火电厂冷却塔工作原理和方式
2010-07-09 12:01阅读：
冷却塔对于确保火电厂的安全运行具有十分重要的作用。对现有常用冷却塔水力瞬变模型进行了介绍，针对其存在的不足，采用特征线法建立了新的冷却塔数学模型。结合实例，对模拟结果进行比较分析，计算表明本模型可以很好地模拟实际情况，为工程实际提供了有益的参考。
关键词：火电厂；冷却水系统；冷却塔；水力瞬变
冷却塔是火电厂冷却水系统中重要的换热元件，其内部的结构比较复杂。从水力学方面，可以将其分成两个独立的水力元件组成。集水池及冷却塔竖井和配水系统。其中，配水系统主要组成部分有主水槽、分水管（槽）、配水管（槽）、喷头等。
目前，冷却塔的水力瞬变计算，通常认为集水池水位近似恒定不变，将集水池简化为水库进行处理，冷却塔竖井和配水系统则等同于一个溢流式的调压井[4]。这样的简化处理使得计算非常方便，计算速率很高，计算结果在一定程度上反映了
冷却塔在水力过渡过程中的变化规律。然而，该简化
模型与实际中冷却塔和配水系统差距比较大，在某些特定的工况下，并不能正确地反映冷却塔内的实际瞬变过程。
本文从基本方程出发，建立了新的冷却塔数学模型，该模型较上述模型有了明显的改进，计算结果更接近实际情况。
1 瞬变流计算特征线方程
特征线方法是目前求解管道系统水力瞬变最常用的数值计算方法。为了求解由运动方程和连续方程组成的基本偏微分方程组，需要结合特征线将这两个方程转换成常微分方程，然后再进行有限差分求解。
2 冷却塔改进数学模型
根据冷却塔竖井和配水系统组合元件的水力结构和运行原理将其简化为如图3-1所示的水力元件。图中“竖井”代表冷却塔中所有竖井的容积之和，“水室1”代表主水槽的容积之和，“水室2”代表分水槽（管）和配水槽（管）的容积之和。为了简化计算，在建立冷却塔边
界方程时假设：1）不考虑水流和室壁的弹性，认为它们是刚性体；2）将竖井内的水视为集中惯性体；3）水位始终为水平状态。
3 工程实例模拟及计算结果分析
（1）工程实例基本概况徐州电厂三期2超超临界机组，其循环水系统采用带自然通风冷却塔的单元制二次循环供水系统。每台机组配三台循环水泵，一条压力进水钢管，一条压力排水钢管以及一条排水钢混排水暗沟。系统模拟图如图4-1。其中水泵出口阀的中心高程为33.65m，凝汽器出水口的管顶高程为43.0m（即为本循环水系统的驼峰点），冷却塔竖井顶高程为53.9m，配水高程为52.0m，设计流量为28.8m3/s，设计流量下的竖井水位高程为52.5m。冷却塔面积为12000m2；塔高为166.68m；中央竖井平面尺寸为6m，高为12m；冷却塔主水槽尺寸为30m，高2m，底高程为51.5m。
（2）计算工况的选取根据冷却塔的运行原理，选取“一机三泵并联运行，同时事故全失电”和“两泵稳定运行，第三台泵投运”这两个工况，对简化模型和改进模型进行计算比较，记上述前一工况为C1，后一工况为C2。这两个工况能够反映出冷却塔的运行特点，其中工况C1为水泵出口阀门关闭规律选择的控制工况，在该工况下冷却塔的竖井水位、流量等参数变化会发生较为明显的变化；工况C2为冷却塔水位的校核工况，在该工况下冷却塔的水位均在配水高程以上变化，能够验证模型的在高水位下的计算结果是否符合实际情况。因此选取这两个工况作为验证工况可以保证模型在其他工况下计算结果的正确性。
（3）计算结果分析
1）由计算结果可知，简化模型进行模拟计算时，对于工况C1和工况C2，冷却塔竖井的水位都始终等于竖井配水高程。结合该数学
