提高冷卻塔效率的可調引風換熱和填料差異化布置技術

戴 軍， 鄒曉輝， 徐厚達， 王 偉， 張佳偉

（1.中國華電集團江蘇分公司，江蘇南京 210000；2.華電電力科學研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

火力發電以朗肯循環為基礎。燃料在鍋爐中燃燒放出熱量，水在鍋爐吸熱成為過熱蒸汽，過熱蒸汽進入汽輪機膨脹做功，做功后的乏汽被排到凝汽器冷凝，向循環冷卻水放熱，攜帶廢熱的冷卻水再通過冷卻塔將熱量傳給環境空氣。電廠凝汽器的低溫狀態由循環冷卻水系統來保證，因此循環水的冷卻在電力生產中至關重要。冷卻塔就是通過空氣與水之間的傳熱和傳質將循環水冷卻的設備。

冷卻塔性能的好壞對火電廠運行的經濟性和穩定性有很大影響。冷卻塔換熱能力低或者運行不穩定，進入凝汽器的冷卻水溫便會升高，使機組真空、熱耗指標變差，降低機組帶負荷能力；寒冷季節，冷卻塔外圍換熱較強形成冰簾，造成填料、托架的損壞，使冷卻塔通風變差、換熱能力下降。

在不考慮冷卻塔設計與機組運行因素的前提下，影響冷卻塔換熱效率的主要因素：1）配水管路堵塞及噴水蝶閥故障等造成的布水不均勻；2）環境風速、溫度的造成的塔內流場的不均勻性；3）填料損壞或存在雜物造成液膜厚度差異等。目前，冷卻塔的研究主要集中在數值模擬[1～5]，通過各種算法模擬冷卻塔內部溫度場及風速場，尋求通過改變塔內流場達到提高冷卻塔換熱效率的目的。冷卻塔的節能多集中在優化噴淋裝置[6，7]，采用淋水特性好的噴淋裝置提高塔內淋水均勻度。上述研究為提高冷卻塔換熱能力起到了積極的推動作用，但目前研究中很少涉及冷卻塔分區域控制，不能根據環境風向、風速變化實現流場控制，冷卻塔進風量不能有效調整，冬季掛冰嚴重，冷卻塔性能尚有較大的提升空間。

本文在深入分析冷卻塔設計和運行條件的基礎上，研究冷卻塔強化換熱的途徑，提出一種可調引風換熱和淋水填料差異化布置技術，以提高冷卻塔換熱能力，通過數值模擬和工程應用，驗證本文方法的有效性。

1 可調引風換熱裝置

目前冷卻塔均為自然通風方式，冷卻塔內部配風方式受環境風和電廠冷卻塔布局有關，通過人為方式無法進行改變。在冷卻塔外圍加裝自動啟閉式擋風裝置，根據環境條件改變引風板的開啟數目與角度，改變塔內的配風方式，使水膜厚度、落水時間及風速相配合，強化冷卻塔換熱效果，同時通過控制進風量解決冬季冷卻塔掛冰現象，提高機組運行安全性，降低填料更換頻率，節省填料維護成本。

在不破壞原冷卻塔結構（老塔改造工程中）及不影響冷卻塔正常運行為前提，擋風裝置安裝不增加原塔的通風面積阻力，在夏季可調引風裝置無需拆除，保證冷卻塔的運行效果。1）人字柱在水池壁外。以距地面人字柱外邊緣大于1000㎜為圓心的地面為基點；2）人字柱在水池壁內。以距水池外壁的地面為基點。垂直于地面，高于進風口高度，通風面積大于原冷卻塔通風面積的基礎上形成“□”框架結構，設四層引風板。“□”框架與冷卻塔塔筒之間用與水平成8°～10°的頂棚覆蓋阻止冬季進風。

