600 MW火電機組冷卻塔加裝進風導流裝置的設計與實踐

周 昊，郝紅亮

(國電蚌埠發電有限公司 設備管理部，安徽 蚌埠 233411)

0 引言

自然通風冷卻塔是火電廠中重要的冷端設備之一，其性能對火電機組運行的熱經濟性和安全性有較大的影響[1，2]。冷卻塔的出塔水溫是反映冷卻塔綜合冷卻性能的重要指標[3～5]，對于閉式循環水系統，冷卻塔的出塔水溫就是凝汽器的進口水溫，其每降低1℃，將使凝汽器壓力降低0.3～0.4kPa，發電標準煤耗率降低約0.8 g/kW·h。

一般情況下，冷卻塔的高度、喉部直徑、入風口高度、填料型號、填料面積及高度、水塔底部直徑確定以后，冷卻塔的冷卻能力就基本確定了。但運行過程中，冷卻塔的冷卻性能受很多因素的影響，例如:風量、風向、風溫、相對濕度、塔內空氣流場分布、填料有效面積等。對于自然通風冷卻塔，環境風場周向分布不均勻是影響其冷卻性能的主要因素之一[6～9]。因此，在冷卻塔進風口處加裝導流裝置 (也稱導向板，以下同)，以改善冷卻塔進風口處的環境風場，對于提高冷卻塔的冷卻性能、降低發電標準煤耗率具有重要的意義。本文以國電蚌埠發電有限公司1號機組(600 MW)自然通風冷卻塔為例，對進風導流裝置進行了設計和工程實踐，并通過對實測數據的對比分析，驗證了該裝置的性能。

1 冷卻塔進風導流裝置的工作原理

自然通風冷卻塔一般采用雙曲線旋轉殼體(塔筒)模式，殼體由底部沿圓周均勻分布的人字柱支撐。殼體內由淋水構架、淋水填料、配水系統、除水器等部件構成塔芯。人字柱上部的環梁與集水池池壁上部形成的空間，就是冷卻塔的進風口。

1.1 環境風對自然通風冷卻塔冷卻性能的影響

自然通風冷卻塔是依靠塔內外的空氣密度差產生壓差，使空氣源源不斷地流進塔內，在與熱水傳熱、傳質過程中帶走熱量。在無風狀態下，空氣在冷卻塔內部各點的速度是不同的，因此一旦受到外部自然風波動的影響，塔內的空氣就會產生波動、局部部位形成漩渦。如圖1所示，漩渦區可達冷卻塔內部總空間的1/3，甚至更大，影響了冷卻塔的冷卻效率。另外，由于環境自然風同時穿越冷卻塔內部的淋水區和冷卻塔周邊外部區，也會形成塔內外的空氣壓力差，出現局部漩渦，阻礙空氣進入冷卻塔。根據測試數據表明，進入冷卻塔的空氣的水平區域，一般不會超過進風口的高度。

由此可見，環境風將導致塔內氣水流場分布不均，引起相間熱質交換過程惡化，從而使得自然通風冷卻塔冷卻性能惡化，出塔水溫升高。

圖1 冷卻塔內的渦流區Fig.1 Eddy current zone in air cooling tower

1.2 進風導流裝置對自然通風冷卻塔的影響

如圖2所示，進風導流裝置安裝在冷卻塔進氣窗的前部，是由若干豎向檔板組成的冷導向裝置，豎向檔板的最佳位置和角度是根據冷卻塔的具體參數確定的。加裝進風導流裝置，可使進入冷卻塔的空氣成切線方向進入，在塔內部形成了穩定的旋轉上升氣流。一方面，減少了冷卻水塔內部的渦流區，改善了塔內的空氣動力條件，提高了冷卻水塔的冷卻效率;另一方面，使得進入冷卻塔的冷卻空氣沿徑向更深、更均勻地貫穿于冷卻塔的整個噴濺區域，延長了空氣與冷卻水的傳熱、傳質時間，避免了空氣流的不均勻分配、出現停滯帶、返流現象，進一步降低了冷卻塔內的冷卻水溫度，有效地提高了冷卻塔的熱交換率。

