火電廠節(jié)能環(huán)保冷卻塔落水發(fā)電方法

于德超，吳蔚宇

(1.中國華電永州風(fēng)電有限公司，長沙 410004； 2.中國能源建設(shè)集團(tuán) 湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，長沙 410007)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，國家對(duì)環(huán)保的要求更加嚴(yán)格。為了達(dá)到國家環(huán)保要求，目前國內(nèi)火電廠多采用帶冷卻塔的循環(huán)冷卻方式來減少溫排水對(duì)周邊環(huán)境的影響。但冷卻塔冷卻水從淋水盤落入水池中會(huì)產(chǎn)生巨大的噪音，對(duì)周邊的居民造成很大的影響。有很多電廠為降低噪音，花費(fèi)巨資建造聲屏障等降噪設(shè)備(某降噪設(shè)備成本高達(dá)1600萬左右)。同時(shí)，冷卻水從淋水盤落入水池中的勢能沒有被利用是極大的浪費(fèi)。

本改造方案利用水輪發(fā)電機(jī)原理，對(duì)冷卻水落水勢能再次利用，并利用具有降噪材料的導(dǎo)流板對(duì)落水產(chǎn)生的聲音進(jìn)行降噪，改善側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔效率的影響，轉(zhuǎn)換落水勢能進(jìn)行發(fā)電，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保、節(jié)資降耗的目的。

1 冷卻塔落水發(fā)電解決方案

1.1 水塔改造總體方案

總體改造方案為在冷水塔填料層下分層安裝多個(gè)降噪材料的導(dǎo)流板，利用導(dǎo)流板對(duì)冷卻水進(jìn)行收集。冷卻水經(jīng)過導(dǎo)流板下的集水管組，在集水箱進(jìn)行集中后輸入到水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電(如圖1所示)。

(1)在冷水塔填料層下分層安裝導(dǎo)流板，目的是保證冷卻塔的冷卻效果、減小側(cè)風(fēng)，同時(shí)要盡最大可能收集冷卻水(如圖2所示)。

(2)在導(dǎo)流板上開多孔并使其與集水管相連形成集水管組。集水管組有序連通，將導(dǎo)流板上冷卻水匯集到集水箱(如圖3所示)。

(3)集水管組流量與集水箱容積需相匹配，確保集水箱滿水、集水管組內(nèi)水位保持一定高度。盡可能讓進(jìn)水的壓頭增高，來提高水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電效率。

圖1 落水解決方案原理示意

圖2 導(dǎo)流板、集水管組及集水箱側(cè)視

(4)將壓力相近的集水管組的水收集到同一高度的集水箱中?？稍O(shè)置多個(gè)集水箱，通過輸水管連接將水輸入水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

(5)水輪發(fā)電機(jī)出水管呈喇叭形埋入水下，工作時(shí)形成真空可保證水輪發(fā)電機(jī)高效運(yùn)行，進(jìn)而提高水水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率。

1.2 導(dǎo)流板對(duì)側(cè)風(fēng)的改善

冷卻塔性能受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響較大。環(huán)境側(cè)風(fēng)的存在改變了冷卻塔內(nèi)空氣流場的對(duì)稱性：實(shí)驗(yàn)研究表明，環(huán)境側(cè)風(fēng)風(fēng)速越大，自然通風(fēng)干式冷卻塔出口空氣流速越小，側(cè)風(fēng)在塔內(nèi)形成漩渦，使通風(fēng)阻力增大、空氣流動(dòng)性減弱；在均勻布水時(shí)，側(cè)風(fēng)造成塔內(nèi)氣水比及傳熱傳質(zhì)沿冷卻塔徑向分布不均勻，導(dǎo)致塔內(nèi)部分區(qū)域冷卻效果差、冷卻能力偏低。通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件對(duì)濕式冷卻塔進(jìn)行數(shù)值研究表明，側(cè)風(fēng)風(fēng)速7.5 m/s時(shí)的出水溫度比無側(cè)風(fēng)時(shí)升高1.7 K。因此，控制側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔性能的影響具有普遍工程實(shí)踐意義。

圖3 導(dǎo)流板俯視

加裝導(dǎo)風(fēng)板后，冷卻塔徑向漩渦及軸向漩渦影響能力降低，冷卻塔通風(fēng)量增加、冷卻能力增強(qiáng)。

1.3 水塔發(fā)電輸出方案

水塔落水帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電不受外界影響、轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定、供電品質(zhì)較好。為避免水輪發(fā)電機(jī)首次應(yīng)用影響廠用電的正常供電安全，在水輪發(fā)電機(jī)出口母線與廠用電工作段連接時(shí)設(shè)置隔離變壓器：水輪發(fā)電機(jī)通過發(fā)電機(jī)出口開關(guān)匯流至水塔水輪發(fā)電機(jī)出口380 V母線；水輪發(fā)電機(jī)出口380 V母線通過隔離變壓器開關(guān)進(jìn)入隔離變壓器，與廠用380 V化水一段開關(guān)(或在水塔就近處選取與要求相符合的廠用工作段)相連接；水輪發(fā)電機(jī)出口母線與隔離變壓器之間引出數(shù)路電源，用來供廠區(qū)道路照明、宿舍用電、沖洗水泵等對(duì)用電品質(zhì)要求不高的小負(fù)荷用電，如圖4所示。如水塔水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電不足，由380 V化水工作段補(bǔ)充，如水塔水輪發(fā)電機(jī)發(fā)電超出負(fù)荷所需，可通過化水變壓器反送至廠用電系統(tǒng)。

