超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计方法及系统技术领域
本发明涉及一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计方法以及一种超
大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计系统。
背景技术
逆流式自然通风湿式冷却塔(以下简称自然塔)广泛的应用于国民经济的
诸多部门，包括电力、石油、化工等，其作用是将挟带废热的冷却水在塔内与
空气直接接触进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。这种类型冷却塔如
图1所示，通风筒常采用双曲线形，用钢筋混凝土浇制，塔筒底部为进风口，
空气从进风口进入塔体，穿过填料下的雨区，和热水流动成相反方向流过填料，
再从塔筒出口流出。
自然塔淋水面积是指冷却塔内“填料区”顶部的断面面积，按淋水面积的
大小，冷却塔可初步划分为以下几种：
小型塔：A＜4000m2；
中型塔：4000m2≤A＜7000m2；
大型塔：7000m2≤A＜12000m2；
超大型塔：A≥12000m2(塔底部直径D＞110m、进风口高度h＞11m)。
自然塔空气动力计算是冷却塔进行工艺设计的核心，也是再循环供水系统
优化设计和热力设计的依据，而其中阻力计算又是空气动力计算的重要组成部
分。自然通风逆流式冷却塔的阻力系数计算一共包括了三个部分，其中比较重
要的一部分是进风口区域除雨滴阻力外的人字柱、气流转弯、支柱、填料、收
水器与配水装置阻力系数(简称进风口区域阻力系数)计算。可见，进风口区
域阻力系数的计算将直接影响冷却塔的设计，尤其是对于底部直径大于110m、
进风口高度大于11m、淋水面积大于12000m2的超大型塔来说，如果进风口区
域阻力系数的计算结果不准确，将导致最终设计的冷却塔的设计工况与实际运
行工况有偏差，即计算选型的冷却塔有可能出现偏大或者偏小的情况：偏大就
意味着建设规模过大，造成极大浪费，还可能会使机组出现过冷现象；偏小就
会出现冷却能力不足的现象，可能会导致机组发电功率不足，甚至影响运行稳
定性和安全性，出现运行事故。
鉴于进风口区域阻力系数对超大型自然塔的设计所具有的重要地位，因此
有必要进行自然塔的进风口区域阻力系数研究。传统的超大型逆流式自然通风
湿式冷却塔的设计方法一般采用如下公式来计算进风口区域阻力系数：
ξ a = ( 1 - 3.47 ϵ + 3.65 ϵ 2 ) ( 85 + 2.51 ξ f - 0.206 ξ f 2 + 0.00962 ξ f 3 ) - - - ( 1 ) ]]>
式中，ξa为进风口区域阻力系数；ξf为淋水填料阻力系数(含配水系统收水
器等阻力系数)；ε为进风口相对高度(即进风口面积与塔壳底面积比)。
从上面的公式(1)可知，进风口区域阻力系统的计算公式中的变量为淋水
填料阻力系数(含收水器和配水系统)和相对进风口高度(进风口面积与塔壳
底面积比)，该计算公式对于目前已有常规自然通风冷却塔阻力计算是基本适用
的，并且已经被冷却塔设计规范所采用。但由于当时冷却塔淋水规模及试验条
件等原因限制，该公式在适用范围上还是具有一定的局限性：
一、公式(1)中，淋水填料阻力系数变化范围为10～20，然而超大型冷却
塔的淋水填料高度将较常规冷却塔有所提高，比如填料高度可能达到20m或以
上，超出公式(1)的适用范围；
二、公式(1)中的进风口相对高度的适用范围为0.35～0.45，常规冷却塔
的运行中冷却塔的相对进风口一般为0.36；然而超大型冷却塔的面积大约为同
样装机容量火电冷却塔的80％～100％，进风口的相对高度仍采用0.36势必造成
冷却塔的进风口高度较高，增大了厂用电。而且另一方面核电冷却塔高度较高，
填料高度有所增大，进风口的高度可相对低些，比如德国的依萨核电16500m2
的逆流式自然通风冷却塔的相对进风口高度为0.3。所以，公式(1)的适用性
再次受到局限。
近年来，随着电力行业尤其是核电的迅速发展，冷却塔淋水面积不断增大，
内陆核电的冷却水系统配套的冷却塔的淋水面积通常都大于12000m2、进风口高
度通常大于11m，对于这种规模的超大型冷却塔，进风口区域阻力系数发生较