圖2 冷卻塔進風導流裝置Fig.2 Guide plate at cooling tower air-inlet

2 冷卻塔進風導流裝置的設計

2.1 國電蚌埠發電有限公司冷卻塔參數

國電蚌埠發電有限公司1號冷卻塔的通風筒采用雙曲線型現澆鋼筋混凝土結構，塔高150.6 m，喉部標高119.8 m，進風口標高9.8 m，塔頂外半徑36.0 m，喉部中面半徑33.0 m，進風口中面半徑54.2 m，塔底部集水池內徑121.7 m，內底標高-2.0 m。冷卻塔的通風筒由48對人字柱與基礎連接，人字柱采用Φ800 mm預制鋼筋混凝土結構。主水槽呈十字正交布置，管式壓力配水。在冷卻塔進風口區設置十字玻璃鋼擋風墻，其規格為5 500×1 000×30 mm。冷卻塔設計出水溫度為20℃，設計冷卻水量為19.4 m3/s。

2.2 進風導流裝置的設計參數

冷卻塔進風導流裝置按夏季主導風向進行設計，同時兼顧春秋季工況。本文以國電蚌埠發電有限公司1號冷卻塔為例，經過數值模擬、熱態試驗及風洞試驗，優化設計了冷卻塔進風導流裝置的結構參數和安裝角度。如圖3所示，沿冷卻塔圓周方向布置了84塊導流板，共分為16組，每一組內的導流板用拉筋連接，以增加強度。

導流板為鋼筋砼結構，厚度為20 cm，其剖面圖如圖4所示。

圖3 冷卻塔進風導流裝置布置平面圖Fig.3 Planar graph of guide plate installation

導流板的安裝位置和安裝角度可分為7種，

圖4 導流板剖面圖Fig.4 Cross section of guide plate

如表1所示。

表1 導流板的安裝參數Tab.1 Installation parameters of guide plate

3 冷卻塔進風導流裝置的實踐

國電蚌埠發電有限公司共有兩臺同型號600 MW超臨界機組，其中，1號冷卻塔于2010年10月～12月加裝了進風導流裝置，2號冷卻塔未加裝進風導流裝置。為了驗證冷卻塔進風導流裝置的性能，對2011年4月份1號、2號機組相同負荷下的冷卻塔運行數據進行了對比分析，共采集數據687組，如圖5所示。

從圖5可以看出，加裝冷卻塔進風導流裝置后，冷卻塔內水的溫降平均增加了1.2℃，即凝汽器入口冷卻水溫平均下降了1.2℃。

4 經濟效益分析

針對國電蚌埠發電有限公司1號冷卻塔加裝進風導流裝置，進行了熱經濟性計算。根據背壓對機組熱耗的修正曲線，背壓每變化1 kPa，標準煤耗率變化1.0%。機組發電標準煤耗率為306 g/kW·h，年滿負荷發電小時數為6 000 h，標煤價格為800元/t，凝汽器入口冷卻水溫平均下降了1.2℃。經計算，可得不同工況下的年節標煤、年節約燃料費，如表2所示。

圖5 冷卻塔內水的溫降與入塔水溫的關系Fig.5 Relationship between temperature drop and inlet temperature

表2 熱經濟性計算結果Tab.2 Calculation results of thermal economy

從表2可以看出，冷卻水溫對年節約標煤的數量有較大的影響。冷卻水溫越高，加裝進風導流裝置所節約標煤量越多，其效果越明顯。按全年平均冷卻水溫為25℃計算，年可節約燃料費317.3萬元。該冷卻塔進風導流裝置共需投資800萬元，靜態投資回收期約為2.6年。

5 結論

本文以國電蚌埠發電有限公司600 MW自然通風冷卻塔為例，對進風導流裝置進行了設計和工程實踐，取得了如下結論:

(1)經過數值模擬、熱態試驗及風洞試驗，對冷卻塔進風導流裝置進行了優化設計，得到了進風導流裝置的結構參數及安裝角度。

(2)通過對實測數據的對比分析，加裝進風導流裝置可使凝汽器進口水溫降低1.2℃，年節約燃料費317.3萬元，投資回收期2.6年。

(3)冷卻塔進風導流裝置能夠有效改善塔內外的空氣流場，提高冷卻塔的冷卻效率。

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