600 MW機組冷卻塔風水匹配強化換熱改造研究

項 林 郝慶豐

淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠

1 前言

從機組冷端系統(tǒng)著手，提高汽輪機組冷端性能，投入小、見效快，是電廠節(jié)能降耗、提高機組熱經(jīng)濟性、實現(xiàn)效益最大化的最佳途徑。對600 MW機組凝汽器冷卻水進口溫度（即冷卻塔出塔水溫）降低1℃，汽輪機排汽溫度也降低1℃，相當于凝汽汽背壓降低0.35～0.4 kPa，影響機組煤耗近1 g/kWh。對于閉式循環(huán)供水冷卻的機組而言，冷卻塔是機組冷端系統(tǒng)中最重要的輔助設備，循環(huán)冷卻水進口溫度與電廠所處地域氣候和環(huán)境影響因素外，冷卻塔的散熱性能的高低起到至關(guān)重要的作用。

2 設備概況

某電廠兩臺汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)的型號為N600-24.2/566/566的超臨界、一次中間再熱、雙背壓、反動凝汽式汽輪機（簡稱1號機、2號機）。1號、2號機各配用一臺N-36000型凝汽器和一座9 000 m2逆流式自然通風冷卻塔，冷卻能力為100.1%。冷卻塔設計參數(shù)見表1。

表1 冷卻塔主要設計參數(shù)

3 強化換熱技術(shù)原理及研究內(nèi)容

傳統(tǒng)技術(shù)改造的技術(shù)原理主要是依據(jù)冷卻塔的設計模型：冷卻塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)模型為“一維均風”模型。該模型認為冷卻塔內(nèi)的所有傳熱與傳質(zhì)都發(fā)生在填料區(qū)（即忽略配水區(qū)與雨區(qū)的換熱），且空氣在填料區(qū)是一維運動；同時認為塔內(nèi)空氣在填料斷面處其速度場、濕度場都是均勻分布的。在這樣的設計理念下，冷卻塔的最佳換熱狀態(tài)被認為是均勻配水的狀態(tài)，即填料斷面各處的淋水密度盡可能相同，為配合換熱，填料也被布置為統(tǒng)一高度。冷卻塔達到設計換熱效率（換熱能力），即在設計氣象條件下的實際循環(huán)水溫降與設計溫降相等為100%（國標中定義100±5%為達到設計冷卻能力）。

由于實際冷卻塔工作過程與模型有較大差異，使得真實冷卻塔內(nèi)進風與布水間沒有真正做到數(shù)量與換熱能力相匹配，從而使冷卻塔從設計狀態(tài)下就存在強化換熱空間。研究表明由于真實條件下冷卻塔內(nèi)進風與布水間的不匹配導致冷卻塔出水溫度相對于設計出塔水溫仍有近4℃的優(yōu)化空間。冷卻塔強化換熱技術(shù)即是以此為依據(jù)，通過人為調(diào)節(jié)進風或調(diào)整塔內(nèi)布水，使塔內(nèi)進風與布水在各特征物理場上相匹配（溫度場、濕度場、速度場），從而獲得超設計冷卻能力的換熱效果。主要研究內(nèi)容包括以下幾點：

1）風水匹配強化換熱研究和改造技術(shù)的依據(jù)是自然通風逆流式冷卻塔的實際運行情況與模型設計存在較大出入，所以首先需要收集目標冷卻塔的設計資料（圖紙、設計數(shù)據(jù)）及運行參數(shù)，并對改造前塔效及存在的問題進行評估。

2）應用大型商用流體計算軟件對冷卻塔進行CFD（計算流體動力學）全三維建模精確計算，以摸清實際冷卻塔內(nèi)吸熱側(cè)濕空氣和放熱側(cè)循環(huán)水的溫度場、速度場、濕度場的分布情況。

3）在充分確認實際冷水塔內(nèi)各物理場分布情況的基礎上，重新設計冷卻塔配水系統(tǒng)及其填料的布置方式。

4）按重新確定設計的冷卻塔改造方案施工，更換全部噴淋裝置（無中空防水幕噴淋裝置），進行重新布水，采用分多區(qū)布水（原配水管道不動），對塔內(nèi)淋水填料按方案要求進行分區(qū)不等高重新布置。

5）進行塔內(nèi)分區(qū)配水調(diào)試，調(diào)整填料高度，以達到最佳匹配。

6）對改造后的冷卻塔進行塔效評估試驗。

4 冷卻塔數(shù)值模擬及特點

4.1 冷卻塔數(shù)值模擬分析

按照原塔設計結(jié)構(gòu)參數(shù)，對自然通風冷卻塔進行三維建模對填料區(qū)從中心到塔壁細分為A、B（等分B1/B2/B3/B4）、C（等分C1/C2）和D（等分D1/D2）四個大區(qū)域（九塊小區(qū)域），如圖1所示。

圖1 自然通風冷卻塔填料層細分區(qū)域示意圖

以冷卻塔的工藝數(shù)值為輸入值，在計算機數(shù)值模擬計算軟件中，計算冷卻塔內(nèi)的質(zhì)量、能量和動量平衡方程，分析塔內(nèi)流場具體分布情況。

