基于冷卻塔氣流流場(chǎng)特征分析的增容改造應(yīng)用

黃蔚雯，方 旭

（1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230051；2.淮北國(guó)安電力有限公司，淮北 235106）

1 設(shè)備概述

淮北國(guó)安電力有限公司一期1號(hào)、2號(hào)機(jī)組于2000年投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)功率為300MW，改造后機(jī)組增容為320MW。循環(huán)水系統(tǒng)為單元制循環(huán)系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配置2臺(tái)功率為1 600kW的SEZ1600－1320型循環(huán)水泵，每臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)配套1臺(tái)5 500m2的雙曲線(xiàn)型、逆流式自然通風(fēng)冷卻塔（冷卻塔高為115m，環(huán)基中心直徑為94 m，進(jìn)風(fēng)口高度為7.8m）。

循環(huán)水泵運(yùn)行方式為：春夏季1臺(tái)機(jī)組配2臺(tái)循環(huán)水泵（1機(jī)2泵）運(yùn)行，秋冬季1機(jī)1泵運(yùn)行。配水系統(tǒng)采用管式配水，分別由主水槽上下兩層接出，負(fù)責(zé)內(nèi)外圍配水。配水管與噴嘴間距均為1.0m，呈正方形布置，配水管由160、200、250mm三種管徑組合，懸掛在除水器下面的承重梁上，內(nèi)圍配水噴嘴口徑為24mm，外圍配水噴嘴口徑為26mm。采用160－45型PVC除水器，擱置在配水管上方的梁上。設(shè)計(jì)單塔最大流量為33 000m3／h，進(jìn)塔水溫為42.45℃，出塔水溫為32.24℃。設(shè)計(jì)氣象條件：干球溫度為31.3℃，濕球溫度為26.5℃，相對(duì)濕度為69%，大氣壓力為98kPa。

2 2號(hào)機(jī)組冷卻塔存在的問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)余量不夠

一定裝機(jī)容量（功率）的燃煤發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)就確定了汽輪機(jī)蒸汽用量、冷卻倍率、循環(huán)水流量和冷卻塔的冷卻能力，即便留有一定的設(shè)計(jì)余量，但在機(jī)組經(jīng)過(guò)增容改造后，原設(shè)計(jì)條件已不能滿(mǎn)足機(jī)組滿(mǎn)發(fā)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求［1］。

在對(duì)機(jī)組擴(kuò)容改造后，循環(huán)水設(shè)計(jì)流量為35 577m3／h，而單開(kāi)一臺(tái)循環(huán)水泵時(shí)設(shè)計(jì)流量?jī)H為17 640m3／h，冷卻塔的流量偏小。此外，水塔內(nèi)、外區(qū)流量分配不均，配水層內(nèi)區(qū)循環(huán)水壓高，流量大，造成局部地區(qū)形成“柱狀”水流，而外區(qū)循環(huán)水壓力低、流量小，使得淋水分配很不均勻。如果單開(kāi)一臺(tái)循環(huán)水泵，外區(qū)靠近塔壁近1m區(qū)域存在很大區(qū)域的“干區(qū)”，相當(dāng)于減少淋水面積約300m2。而冷卻面積的減少使得循環(huán)水與冷卻空氣接觸的機(jī)會(huì)減少，冷卻效果變壞。由于冷水塔外緣與外界接觸面最大，所用進(jìn)入冷水塔起冷卻作用的空氣都要從冷水塔外緣首先進(jìn)入，這些空氣的溫度在最初進(jìn)入冷卻塔時(shí)接近大氣溫度，進(jìn)入冷水塔后由于吸熱而被加熱，因此冷卻塔內(nèi)的淋水與空氣的溫度差由外緣向中心是逐步減少，外緣的無(wú)水區(qū)對(duì)換熱效果的影響非常大。