大的变化，再采用传统的计算方法和计算手段，可能或造成比较大的偏差甚至
错误，因此研究新的冷却塔进风口区域阻力数值计算技术是十分必要的。
发明内容
基于此，有必要针对上述传统计算进风口区域阻力系数的方法具有一定局
限性，导致计算选型的冷却塔偏大或者偏小的问题，提供一种超大型逆流式自
然通风湿式冷却塔的设计方法及系统。
一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计方法，包括以下步骤：
获取进风口相对高度ε以及淋水填料阻力系数ξf；
根据所述进风口相对高度ε、淋水填料阻力系数ξf并采用如下公式计算进
风口区域阻力系数ξa： ξ a = ( 76.65 - 261.33 ϵ + 264.85 ϵ 2 ) e ( - 0.0217 + 0.230 ϵ - 0.2191 ϵ 2 ) ξ f - 1.5 ; ]]>
根据所述进风口区域阻力系数进行冷却塔的最终特性计算，获得冷却塔的
运行特性数据；
根据所述运行特性数据进行冷却塔的设计。
一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计系统，包括：
参数获取模块，用于获取进风口相对高度ε以及淋水填料阻力系数ξf；
进风口区域阻力系数计算模块，用于根据所述进风口相对高度ε、淋水填
料阻力系数ξf并采用如下公式计算进风口区域阻力系数ξa：
ξ a = ( 76.65 - 261.33 ϵ + 264.85 ϵ 2 ) e ( - 0.0217 + 0.230 ϵ - 0.2191 ϵ 2 ) ξ f - 1.5 ; ]]>
运行特性数据计算模块，用于根据所述进风口区域阻力系数进行冷却塔的
最终特性计算，获得冷却塔的运行特性数据；
设计模块，用于根据所述运行特性数据进行冷却塔的设计。
由以上方案可以看出，本发明的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计
方法及系统，为底部直径大于110m、进风口高度大于11m、淋水面积大于
12000m2的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔进风口区域阻力数值计算提供了
解决方法，避免了继续沿用传统的数值计算技术进行冷却塔的进风口区域阻力
系数计算所导致的冷却塔的设计工况与实际运行工况有所偏离的问题，具有更
加广泛的适用性，能够为超大型冷却塔设计中相关阻力计算提供参考和依据，
并最终满足超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计需要。另外本发明的方法
及系统有效掌握了冷却塔的实际运行状况，对机组运行稳定性和安全性提供了
可靠保障，有效避免了由于计算选型的冷却塔偏小所带来的安全性问题以及计
算选型的冷却塔偏大所带来的初期投资浪费问题，因此具有较好的市场应用前
景。
附图说明
图1为逆流式自然通风湿式冷却塔结构示意图；
图2为一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计方法流程示意图；
图3为一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体的实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述。
参见图1所示，一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计方法，包括
以下步骤：
步骤S101，获取进风口相对高度(记为ε)以及淋水填料阻力系数(记为ξf)，
然后进入步骤S102。
步骤S102，根据所述进风口相对高度(ε)、淋水填料阻力系数(ξf)并采
用如下公式计算进风口区域阻力系数(记为ξa)：
ξ a = ( 76.65 - 261.33 ϵ + 264.85 ϵ 2 ) e ( - 0.0217 + 0.230 ϵ - 0.2191 ϵ 2 ) ξ f - 1.5 - - - ( 2 ) ]]>
下面描述本发明进风口区域阻力系数的计算公式的推导过程，其包括了如
下几个步骤：
一、构建模拟试验装置