對比填料和噴淋（均布、低壓降）情況下、非均勻填料和布水（非均布、高壓降）情況下的流場對比。下面幾組云圖對比，沒給出色標，僅僅用于趨勢分析。

由圖2速度分布圖可以看出，隨著壓力降的增大，填料層內(nèi)速度分布逐漸均勻化。（由于淋水區(qū)的阻力作用，填料層下部塔中心很難有空氣進入，這個區(qū)域也是豎井的位置，該區(qū)域基本不發(fā)生傳質(zhì)交換）

圖2 自然通風冷卻塔縱剖面速度分布示意圖

圖3 自然通風冷卻塔填料層（中）速度分布示意圖

表1 冷卻塔數(shù)值模擬計算值

由圖3看出，均布填料層（左圖）的速度分布類似一個凹形火山，非均勻填料和布水（右圖）隨著非均勻化布置之后壓力降的增大“火山”高趨于平緩。

由表1數(shù)據(jù)可以看出由于填料層和噴淋、雨區(qū)的阻力作用，對各個區(qū)域的風量重新布置優(yōu)化，每個區(qū)域內(nèi)部基本是沿徑向?qū)ΨQ的。A區(qū)的下部是豎井，且居于塔中心，風流向和其他區(qū)域相反，帶來傳質(zhì)傳熱的負作用，但量值很小。B區(qū)和C區(qū)承擔最多的傳質(zhì)傳熱任務，但是權(quán)重不同，噴淋密度必須分區(qū)不同對待。D區(qū)是靠近塔壁的區(qū)域，面積最大，填料體積最多，但是權(quán)重偏低，需要區(qū)別對待，設置不同的噴淋密度和噴嘴方案。通過合理的分區(qū)配置最佳風水配比，最終達到整個冷卻塔填料層的工作均勻最優(yōu)。

圖4 自然通風冷卻塔填料層優(yōu)化風水配比效果圖

圖4 給出了自然通風冷卻塔中，對比了優(yōu)化前后的風水配比情況。可見優(yōu)化后，風水配比趨于均勻，整個塔內(nèi)均勻一致性好，使得冷卻效果提升。

圖5 強化換熱改造前填料頂部空氣溫度分布

圖6 強化換熱改造后填料頂部空氣溫度分布

由圖5和圖6看出，優(yōu)化后的填料頂部空氣溫度分布趨于均勻。

表2 新增不少于2 500立方淋水填料及布置方

表3 更換噴淋裝置及布置方案

4.2 風水匹配強化換熱技術(shù)特點：

（1）充分發(fā)揮了原進塔空氣的換熱能力；

（2）出塔空氣吸熱量的上升，使出塔空氣密度減小，由此加大了冷卻塔內(nèi)外空氣的密度差，并最終使冷卻塔的進塔空氣量增大；

（3）出塔空氣的動能使其具有攜帶能力，其相對濕度可以超過100%，即空氣呈過飽和狀態(tài)。

（4）風水匹配強化換熱技術(shù)的改造目標為在設計換熱能力(100%)的基礎上，使冷卻塔換熱效率提升不低于15%，即達到設計值的115%以上，使出塔水溫降低達到1.0～3℃。

5 改造方案

針對該電廠1號冷卻塔進行的計算經(jīng)多次疊代模擬分析，最終確定冷卻塔填料布置分7個換熱區(qū)域，并配置不同高度的填料以及與之相匹配的噴淋裝置。如表2與表3所示。

6 實施效果

6.1 冷卻塔配水與填料布置改造后測試效果

2015年11月該廠對1號冷卻塔進行了“冷卻塔風水匹配強化換熱”改造。為了檢驗冷卻塔的改造效果，2016年8月該電廠委托西安熱工研究院有限公司于對1號塔進行了改造后熱力性能診斷試驗。試驗報告顯示1號冷卻塔風水匹配強化換熱改造后實測冷卻能力值為115.0%，超過了設計冷卻能力。

6.2 經(jīng)濟與社會效益

冷卻塔風水匹配改造后冷卻能力提升了14.9%，降低出塔水溫1.13℃，影響機組真空0.45 kPa，相當于影響機組發(fā)電煤耗近1.13g/kWh，年節(jié)約標煤2 800 t，減排CO2不小于6 000 t，經(jīng)濟與社會環(huán)保效益顯著。9 000 m2大型冷卻塔風水匹配強化換熱技術(shù)改造，對大型及超大型自然通風逆流式冷卻塔相應的后續(xù)研究與改造具有示范意義。

[1] 林萬超. 《火電廠熱力系統(tǒng)節(jié)能理論》，西安交通大學出版社,1994

[2] 趙振國 ，《冷卻塔》，中國水利水電出版社，1997

日本成功設計球狀太陽能電池 成本為平板太陽能一半

最近，日本Kyosemi公司成功應用高效的球狀設計取代傳統(tǒng)的平面設計，生產(chǎn)成本為傳統(tǒng)平板太陽能面板的一半。Sphelar球狀太陽能電池是直徑1.8mm的固體硅單元，球狀設計可在更小的空間里放置更多太陽能電池，適合安裝于各種彎曲表面。其高透明度成為太陽能窗戶、屋頂?shù)暮貌牧?。獨特的外觀設計使其最大限度暴露在陽光下，無需考慮太陽能電池板的朝向問題，省去復雜的太陽能追蹤系統(tǒng)，能從各個方向采集太陽能，接收來自不同角度的反射光和散射光，較平板太陽能面板更加高效。

（李忠東編譯）