2.2 設(shè)備老化

由于設(shè)備運(yùn)行了多年，冷卻塔存在淋水填料結(jié)垢及老化、除水器破損、鑄鐵托架?chē)?yán)重銹蝕到達(dá)使用壽命周期等缺陷，導(dǎo)致冷卻效率下降。尤其是夏季，循環(huán)水溫度經(jīng)常處在34～35℃，超過(guò)了設(shè)計(jì)要求的32.24℃。凝汽器真空下降，發(fā)電煤耗上升，影響到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，對(duì)2號(hào)機(jī)組冷卻塔進(jìn)行了技術(shù)改造，改造的原則和目標(biāo)為：擯棄簡(jiǎn)單的更換，采用新技術(shù)，使冷卻塔的冷卻能力達(dá)到和超過(guò)原設(shè)計(jì)水平［2－3］。

3 冷卻塔內(nèi)氣流流場(chǎng)特性的試驗(yàn)分析

改造前，對(duì)2號(hào)機(jī)組逆流式自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行了氣流流場(chǎng)與溫度場(chǎng)性能試驗(yàn)。冷卻塔出塔空氣溫度測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示，雙泵工況冷卻塔出塔空氣溫度分布表如表1所示。

圖1 冷卻塔出塔空氣溫度測(cè)點(diǎn)分布

表1 雙泵工況冷卻塔出塔空氣溫度分布℃

冷卻塔塔內(nèi)溫度場(chǎng)性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：接近中央豎井周?chē)钠骄鏊鉁貫?9.37℃，接近塔壁處4個(gè)方向的出塔氣溫為37.99℃，而從至塔壁所測(cè)得7個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度除個(gè)別異常外，其他溫度值都趨向于中央豎井和近塔壁處這2個(gè)溫度值之間。這說(shuō)明2號(hào)冷卻塔內(nèi)的空氣溫度呈現(xiàn)為梯度分布，中部溫度梯度非常小，豎井中心溫度相對(duì)偏高（空氣量少），最外環(huán)區(qū)域出塔空氣溫度相對(duì)偏低（空氣量多）。這表明2號(hào)冷卻塔中部和外圍換熱能力是不一致的，尤其是最外圍換熱能力尚有富余。因此，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)冷卻塔進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造，可以提高冷卻塔的冷卻效率。

冷卻塔塔內(nèi)氣流流場(chǎng)特性的試驗(yàn)結(jié)果表明：近進(jìn)風(fēng)口區(qū)域的風(fēng)速明顯高于塔中心區(qū)域，并且逐漸降低，這主要是由于冷卻塔的抽力作用特征決定的；另外，由于塔外的干空氣進(jìn)入塔內(nèi)，在淋水運(yùn)行時(shí)，越向中心區(qū)域其空氣的含濕量就越高，空氣密度增大，也就加大了抽風(fēng)的阻力。

4 改造方案

4.1 選擇熱力特性好的淋水填料

淋水填料是冷卻塔進(jìn)行熱交換的關(guān)鍵部件，其熱力性能和阻力特性直接影響冷卻塔的冷卻效果，選擇冷卻系數(shù)高、阻力小的填料方式是更換填料的主要手段。將在電力系統(tǒng)應(yīng)用廣泛、效果好的S波淋水填料作為本次更新的填料，其具有單位體積比表面積大、散熱性能好、孔徑大、凝汽器膠球通過(guò)性好、不易堵塞、阻力小、組裝結(jié)構(gòu)剛度好以及使用耐久性好等優(yōu)越性［4－6］。

淋水填料的布置根據(jù)進(jìn)風(fēng)口（靠塔壁）沿徑向至中央堅(jiān)井不同區(qū)域的氣水比特征作不等高分區(qū)布置，在外圍靠近進(jìn)風(fēng)口區(qū)域適當(dāng)增高，以發(fā)揮此區(qū)域風(fēng)速高、空氣密度低的特點(diǎn)，而在中心區(qū)域保持原填料的高度，以降低此區(qū)域的阻力，達(dá)到配水配風(fēng)相對(duì)合理平衡，從而提高冷卻塔的冷卻效果。

