填料时，首先要考虑的是该填料的冷却能力、风压损失，冷却能力越高，风压损失越低的填料则越合适。要达到这样的条件则就要求填料在相同的淋水密度和空气速度相同时，有更大的传热和传质系数，即填料要有更大的比表面积和更加优秀的亲水性。除开理论要求外，工程实际中则要求该填料不易损坏，耐用，安装维修简单，运输方便，价格较低等。本次工程中，采用目前应用广泛的S波PVC塑料淋水填料。该填料特性如下：S波PVC塑料淋水填料热力特性：（1.11）（1.12）S波PVC塑料淋水填料阻力特性：（1.13）（1.14）（1.15）式中：组装：填料高度内围1.00m，外围1.20m，搁置式安装。从冷却塔内向外排出的湿热空气中，一部分是携带有微小水滴的水雾气，另一部分则是与空气完全混合的水蒸气（包含空气中一开始就存在的水蒸气）。前一部分水蒸气可以通过一些手段收集，而后一部分水蒸气则无法直接通过机械手段进行收集。收水器的作用就是在于收集前一部分水蒸气。收水器一般由一组或者两组交叉布置的板条或者弧状板条组成，板条一般与空气流动方向成45~70°角。除水器安装时还要注意不能扰动塔内原本空气流到，除水器出口处的空气与塔内的气流流向相同，衔接顺滑，不能产生局部的涡流或气旋，以免降低冷却塔冷却效率。本次设计中采用除水器型号为BO-42/140，除水效率可达到98~99%。喷溅装置采用TP-II型离心式高效喷溅装置。与配水管采用耳边接头相互连接，材质采用ABS工程塑料。喷溅装置可以使热水均匀喷洒出来，增加与空气接触表面积和时间，提高冷却塔的冷却效果，使循环水温度降低0.9-1.5℃。喷溅装置常年处于高温潮湿的环境下，因此其在此环境下的抗老化性能十分重要，使用寿命按照原电力部颁布的规范规定要求在12年以上，同时要做好定期检查维修，以及时发现损坏喷头进行更换。1.3冷却水配水系统设计计算配水系统是将进塔热水通过管道或者水槽等方式均匀分布在整个淋水填料上，同时配水系统需要在水量变化时仍能做到均匀布水。一般的配水系统可以分为固定式和旋转式两种。固定式配水系统又可以分为管式、槽式和管槽式。管式配水和槽式配水是指只利用管道或者水槽来进行均匀布水，管道一般多采用UPVC管道，水槽则采用钢制槽或者混凝土。管槽式则是两种相结合，进塔热水首先通过水槽进入塔内指定划分区域，水槽中的热水在通过管道和喷溅装置均匀布置在填料上。本设计中采用管槽式配水。本次设计中，冷却塔内设置有中央进水竖井，竖井为方形，底部连接有循环水进水管。以竖井为中心，向四周伸出4条配水水槽，每两条水槽相互垂直，共将整个冷却塔填料分为四个区域，大小面积相同。同时配水槽设置内区和外区两个分区，内区外区分别配水，互不干扰，每支配水槽均接出数只配水支管。循环冷却水通过中央竖井进入各区配水槽，最后再从配水干管通过喷头均匀喷向淋水填料。配水系统管槽布置示意图如图1.9所示：图1.9配水系统管槽布置示意图整个配水系统分为内外两区。内区配水槽只在夏季和春秋季用水量较大时配水，冬季内区配水槽不工作，外区配水槽则全年运行。中央竖井尺寸设计中央竖井设为方形，按照夏季工况即循环水流量最大工况20.5m3/s进行设计，中央竖井内流速要求低于0.5m/s，此处取0.5m/s计算，则竖井截面积为：竖井边长：考虑到竖井工作环境且四周还要连接配水槽，故中心竖井壁厚取，材料选为钢筋混凝土。配水槽设计内区配水槽设计计算冬季只有外区配水，所以外区配水量为冬季循环水量即45480m3/h，则内区配水量为夏季配水量减去冬季配水量，即：则内区单个配水槽流量为：主水槽内流速通常一般为0.8~1.0m/s，在此选用0.9m/s，则内区配水槽截面积为：内区前半段主水槽横截面尺寸为1.8m×1.4m，安全超高150mm。整个水槽流量越靠近外侧则流量越低，配水槽流量沿水流方向逐渐衰减，到后半段时大约只有前半段流量一般，故取后半段设计流速为0.6m/s，按照上述公式计算，可以得到后半部分水槽截面积为1.66m2，后半段横截面积尺寸定为1.3m×1.4m，安全超高150mm。