装置试验在试验室进行，需能进行“不同淋水面积、不同进风口高度、不
同填料阻力系数、不同填料断面风速工况”组合条件下的进风口区域阻力特性
试验。可以通过建立一个冷态模型试验系统来了解超大型冷却塔相关阻力特性，
模型将对塔内各主要结构进行模拟，包括淋水填料、进风口高度、塔筒支柱以
及塔内梁柱等。具体构建模拟试验装置的过程本发明不作赘述。
二、多工况的试验测试及数据整理
分步骤进行不同淋水面积阻力特性试验、不同塔体结构组成部分阻力特性
试验和进风口高度变化对于塔内阻力性能影响试验，然后对试验数据进行整理。
具体细分为以下两个步骤：
(1)、试验工况
本试验重点研究超大型自然通风冷却塔不同淋水面积规模的进风口区域
(不含雨区)阻力特性。模型需模拟和测试10000m2、16000m2和20000m2原型
塔进风口区域阻力特征，同时还比较和分析了塔筒支柱、塔内梁柱等局部结构
的阻力影响，以及不同进风口高度与塔进风口区域阻力系数的变化关系。试验
中，塔内淋水填料分别采用三种孔板模拟。据此，试验工况布置见表1，共计
10组。进风口高度影响试验时，模型淋水面积不变，通过调节进风口高度来实
现进风面积与淋水面积的变化。
表1试验工况表
表2淋水填料模拟孔板设计参数
孔板编号
孔板1
孔板2
孔板3
设计阻力系数
10
25
40
板厚L(mm)
8
8
8
孔径(mm)
10
10
10
孔板断面直径(m)
1.04
1.04
1.04
过流面积(m2)
0.28
0.19
0.16
孔隙率(过流面积/断面面积)
0.27
0.18
0.16
模型通风量(103m3/h)
2～20
2～20
2～20
断面风速(m/s)
0.7～7.0
0.7～7.0
0.7～7.0
断面雷诺数(105)
0.4～4.0
0.4～4.0
0.4～4.0
孔口雷诺数(104)
0.11～1.1
0.16～1.6
0.20～2.0
(2)、试验数据整理
a)阻力测试
喉部断面各测点阻力等于该点与塔外大气的全压差值，取各点算数平均值
作为塔进口至喉部断面的平均阻力，可以用下式计算：
ΔP = Σ i = 1 n Δ P i n - - - ( 3 ) ]]>
式中：
ΔP---塔进口至喉部断面平均阻力，Pa；
ΔPi---喉部断面测点与外界全压差，Pa。
b)阻力系数
冷却塔的阻力一般可表示为填料断面处气流速度头与冷却塔总阻力系数的
积，即如下式：
ΔP R = ξρ m V f 2 2 - - - ( 4 ) ]]>
式中：ΔPR---冷却塔的气流阻力，Pa；
ξ---冷却塔的总阻力系数；
ρ---塔内的平均空气密度，kg/m3；
Vf---填料断面平均风速，m/s。
冷却塔中气流受到的阻力主要是受进风口及气流转向、淋水雨区、支撑系
统(塔筒支柱、塔内梁柱)、淋水填料、配水系统、除水器、塔出口几部分综合
影响的结果。一般将前6部分作为一个量来考虑，公式(4)中的总阻力系数可
写为：
ξ = ξ 1 - 6 + α ( F f F o ) 2 - - - ( 5 ) ]]>
式中：
ξ---塔总阻力系数；
ξ1-6---进风口及气流转向、淋水雨区、支撑系统、填料、配水系统、除水器
的阻力系数总和；
Fo---冷却塔出口面积，m2；
Ff---淋水面积，m2；
α---出口流速不均匀系数，一般取为1。
其中，本试验未模拟淋水雨区及喉部以上塔出口阻力。填料、配水系统及
除水器(塔芯材料)的总阻力由孔板来综合模拟。因此，模型中从进风口到喉
部断面的阻力系数即为塔进风口区域阻力系数，如下：
ξ t = ξ 1 + ξ 3 + ξ 6 = ΔP 1 2 ρV f 2 - - - ( 6 ) ]]>
式中：
ξt---塔进风口区域综合阻力系数；
ξ1---塔进风口及气流转向阻力系数；
ξ3---支撑系统阻力系数；
ξ6---除水器(塔芯材料)阻力系数；
ΔP---从塔进口至喉部断面阻力，Pa。
其他符号同前。
三、数值计算公式的提炼
上述工况的模型试验结果见下表3。
表3不同相对进风高度不同填料阻力系数进风口区域阻力系数试验结果
根据上表不同进风口与塔底壳面积比值下的塔进风口区域阻力系数测试结
果，即可拟合推导出进风口区域(不含雨区)阻力系数与淋水填料阻力系数及
进风口相对高度(进风口面积与塔底壳面积比值)之间的关系表达式如下：