改變?cè)瓉?lái)等高1.0m的填料布置，變?yōu)閺乃行南蛲夥?層布置，逐步升高，高度為1.0、1.125、1.25m，仍然保持2層組合，以保證波形的通暢。冷卻塔內(nèi)半徑為14.95m以?xún)?nèi)，填料高1.0 m，用量為705m3；冷卻塔內(nèi)半徑為14.95～34.174 m內(nèi)，填料高1.125m，用量為3 332m3；冷卻塔內(nèi)半徑為34.174～41.852m（塔壁處）內(nèi)，填料高1.25 m，用量為2 291m3，總計(jì)用量6 328m3，比改造前填料用量5 500m3超出828m3。在近進(jìn)風(fēng)口區(qū)域填料高度雖然增至1.25m，但填料頂面至噴嘴仍有0.75m的間距，噴濺裝置仍有足夠的噴濺高度，能滿(mǎn)足運(yùn)行要求。

4.3 噴濺裝置的更換技術(shù)措施

噴濺裝置的型號(hào)更換為T(mén)P－II型，主要在出水管口徑方面作調(diào)整，以滿(mǎn)足填料更換后對(duì)不同區(qū)域采用不同的出水口徑，達(dá)到不同的淋水密度，使配水配風(fēng)更趨合理均勻。

單嘴流量采用短管出流的表達(dá)式為：

式中：Q為單嘴流量，m3／h；μ為流量系數(shù)，取0.92；A為出水口截面積，m2；g為重力加速度，m／s2；H為工作凈水頭，m。

噴濺裝置的布置方案為：以中央堅(jiān)井為中心，徑向半徑14.98m以?xún)?nèi)，噴嘴口徑為22mm，滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)單嘴流量為4.88t／h，數(shù)量為672套，此區(qū)域流量為3 279t／h；徑向半徑為14.98～26.38m，噴嘴口徑為24mm，滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)單嘴流量為5.83t／h，數(shù)量為1 412套，此區(qū)域流量為8 231t／h；徑向半徑為26.38～35.19m，噴嘴口徑為26mm，滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)單嘴流量為6.72t／h，數(shù)量為1 624套，此區(qū)域流量為10 913t／h；徑向半徑35.19mm至塔壁之間，噴嘴口徑為28mm，滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)單嘴流量為7.53 t／h，數(shù)量為1 536套，此區(qū)域流量為11 566t／h。這些數(shù)據(jù)在計(jì)算時(shí)已考慮了管道各部分的阻力，總流量達(dá)33 989t／h，可滿(mǎn)足夏季內(nèi)外圍同時(shí)供水的流量要求

噴濺裝置的布置方式加大了塔壁邊緣區(qū)的淋水密度和流量，不必再接加長(zhǎng)配水管就解決了盲區(qū)問(wèn)題；另外，因塔壁至第一個(gè)噴嘴的距離不能小于噴濺半徑，如小于噴濺半徑，在大流量時(shí)，會(huì)造成大量壁流水，行成水簾而影響通風(fēng)。

4.4 填料托架的更新

填料托架是淋水填料的支撐構(gòu)件，既承擔(dān)淋水填料運(yùn)行時(shí)的濕態(tài)載荷，還需考慮托架的橫斷面積在保證強(qiáng)度要求的條件下盡可能的小，以減小阻風(fēng)面積。

本次更新采用擠拉成型的高強(qiáng)度玻璃鋼托架，具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、通風(fēng)阻力小、重量輕、整體性好、安裝方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，有效通風(fēng)面積大于90%，比原鑄鐵格柵托架的阻風(fēng)面積增加了14%。玻璃鋼規(guī)格選用I58型，選取填料最大容重為25kg／m2，填料表面結(jié)垢厚度為0.5 mm，運(yùn)行水膜厚度為0.3mm。經(jīng)過(guò)荷載校核為3.5kN，遠(yuǎn)小于玻璃鋼允許校核11kN。