外区配水槽设计计算：外区配水槽配水流量为冬季配水流量，即为：则外区单个配水槽的流量为：主水槽内流速一般为0.8~1.0m/s，在此选用0.9m/s，则外区配水槽截面积为：外区前半段主水槽横截面尺寸为2.2m×1.8m，安全超高150mm。同内区配水槽，外区整个水槽流量越靠近外侧则流量越低，配水槽流量沿水流方向逐渐衰减，到后半段时大约只有前半段流量一般，故取后半段设计流速为0.6m/s，取后半段设计流速为0.6m/s，同理可得后半段过水面积为2.64m2，后半段横截面积尺寸选为1.8m×1.8m，安全超高150mm。每条内外区配水槽上均设5个Φ100通气孔。配水管设计计算内区配水管设计计算内区配水面积：内区配水区为正方形，其边长为：内区配水槽长度：内区配水槽上设有26根配水管，则单根配水管流量为：配水管前半段流量为0.076m³/s，设计流速为0.60m/s，其前半段设计管径为：配水管后半段流量取为前半段流量的一半，为0.038m3/s，设计流速为0.60m/s，其后半段设计管径为：综上，内区配水管间距定为1m，一根配水槽对应26根配水管，前半段配水管管径为400mm，后半段配水管管径为300mm。外区配水管设计计算外区配水面积：总配水直径：外区配水槽长度：每根外区配水槽上设有24对（48根）配水管，则单根配水管流量为：外区配水管前半段流量为0.066m³/s，设计流速为0.65m/s，其前半段设计管径为：配水管后半段流量取为前半段流量的一半，为0.033m3/s，设计流速为0.65m/s，其后半段设计管径为：综上，配水管间距同样定为1m，一根配水槽对应24对（48根）配水管，前半段配水管管径为350mm，后半段配水管管径为250mm。考虑到配水管长期在高温高湿环境下工作，要保证夏季最高水温（超过50℃）下不软化变形，在冬季最低气温（约在-10℃）突然充热水或者空管不运行情况下不破裂，同时配水管在高空假设，管道不仅要承受自重还要承受水重以及100kg的安全临时荷载，为满足需求，管道需要有足够的强度刚度和韧性，故管道最终选择UPVC管道。配水管在内区仅一侧安装，外区则两侧安装。喷头设置喷溅装置采用TP-II型离心式高效喷溅装置。喷头设置间距为1m，1/4内区共有26根配水管，每根配水管长度相同，每个拥有27个喷头，故内区共有喷头2808个，1/4外区共有24对配水管，长度各不相同，经过画图实际计算，外区共有喷头5840个。则单个喷嘴流量为：根据喷嘴出流公式：式中：——系数，=0.8；直径为30mm，。，不少于0.6m。则：故喷头满足工作压力要求。配水均匀性校核配水是否均匀是影响冷却塔冷却效果好坏和冷却效率高低的重要因素，配水越均匀，则代表热水更加均匀的喷洒在填料上，不会出现局部水量大冷却效果差而另一部分水量低冷却系统并未饱和充分利用冷却能力的现象。一般情况下，从配水总槽到最远处喷嘴即为最不利管线，只要保证该处喷嘴该段管路水头损失不超过0.5m，即可认为配水均匀性良好。本次设计中，选取中央竖井的一条配水槽到外区最远管道上最远处喷嘴为最不利管线进行水力计算。水力计算简图如图1.10所示。沿程水头损失计算表见表1.12。图1.10冷却塔配水系统水力计算简图为了计算方便，配水槽后半段流量取为前半段一半。表1.12冷却塔配水系统沿程水头损失计算表管槽编号流量

m3/s相关数据长度Lm水头损失hf

m累计水损hf

m流速vm/s断面积Sm2宽度Wm高度Hm水力半径Rm粗糙度n1~23.160.903.512.201.600.650.01312.350.00300.00302~31.580.602.631.801.460.560.01312.350.00160.0046管径Dmm流速vm/s海曾威廉系数C管长Lm3~40.0663500.6863382311050.0090.0094~50.0332500.67261146511050.0140.023局部水头损失可按照下式计算：式中：取2.0；取1.4；取0.4；取1.4；取0.5。