摘要：机力通风冷却塔是大型燃气电厂核心发电设备之一，我国现行的冷却塔分析方法是一维计算方法，这种方法只适用于塔内气流速度和布水均匀的工况，实际上冷却塔塔内气体是成二维流动的。采用基于数值模拟分析的方法对冷却塔进行配水配风优化设计，可在对冷却塔塔型和内部结构优化，提高发电能力。基于数值模拟的目标函数可以列出很多，本文重点介绍了不同侧重点的优化方法。
关键词：机力冷却塔；数值模拟；二维流动；雷诺时均方程；雨区模型
0引言
大型燃气电厂是通过余热锅炉将水加热为蒸汽推动汽轮机转动，与燃机协同带动发电机发电的。同样的热输出，转化的蒸汽的高压端与低压端压差越大，发电效率才越高，要形成大压差就要使汽轮机末级叶片排出的约500℃的高温蒸汽降温凝结成水，形成真空，真空度的好坏与蒸汽冷却后的温度有关，温度越低真空度越高。因此，以机力通风冷却塔为核心设备的系统优化是很有必要的。
我国现行的冷却塔分析方法是一维计算方法，这种方法只适用于塔内气流速度和布水均匀的工况。过去，由于冷却塔单格尺寸不大，因此，这种假设和实际偏差不是很大。现在主流燃气机组发展到9F/9H级机组，相配套的冷却塔单格面积都在400㎡以上，实际上塔内气流速度分布并不均匀，有主流区，有回流区，在靠近进风口处还会有局部的气流分离，实际上冷却塔塔内气体是成二维流动的。所以，采用基于数值模拟分析的方法对冷却塔进行配水配风优化设计，可以在不改变冷却塔尺寸的情况下降低出水温度，提高冷却效果，从而提高发电能力，或者在较小的冷却塔规模的情况下满足冷却效果，节约冷却塔的建设投资。因此，基建期对冷却塔塔型和内部结构优化设计是很有必要的。
1数值模拟分析方法
以某F及重型燃气发电机组为例，单机设计冷却水量30000t/h，设计进塔水温39.65℃，出塔水温31.56℃，初步设计单塔平面名义尺寸21.4m*21.4m。我们在此基础上采用数值模拟方法，对冷却塔的塔型选择和布置进行优化计算。
1.建立冷却塔内气流数学模型
冷却塔在稳定运行状态下，塔内气流为定常流，填料顶面气流雷诺数可达107，为湍流状态，流动符合轴对称定常不可压二维雷诺时均方程：
1）连续方程：
（1-1）
1）动量方程：
（1-2）
（1-3）
2）k方程
（1-4）
3）ε方程：
（1-5）
（1-6）
2.建立热交换数学模型
（2-1）
（2-2）
3.建立雨区数学模型
1）雨滴对塔内气流的作用力：
（3-1）
（3-2）
2）淋水填料对气流的作用力：
（3-1）
（3-2）
对于式（1-1）~式（1-6）、式（2-1）式（2-2）离散方程采用SIMPLE方法迭代求解，迭代采用欠松弛，通过调节松弛因子使迭代收敛；雨滴运动方程式（3-1）式（3-2）系常微分方程，采用四阶-库塔法求解。
2分析结果对比
我们将数值模拟方法计算结果和常规方案做了比较，很明显，数值模拟方法考虑回流对湿球温度的影响，对各塔体各部件的阻力给出了精确数值，减小了风量降低了电机功率，优化了塔型尺寸，到达了节能降耗和降低投资的目的。
3结论
总之，基于数值模拟方法的冷却塔优化目标函数可以列出很多，目标函数的确立完全取决于项目的侧重点，如：投资最省、能耗最低、占地最少、综合费用最小等。
3.1投资最省在给定的气象与工况条件下，完成规定的冷却任务（处理水量），冷却塔的基建投资最省，优化的关注点在冷却塔的成本（价格），每一项优化措施的取舍都在于这项优化措施的投资与该项优化措施的效益成本的比较，不考虑能耗及其他运行成本。该优化模型显然并非最科学的，然而在国内现有体制下工程招标中是最盛行的，工程招标实际采用的均是“低价中标”，中标者的应对措施多是“以次充好、假冒伪劣”，若是能按此优化模型优化的最低价为评标依据，仍属相对科学的。
3.2能耗最低在给定的气象与工况条件下，完成规定的冷却任务（处理水量），冷却塔的能耗最低，优化的关注点在冷却塔的能耗，包含两个含义：一是如配水均匀的条件下配水压力最小，配水压力小会降低水泵的能耗；二是气动优化降低阻力，从而降低风机的能耗。不计成本地降低能耗在实际工程中是不现实的，只能为理论分析与节能挖潜提供参考依据。
3.3占地最少在给定的气象与工况条件下，完成规定的冷却任务（处理水量），冷却塔的占地最少，优化的关注点在冷却塔的平面尺寸，在淋水密度允许的条件下加高填料，优化增加填料而提高的热工性能与阻力增大而导致的风量减少的最佳平衡点；同时在操作条件允许情况下优化筛选适合的风机，一般为较大的风机，直至风机的运行工况点脱离高效区。此模型适合用地受限或用地成本较高的项目。
3.4年综合费用最小在给定的气象与工况条件下，完成规定的冷却任务（处理水量），冷却塔的年综合费用最小。首先将投资与占地费用按投资效果系数分解为年投资，并取折旧费，年综合费用指的是年投资与年运行维护费（电耗的费用、折旧费、运行费与维护）用之和。此模型是上述三种优化模型的综合，综合费用最小为目标函数，考虑了各方面的价值因素，是相对合理、科学的优化模式。
参考文献：
[1]别尔曼著 胡祯等译 《循环水的蒸发冷却》 北京：中国工业出版社 1965
[2]赵振国著 《冷却塔》 北京：中国水利水电出版社 1997
[3]黄瓯、余炎 《我国百万千万级以上核电汽轮机组现状及发展》 发电设备 2010（5）：309-314
[4]赵顺安著 《冷却塔工艺原理》 北京：中国建筑工业出版社 2015
作者简介：
刘晓东，现就职于华电重工股份有限公司，兰州理工大学毕业，工程师，长期从事电厂冷端系统研究。
论文作者:刘晓东
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
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