5 試驗(yàn)結(jié)果與運(yùn)行分析

1）改造前 當(dāng)2臺(tái)機(jī)組2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，2號(hào)水塔出塔水溫為21.34℃，1號(hào)水塔出塔水溫也為21.34℃，2號(hào)機(jī)組循環(huán)水溫與1號(hào)機(jī)組相同。這說(shuō)明改造前2個(gè)水塔的冷卻效果是基本一樣的。

2）改造后 當(dāng)2臺(tái)機(jī)組2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，2號(hào)水塔出塔水溫為25.94℃，1號(hào)水塔出塔水溫為27.84℃，2號(hào)機(jī)組循環(huán)水溫比號(hào)1機(jī)組低1.9℃；當(dāng)雙機(jī)4臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)，2號(hào)水塔出塔水溫為31.43℃，1號(hào)水塔出塔水溫為32.24℃，2號(hào)機(jī)組循環(huán)水溫比1號(hào)機(jī)組低1.11℃，則2號(hào)水塔出口水溫比1號(hào)水塔平均降低1.5℃。

按改造后2號(hào)機(jī)組循環(huán)水溫度比1號(hào)機(jī)組平均降低1.5℃計(jì)算，可使機(jī)組微增出力達(dá)0.622%，機(jī)組真空提高約0.60%。由于2號(hào)機(jī)冷卻塔改造成功，隨后對(duì)1號(hào)機(jī)冷卻塔進(jìn)行了同樣的改造，也取得了良好效果，2座冷卻塔至今均運(yùn)行穩(wěn)定。

根據(jù)國(guó)家能源審計(jì)手冊(cè)的規(guī)定，在設(shè)計(jì)條件下，循環(huán)水溫度每降低1℃可使發(fā)電煤耗節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約1.1g／kWh。按照機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)為7 000h，全年發(fā)電量為額定功率40%，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)每噸為500元計(jì)算，2臺(tái)機(jī)組年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為7 392t，年節(jié)約370萬(wàn)元，可在一年內(nèi)回收成本。

6 結(jié)語(yǔ)

冷卻塔改造不應(yīng)僅僅是對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行簡(jiǎn)單的更換，必須根據(jù)冷卻塔塔內(nèi)氣流流場(chǎng)的分布特性，采取必要的技術(shù)措施，對(duì)淋水填料和噴濺裝置采取相適應(yīng)的布置方法。這樣不僅可以合理改善塔內(nèi)氣流流場(chǎng)，降低局部阻力，同時(shí)由于采用性能優(yōu)良的冷卻部件，最終可以提高冷卻塔的冷卻效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

［1］王曉平，吳揚(yáng)輝.大唐新余電廠號(hào)2機(jī)組B修前逆流式自然通風(fēng)冷卻塔性能試驗(yàn)報(bào)告［R］.南昌：江西省電力科學(xué)研究院，2009.

［2］李青，張興營(yíng)，劉學(xué)冰.火力發(fā)電廠節(jié)能評(píng)價(jià)與能源審計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［3］劉濤，胡三季，陳玉玲.300MW機(jī)組冷卻塔熱力效果分析及技術(shù)改進(jìn)［J］.熱力發(fā)電，2009（8）：102－103.

［4］陳尚娟，王洪玉.冷卻塔調(diào)研報(bào)告［R］.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，1990.

［5］朱信義.華能德州電廠冷卻塔改造［J］.電力技術(shù)，2009（9）：35－37.

［6］胡三季，王明勇，陳玉玲.12 000m2自然通風(fēng)冷卻塔的熱力性能試驗(yàn)［J］.熱力發(fā)電，2012（3）：89－90.