代入数据，得到：总水头损失为0.0276+0.193=0.2206m<0.5m，故可认为配水均匀。1.4冷却塔热力及通风阻力计算基本数据夏季10%气象条件湿球温度；干球温度；风速；大气压；进塔空气湿度；干空气气体常数；水蒸气气体常数。填料特性采用S波PVC塑料淋水填料。填料特性如下：S波PVC塑料淋水填料热力特性：（1.11）（1.12）S波PVC塑料淋水填料阻力特性：（1.13）（1.14）（1.15）式中：——淋水填料处平均风速。组装：填料高度内围1.25m，外围1.50m，搁置式安装。冷却塔进出水温差取为：。冷却塔热力及通风阻力计算冷却塔设计计算中存在两个相互关联的未知量，即出塔水温（一般要求不大于33℃）和风速（不能超过10%气象条件下的风速）。其他量如进塔水温可以根据进出塔水温差（本设计中取10℃）求得。进行热力计算时，我们需要事先假设一个风速和出塔水温，由此计算冷却塔冷却数和填料热力特性数，冷却塔抽力和通风阻力，如果同时满足和、和在允许的误差范围内相接近，那么就可认为该出塔水温和风速即是设计运行点，如果不满足，则重新调整风速和进塔水温，直至寻找到这样的一组水温和风速。若始终无法满足要求，则需要调整冷却塔尺寸，更换填料等方法。本次设计最终计算得到的出塔水温为32.70℃，风速为1.433m/s。迭代计算过程通过计算机编程来实现，具体算法思路见图1.11。图1.11冷却塔热力计算流程图饱和蒸汽压力和湿空气焓饱和蒸汽压力(纪利公式)：注意：单位为，应化为。代入数据，其中，则：

进塔空气焓：式中：，；；——常数，98。采用纪利公式再次计算湿球温度的饱和蒸气压得到，则： 湿空气密度采用下式计算：代入数据，则：由上述计算可得到，干球温度时，进塔空气的饱和蒸气压，进塔空气焓，进风口空气密度。气水比式中：m2；m/s。出塔空气焓及出塔空气温度、密度水的比热容为，根据经验，采用流量修正系数，由焓差公式：代入数据得到出塔空气焓出塔空气温度：式中：——塔内平均水温，；——塔内平均水温对应的饱和空气焓，采用纪利公式进行计算，此时相对湿度为1，见下：计算得到计算出塔空气温度：出塔空气相对湿度为100%，则出塔空气对应的饱和蒸气压为：其中，则出塔空气的饱和蒸气压计算出塔空气密度为：抽风风力Z抽风风力可采用下式计算：式中：——冷却塔有效高度（m），即填料底部至塔顶高度；——出塔湿空气密度，kg/m3。将带入式1.10得到：计算得到由于喉部以上高度为32m，所以Y=-111m。所以冷却塔有效高度：出塔空气温度下，抽风风力：总阻力系数自然通风冷却塔总阻力系数可按照以下系列公式计算：式中：——收水器阻力系数， 通风阻力：式中：——冷却塔的总阻力，Pa。代入数据得到总阻力系数，通风阻力为：通风阻力与抽风抽力之差，在误差允许范围内，可视作二者相等。冷却数N与填料N’由以上计算可知，出塔水温，进塔水温，。冷却塔冷却数：利用纪利公式分别计算与进塔水温、出塔水温以及进出塔平均水温相应的饱和空气焓，得到、、。由之前计算又可知：代入数据计算得热力特性系数：冷却塔冷却数与热力特性系数之差，在误差允许范围内，可视为二者相等。计算得到最终出塔温度为32.70℃，风速为1.443m/s。1.5集水池设计从淋水填料穿过的降温后的冷却水将直接滴入冷却塔下方的集水池，集水池起到收集冷却后的循环水和调节水量的作用。集水池一般深度不超过2m，池内水面以上高度（干舷）为0.3m，为了排空集水池进行清污工作，集水池底部还应设置有集水坑，集水池池底应有向集水坑倾斜的坡度，该坡度一般不得小于0.5%。本次设计中集水池设计成带有调蓄功能的集水池，根据相关工程经验，集水池容积取为每小时循环水量的1/4，则集水池容积：池深取1.5m，则集水池面积为：集水池直径为：设计中取集水池直径125m。此外，集水池还应设置以下内容：旁路水管。旁路水管一边与集水池相连接，另一边与循环水进水干管相连接，这样循环进水管中的热水可以直接排入集水池，方便冷却塔的检修，冬季时也可以防止集水池中的水结冰。补