擋風裝置的結構由框架式鋼結構部分、引風板、機械傳動機構、頂棚鋼結構、頂棚板五大部分組成。

引風板的技術要求如下：

1）引風板材質為新型合聚型的高分子材料，經雙螺桿擠出機一次擠出成型。結構尺寸穩定，機械強度高；2）引風板承載力為650N/m2，跨中撓度小于等于1/120；經緯向抗彎強度大于等于32MPa；3）外形平整，表面色澤均勻，無分解變色線，光滑，無裂紋及氣泡等缺陷。其立面布局和單元結構如圖1和圖2所示。

頂棚板的技術要求如下：

1）頂棚板采用玻璃鋼夾鋼薄板厚度δ為4mm，以加強其剛度，確保其能承受塔頂冬季掛冰墜落而不損壞。其制作主材為不飽和聚酯樹脂和中堿或無堿玻璃纖維布；2）頂棚板承載力為650N/m2，跨中撓度小于等于1/120，經緯向抗彎強度大于等于150MPa；3）外觀：外形平整，表面色澤均勻，光滑，無龜裂、分層氣泡等現象。

通過蝸輪蝸桿減速器手動，由輸出軸上的鏈輪帶動鏈條將運動傳遞到擋風裝置底層的主軸鏈輪上，鏈輪帶動主軸旋轉。由于引風板、主軸、鏈輪和傳動連桿連接板的位置相對固定，因此引風板和傳動連桿連接板作旋轉運動，傳動連桿連接板帶動連桿作曲線運動，傳動連桿通過帶動引風板下層的各傳動連桿連接板帶動引風板上層各轉軸作同步的旋轉運動，實現單元內同層的引風板作同步旋轉運動。此次引風板改造，關、閉選擇上層、下層單獨執行操作，中間二層同時執行，從而實現引風板根據季節變化，靈活操作控制。現場應用情況如圖3和圖4所示。

2 冷卻塔熱力和空氣動力計算方法選取

冷卻塔的熱力計算方法可分為兩類。一類是根據冷卻塔內水和空氣之間的傳熱傳質，按蒸發冷卻理論推導出來的理論公式計算法；另一類是按經驗公式計算法。目前世界各國多采用理論公式計算法，且基本采用焓差法。

2.1 傳統一維熱力和空氣動力計算方法

該計算方法前提條件：塔內淋水填料高度相同；在填料的全斷面配風、配水均勻。該計算方法沒有考慮淋水密度、雨區高度、配水系統形式以及風速等因素的影響。該方法獲得的塔總阻力較實際偏高約10%～40%，大部分偏高15%～25%。

其熱力和空氣動力計算采用的計算公式為：

總阻力系數：

式中 g—重力加速度，m/s2；

ρ1，ρ2—進、出塔空氣密度，kg/m3；

He—塔筒的有效抽風高度，取淋水填料中部至塔頂的高差，m；

P—塔的總阻力，Pa；

ξ—塔的總阻力系數；

ρm—進塔和出塔的空氣平均密度，kg/m3；

Vf—填料斷面的平均空氣流速，m/s；

D1—塔進風口平均直徑，m；

Hi—進風口高，m；

Fm—淋水填料頂面塔內壁包圍的面積，m2；

Fe—塔出口面積，m2；

ξf—淋水填料的阻力系數；

ξe—除水器阻力系數。

2.2 修正一維熱力和空氣動力計算方法

該方法前提條件為：塔內淋水填料高度相同；配風、配水均勻；考慮雨區二維氣流流場特點及實際工業塔的雨區散熱能力；采用考慮雨區二維流場的阻力計算公式計算塔的阻力；把模擬試驗塔試驗得到的淋水填料冷卻數方程進行修正，從中減去模擬塔雨區尾效部分，同時加上實際工業塔的雨區尾效散熱。修正一維計算方法采用的計算公式為：

模擬塔雨區高度為1.5m，雨區冷卻數方程為：

對于塔的填料底部內徑D=60～110m，進風口高度為Hp=5.75～11m（約為淋水面積3000～9500m2），進風口相對高度ε=0.38～0.40，不同高度的冷卻數可按下式計算：