模型的边界方程，可得当竖井水位初始值低于配水高程时，其能够比较准确地反映竖井水位的变化情况，然而当竖井水位达到配水高程后，水位即不再变化，即使发生倒流，水位亦恒定不变。由实测数据可知，在正常运行工况下，
冷却塔要向外配水，那么竖井中的水位必定高于配水水位。当水泵开启或者关闭时，由于竖井容积的限制，竖井水位会随之上升或者下降。因此，简化模型对于竖井水位的模拟结果不能完全反映出实际的变化情况。
2）对改进模型在工况C1计算中模拟出的
冷却塔水位的变化进行分析，可以得出竖井水位的下降变化的过程：
①当水泵断电时，竖井水位并没有立即下降，这是由于水泵到冷却塔距离比较长，水流参数的变化需要一定时间才能传到冷却塔边界；
②在t=0.56s时竖井流量首先开始减少，竖井流入流量小于淋出流量，竖井水位开始下降；
③随着竖井水位的下降，淋水量随之减少，其降低速度要快于竖井流量的下降速度，竖井水位下降速度变慢，在t=7.55s时淋水流量重新等于竖井流量，此时竖井水位等于52.1m。
④当t=8.7s竖井水位下降到51.999m时，冷却塔不在淋水，同时竖井流量开始倒流，竖井水位迅速下降；
⑤当t=11.96s时，竖井倒流量达到最大值-5.74m3/s，此时竖井水位下降至51.73m，之后竖图4-1徐州P电厂循环水系统模拟图井水位下降速度开始变慢；
⑥t=30.55s时，随着关阀动作的完成，以及竖井水位的不断下降，竖井的倒流速度下降至-0.207m3/s，此时的竖井水位为50.59m仍高于凝汽器的出口高程，因此竖井将以很小的流量继续向凝汽器补水，直至水位缓慢下降到凝汽器高程。
3）反映了改进模型在工况C2下竖井水位变化过程，在冷却水系统根据曲线可以看出当第三台水泵启动出口阀门开启过程中，竖井中流量首先随之增大，从而会大于淋水的流量，竖井水位随之升高；而后随着水位的上升，冷却塔淋水量增加，使得竖井水位的上升速度变慢，直到最后竖井流量与淋水量相等后水位维持在稳定运行的高度。其中竖井水位在最终稳定之前产生了一定的波动，但由于水泵出口阀的开启规律选择比较合理，这一波动值非常小，最高涌波低于竖井顶高程，不会发生溢流现象。这一曲线可以很好的反映出冷却塔竖井水位在水泵开启过程中水位的上升和波动情况，对水泵出口阀开启规律的选取起到很好校核作用。
4）由简化模型的边界方程可知，该模型没有考虑冷却塔的淋水流量，默认其等于竖井中的流量，这样的假设在系统稳定运行工况时成立。但是通过上述对竖井水位变化过程的分析可知在系统瞬变的过程中，这两者既是相互联系又是相互独立的，这两个值的变化情况以及它们之间的大小关系对竖井水位起着非常重要的影响，因此在建立冷却塔模型时必须考虑淋水流量的变化情况。综合之前对竖井水位的分析以及对比实测数据，改进模型模拟出的冷却塔淋水流量在停泵和开泵工况中的变化情况符合工程实际情况。
对于工况，模型B模拟的竖井水位变化曲线对于工况，模型B模拟的竖井水位变化曲线结束语本文依据冷却塔水力结构以及运行原理建立了新的冷却塔模型。该模型很好地解决了目前常用模型在模拟冷却塔水力瞬变过程中存在的问题。对两个模型模拟计算结果进行对比分析，结果表明，在同样工况下，改进模型能够更加准确地模拟冷却塔水位、淋水流量以及竖井流量等主要参数，其计算结果与实测数据更加接近。运用本文模型可以很好地模拟工程实际情况，为火电厂冷却水系统的设计和运行提供可靠的依据，同时，计算也表明，选择合理的循环水泵出口阀门开启和关闭规律，对于冷却塔的安全运行具有重要的影响。
