600 MW火電機組冷卻塔加裝進風導(dǎo)流裝置的設(shè)計與實踐

周 昊，郝紅亮

(國電蚌埠發(fā)電有限公司 設(shè)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(shè)備之一，其性能對火電機組運行的熱經(jīng)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(huán)水系統(tǒng)，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(fā)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(nèi)空氣流場分布、填料有效面積等。對于自然通風冷卻塔，環(huán)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(dǎo)流裝置 (也稱導(dǎo)向板，以下同)，以改善冷卻塔進風口處的環(huán)境風場，對于提高冷卻塔的冷卻性能、降低發(fā)電標準煤耗率具有重要的意義。本文以國電蚌埠發(fā)電有限公司1號機組(600 MW)自然通風冷卻塔為例，對進風導(dǎo)流裝置進行了設(shè)計和工程實踐，并通過對實測數(shù)據(jù)的對比分析，驗證了該裝置的性能。

1 冷卻塔進風導(dǎo)流裝置的工作原理

自然通風冷卻塔一般采用雙曲線旋轉(zhuǎn)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(nèi)由淋水構(gòu)架、淋水填料、配水系統(tǒng)、除水器等部件構(gòu)成塔芯。人字柱上部的環(huán)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(huán)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(nèi)外的空氣密度差產(chǎn)生壓差，使空氣源源不斷地流進塔內(nèi)，在與熱水傳熱、傳質(zhì)過程中帶走熱量。在無風狀態(tài)下，空氣在冷卻塔內(nèi)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(nèi)的空氣就會產(chǎn)生波動、局部部位形成漩渦。如圖1所示，漩渦區(qū)可達冷卻塔內(nèi)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(huán)境自然風同時穿越冷卻塔內(nèi)部的淋水區(qū)和冷卻塔周邊外部區(qū)，也會形成塔內(nèi)外的空氣壓力差，出現(xiàn)局部漩渦，阻礙空氣進入冷卻塔。根據(jù)測試數(shù)據(jù)表明，進入冷卻塔的空氣的水平區(qū)域，一般不會超過進風口的高度。

由此可見，環(huán)境風將導(dǎo)致塔內(nèi)氣水流場分布不均，引起相間熱質(zhì)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(nèi)的渦流區(qū)Fig.1 Eddy current zone in air cooling tower

1.2 進風導(dǎo)流裝置對自然通風冷卻塔的影響

如圖2所示，進風導(dǎo)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(dǎo)向裝置，豎向檔板的最佳位置和角度是根據(jù)冷卻塔的具體參數(shù)確定的。加裝進風導(dǎo)流裝置，可使進入冷卻塔的空氣成切線方向進入，在塔內(nèi)部形成了穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)上升氣流。一方面，減少了冷卻水塔內(nèi)部的渦流區(qū)，改善了塔內(nèi)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(qū)域，延長了空氣與冷卻水的傳熱、傳質(zhì)時間，避免了空氣流的不均勻分配、出現(xiàn)停滯帶、返流現(xiàn)象，進一步降低了冷卻塔內(nèi)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(dǎo)流裝置Fig.2 Guide plate at cooling tower air-inlet

2 冷卻塔進風導(dǎo)流裝置的設(shè)計

2.1 國電蚌埠發(fā)電有限公司冷卻塔參數(shù)

國電蚌埠發(fā)電有限公司1號冷卻塔的通風筒采用雙曲線型現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(nèi)徑121.7 m，內(nèi)底標高-2.0 m。冷卻塔的通風筒由48對人字柱與基礎(chǔ)連接，人字柱采用Φ800 mm預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主水槽呈十字正交布置，管式壓力配水。在冷卻塔進風口區(qū)設(shè)置十字玻璃鋼擋風墻，其規(guī)格為5 500×1 000×30 mm。冷卻塔設(shè)計出水溫度為20℃，設(shè)計冷卻水量為19.4 m3/s。

2.2 進風導(dǎo)流裝置的設(shè)計參數(shù)

冷卻塔進風導(dǎo)流裝置按夏季主導(dǎo)風向進行設(shè)計，同時兼顧春秋季工況。本文以國電蚌埠發(fā)電有限公司1號冷卻塔為例，經(jīng)過數(shù)值模擬、熱態(tài)試驗及風洞試驗，優(yōu)化設(shè)計了冷卻塔進風導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝角度。如圖3所示，沿冷卻塔圓周方向布置了84塊導(dǎo)流板，共分為16組，每一組內(nèi)的導(dǎo)流板用拉筋連接，以增加強度。

導(dǎo)流板為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，厚度為20 cm，其剖面圖如圖4所示。

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

導(dǎo)流板的安裝位置和安裝角度可分為7種，

圖4 導(dǎo)流板剖面圖Fig.4 Cross section of guide plate

如表1所示。

表1 導(dǎo)流板的安裝參數(shù)Tab.1 Installation parameters of guide plate

3 冷卻塔進風導(dǎo)流裝置的實踐

國電蚌埠發(fā)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(dǎo)流裝置，2號冷卻塔未加裝進風導(dǎo)流裝置。為了驗證冷卻塔進風導(dǎo)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(shù)據(jù)進行了對比分析，共采集數(shù)據(jù)687組，如圖5所示。

從圖5可以看出，加裝冷卻塔進風導(dǎo)流裝置后，冷卻塔內(nèi)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(jīng)濟效益分析

針對國電蚌埠發(fā)電有限公司1號冷卻塔加裝進風導(dǎo)流裝置，進行了熱經(jīng)濟性計算。根據(jù)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(fā)電標準煤耗率為306 g/kW·h，年滿負荷發(fā)電小時數(shù)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(jīng)計算，可得不同工況下的年節(jié)標煤、年節(jié)約燃料費，如表2所示。

圖5 冷卻塔內(nèi)水的溫降與入塔水溫的關(guān)系Fig.5 Relationship between temperature drop and inlet temperature

表2 熱經(jīng)濟性計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of thermal economy

從表2可以看出，冷卻水溫對年節(jié)約標煤的數(shù)量有較大的影響。冷卻水溫越高，加裝進風導(dǎo)流裝置所節(jié)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(jié)約燃料費317.3萬元。該冷卻塔進風導(dǎo)流裝置共需投資800萬元，靜態(tài)投資回收期約為2.6年。

5 結(jié)論

本文以國電蚌埠發(fā)電有限公司600 MW自然通風冷卻塔為例，對進風導(dǎo)流裝置進行了設(shè)計和工程實踐，取得了如下結(jié)論:

(1)經(jīng)過數(shù)值模擬、熱態(tài)試驗及風洞試驗，對冷卻塔進風導(dǎo)流裝置進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了進風導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝角度。

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

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

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