ξ a = ( 76.65 - 261.33 ϵ + 264.85 ϵ 2 ) e ( - 0.0217 + 0.230 ϵ - 0.2191 ϵ 2 ) ξ f - 1.5 ]]>
式中：ε为进风口相对高度(进风口面积与塔底壳面积比)；
ξf为淋水填料阻力系数(含收水器与配水系统)。
步骤S103，根据所述进风口区域阻力系数进行冷却塔的最终特性计算，获
得冷却塔的运行特性数据，然后进入步骤S104。
由于进风口区域阻力计算是全塔阻力计算的一部分，因此在得到进风口区
域阻力系数后即可进行全塔阻力计算，然后利用冷却塔总阻力等于总抽力的方
程式进行冷却塔空气动力学计算，再结合冷却塔热力计算进行冷却塔的最终特
性计算，就可以获得冷却塔的运行特性数据(出塔水温等)。上述过程属于公知
技术，本发明中不作赘述。
步骤S104，根据所述运行特性数据(如出塔水温等)进行冷却塔的设计。
可根据计算得到的精确的运行特性数据设计选择得到合适的冷却塔型号，避免
计算选型的冷却塔偏大或偏小的情况出现。
作为一个较好的实施例，本发明中淋水填料阻力系数取值范围则可以为
10～25，进风口面积与塔底壳面积比值取值范围可以0.30～0.50，具有更加广泛
的适用性，进一步解决了传统计算方法中淋水填料阻力系数以及进风口相对高
度的范围具有局限性的问题。
另外，与上述一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计方法相对应的，
本发明还提供一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计系统，如图3所示，
包括：
参数获取模块101，用于获取进风口相对高度ε以及淋水填料阻力系数ξf；
进风口区域阻力系数计算模块102，用于根据所述进风口相对高度ε、淋水
填料阻力系数ξf并采用如下公式计算进风口区域阻力系数ξa：
ξ a = ( 76.65 - 261.33 ϵ + 264.85 ϵ 2 ) e ( - 0.0217 + 0.230 ϵ - 0.2191 ϵ 2 ) ξ f - 1.5 ; ]]>
运行特性数据计算模块103，用于根据所述进风口区域阻力系数进行冷却塔
的最终特性计算，获得冷却塔的运行特性数据；
设计模块104，用于根据所述运行特性数据进行冷却塔的设计。
作为一个较好的实施例，所述进风口相对高度ε的取值范围可以为0.30～
0.50。
作为一个较好的实施例，所述淋水填料阻力系数ξf的取值范围可以为10～
25。
本发明的一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计系统的其它技术特
征与上述一种超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计方法相同，此处不予赘
述。
通过以上方案可以看出，本发明的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设
计方法及系统，为底部直径大于110m、进风口高度大于11m、淋水面积大于
12000m2的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔进风口区域阻力数值计算提供了
解决方法，避免了继续沿用传统的数值计算技术进行冷却塔的进风口区域阻力
系数计算所导致的冷却塔的设计工况与实际运行工况有所偏离的问题，具有更
加广泛的适用性，能够为超大型冷却塔设计中相关阻力计算提供参考和依据，
并最终满足超大型逆流式自然通风湿式冷却塔的设计需要。另外本发明的方法
及系统有效掌握了冷却塔的实际运行状况，对机组运行稳定性和安全性提供了
可靠保障，有效避免了由于计算选型的冷却塔偏小所带来的安全性问题以及计
算选型的冷却塔偏大所带来的初期投资浪费问题，因此具有较好的市场应用前
景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，
但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和
改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附
权利要求为准。