塔抽力：Hnd=Heg（ρ1-ρ2）

總阻力：p=ξρmV/2

總阻力系數：ξ=ξ1+ξ2+ξ3

式中 ξ1—從塔的進風口至塔喉部的阻力系數（不包括雨區淋水阻力）；

ξ2—淋水時雨區阻力系數；

ξ3—塔出口阻力系數；

ε—進風口相對高度，即塔進風口面積（按進風口上沿直徑的進風環向面積）與進風口上緣塔內面積之比；

D—淋水填料底部塔內直徑，m；

q—淋水密度，m3/（h·m2）；

Vm—填料斷面的平均風速，m/s。

2.3 二維數值模擬熱力和空氣動力計算方法

傳統一維計算方法，適用于計算塔筒幾何尺寸較小，塔內淋水填料高度相同，在填料的全斷面配風、配水均勻的情況。實際上塔內的氣流速度分布并不均勻，而且在淋水填料底部至冷卻塔貯水池水面之間的雨區中氣流是二維流動。采用二維數值模擬計算方法對冷卻塔進行配水配風的優化設計計算是十分必要的。二維優化計算不僅較真實的反映了冷卻塔的冷卻能力，可以在不改變冷卻塔尺寸的情況下降低出塔水溫，提高冷卻效果，從而提高發電能力，或者在較小的冷卻塔尺寸的情況下滿足冷卻要求。二維計算方法雖然較為精確，但是計算工作甚為復雜，計算工作量大，計算周期長，一般一個塔型計算需時一個月以上。

2.4 不同計算方法性能分析

某電廠自然通風冷卻塔，凈淋水面積F為9075m，塔高H為150.1m，進風口高Hi為10.0m，喉部高Hu為12.48m，喉部直徑Du為66.5m，塔頂直徑Dout為71.17m，進風口上沿直徑Ds為110.72m。管式配水，噴頭為XPH型，除水器為BO-42/145，淋水填料為雙向波，高1.0m。塔的冷卻水量Q為70 900m3/h，冷卻水溫差Δt為8.67℃，大氣壓力Pa為99.75kPa，干球溫度θ為30.57℃，相對濕度Φ為0.64。按上述條件采用傳統一維、修正一維和二維方法計算的冷卻水溫見表1。

表1 不同計算方法與實測冷卻水溫比較

由表1可知，修正一維和二維計算方法的計算結果與實際測試結果基本相當，而傳統一維計算方法有較大誤差。冷卻塔二維數值模擬計算方法計算復雜、計算周期長、費用較高，鑒于修正一維和二維方法的計算結果與實際測試結果基本相當，故本文采用修正一維計算方法進行冷卻塔的數值模擬。

3 冷卻塔填料差異化布置技術

通過冷卻塔現場觀察及分析冷卻塔的換熱機理可以發現，由于冷卻塔面積大，假定噴水蝶閥完全一致的前提下，沿冷卻塔半徑方向上淋水密度依然會存在差異，目前廣泛采用的淋水填料的等高布置方式未考慮該部分影響。本文充分考慮塔內淋水密度差異，優化淋水填料布置厚度，采用沿冷卻塔徑向劃分區域，不同區域采用不同厚度的淋水填料方式，使得填料的水膜厚度與落水時間相匹配，使換熱效果最大化。

3.1 淋水填料優化布置方式

冷卻塔四周和塔內相比風量分布較大，為充分利用冷卻塔四周風量分布較大的特點，冷卻塔采取淋水填料分區布置，這樣能充分發揮冷卻塔外區淋水填料的冷卻能力，調整冷卻塔內淋水區域進塔空氣氣流的分布，使冷卻塔的冷卻能力得以進一步提高，針對冷卻塔的實際情況，冷卻塔淋水填料分內、中、外三個區域布置，淋水填料布置方式為：沿徑向在0～16m范圍內布置高度為1.0m淋水填料；沿徑向在16～23m范圍內布置高度為1.25m淋水填料；沿徑向在23m～塔周范圍內布置高度為1.0m淋水填料。

同時噴濺裝置配水也采取和淋水填料對應的區域配水，這樣加大外區的淋水密度，充分利用冷卻塔外區的空氣氣流，達到最大限度的發揮淋水填料的冷卻能力。

3.2 冷卻塔數值模擬和結果分析

采用修正一維熱力和空氣動力計算方法進行冷卻塔填料差異化布置的數值模擬。自然風風速為零時，計算域空氣進口取壓力入口邊界條件，空氣出口取壓力出口邊界條件，塔壁和地面取無滑移邊界條件。填料層對空氣運動的阻力作用，采用多孔階躍模型實現。冷卻水自配水面向下垂直進入計算域，取配水面冷卻水參數為進塔冷卻水的初始參數。

大氣壓力100.05kPa，環境干球溫度25.5℃，環境濕球溫度19.8℃，冷卻水流量22763t/h，進塔水溫度36.6℃，出塔水溫度24.6℃。填料厚度1m，冷卻塔淋水密度、塔內溫度模擬結果如圖5所示，工況計算總溫降為12.78℃。

采用差異化布置后，冷卻塔淋水密度、塔內溫度模擬結果如圖6所示，工況計算總溫降為13.02℃。

4 實際應用及結果分析

表2 改造前后冷卻塔指標對比

某電廠4號汽輪機是由武漢汽輪電機（集團）有限責任公司設計制造，為N150-13.24/535/535型、單軸、雙1.5%～2%，含氮分6%計算，改造后機組年二氧化碳排放減少4125t，年減少SO2排放約45t，年減少NO2排放222t，對減輕環境壓力具有重要意義。

5 結語

本文提出的可調引風換熱和淋水填料差異化布置技術，可以根據負荷、環境溫度、環境風速和風向的變化，調整冷卻塔進風量，實現淋水密度、落水時間、進風量等參數的最佳匹配，冷卻塔冷卻能力得到明顯提高。該技術通過引風裝置進行分區域控制，實現了冷卻塔內流場可控；在可調引風裝置頂部與冷卻塔之間設置頂棚，形成換熱緩沖區，通過調節引風裝置開度及數量，有效防止了冷卻塔外沿冬季結冰；突破了傳統的淋水填料等高布置方式，結合淋水密度分區域布置合適的淋水填料厚度，使水膜與落水時間相協調，實現了冷卻水在淋水填料上的充分換熱。通過在150MW冷卻塔的實際應用，冷卻塔冷卻能力提高了約7%，機組供電煤耗降低了約1.5g/（kW·h），取得了較好的節能效果。缸雙排氣、超高壓、一次中間再熱、凝汽式汽輪機。機組冷卻塔改造前效率為91.72%，比設計值99%低7.18%。

將本文提出的可調引風換熱和淋水填料差異化布置技術在該機組上進行應用實施，改造后冷卻塔的性能指標見表2。由表2可知，冷卻溫差增加了0.27℃，效率系數提高了1.61，通風量增大了284kg/s，改造后冷卻塔整體冷卻效果得到了有效提升，說明通過可調引風換熱和淋水填料差異化布置強化了塔內的整體傳熱傳質，達到了增強冷卻效果的目的。

改造后冷卻塔效率達到99%，較改造前提高了7.18%，機組供電煤耗降低了約1.5g/（kW·h），假定機組年利用小時數為5000h，機組年節煤量為1125t，標煤單價為800元/t，機組因節煤帶來的經濟收益約為90萬。同時，該方法可有效控制循環水飄冷引起的水損失，降低我國在運火電機組平均耗水率，達到節水的效果，使得國內機組平均耗水率由目前的1m3/（GW·h）向發達國家的0.73m3/（GW·h）靠近。以年節約標煤1125t，進爐煤含硫分

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