圖4 水塔發(fā)電輸出方案示意

2 性能計(jì)算分析

利用焓差法，綜合考慮冷卻塔的熱力特性和阻力特性，計(jì)算分析落水發(fā)電項(xiàng)目所提出的改造技術(shù)對(duì)冷卻塔的熱力性能的影響。

2.1 計(jì)算分析目的

冷卻塔落水發(fā)電改造技術(shù)，對(duì)冷卻塔雨區(qū)的冷卻能力和阻力特性均帶來了影響，進(jìn)而影響到冷卻塔的熱力性能。本次計(jì)算的目的是對(duì)改造后的冷卻塔熱力性能變化情況進(jìn)行計(jì)算，分析專利ZL 2017 2 0879818.4所涉及的改造技術(shù)對(duì)冷卻塔性能的影響趨勢。

2.2 計(jì)算分析方法

2.2.1 冷卻塔的空氣動(dòng)力計(jì)算

冷卻塔空氣動(dòng)力計(jì)算的最終結(jié)果是求得總阻力Z和總抽力H的平衡，即Z=H。此時(shí)冷卻塔內(nèi)部的氣水流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 冷卻塔的抽力計(jì)算

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的空氣流動(dòng)是由塔內(nèi)外空氣密度差產(chǎn)生的抽力所引起的。在冷卻塔中，氣水之間發(fā)生傳熱傳質(zhì)，空氣溫度升高，濕度增大，密度減小。在配水系統(tǒng)上部的塔筒內(nèi)，空氣密度近似均勻，抽力為

H=Heg(ρ1-ρ2) ，

(1)

式中：He為冷卻塔的有效抽力高度，m；g為重力加速度，m/s2；ρ1為塔外空氣密度，kg/m3；ρ2為塔內(nèi)空氣密度，kg/m3；He應(yīng)是塔外大氣在進(jìn)風(fēng)口半高處的壓力和塔內(nèi)相應(yīng)高度處空氣的氣壓差。一般認(rèn)為空氣從進(jìn)風(fēng)口中部以上開始吸熱，直到噴嘴以下，且此段空氣密度呈線性變化，則有效高度取值為配水系統(tǒng)上部到塔頂?shù)木嚯x與噴嘴到進(jìn)風(fēng)口半高處距離的一半的和。

2.2.3 冷卻塔的阻力計(jì)算

空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入冷卻塔，穿過雨區(qū)、填料層、配水系統(tǒng)、收水器，從塔出口排出，在穿過這些部件時(shí)會(huì)產(chǎn)生通風(fēng)阻力。冷卻塔阻力為

(2)

ξ=ξ1+ξ2+ξ3，

(3)

ξ1= (1-3.47ε+3.65ε2)×(85+

(4)

ξ2= 6.72+0.654D+3.5q+1.43vf-

60.61ε-0.36vfD，

(5)

ξ3=(A0/Af)2，

(6)

式中：ξ為冷卻塔的總阻力系數(shù)；ρf為填料斷面的空氣密度，kg/m3；vf為填料斷面的氣流速度，m/s；ξ1為從進(jìn)風(fēng)口到配水系統(tǒng)上部的阻力系數(shù)；ξ2為雨區(qū)阻力系數(shù)；ξ3為塔筒出口阻力系數(shù)；ξf為填料層尼阻力系數(shù)；ε為進(jìn)風(fēng)口面積與淋水面積之比；D為填料底部直徑，m；q為淋水密度，t/(m2·h)；A0為塔筒出口直徑，m；Af為填料斷面直徑，m。

2.2.4 冷卻塔的熱力計(jì)算

冷卻塔熱力計(jì)算的最終結(jié)果就是求得冷卻能力和冷卻任務(wù)的平衡，即Nc=Nt。Nt為冷卻塔的冷卻任務(wù)，kJ/h；Nc為測試出的冷卻塔冷卻能力，kJ/h。此時(shí)，冷卻塔內(nèi)空氣溫度、濕度以及水溫分布均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.5 冷卻塔的冷卻能力

冷卻塔的冷卻能力由以下3部分組成。

(1)從配水噴嘴開始到填料頂面，水滴在上升氣流中冷卻。這部分冷卻能力約占全塔冷卻能力的10%。

(2)填料高度范圍內(nèi)的冷卻。這一部分是冷卻塔冷卻能力的主要部分，約占全塔冷卻能力的70%。

(3)填料以下到集水池水面之間水滴的尾部冷卻，約占全塔冷卻能力的20%。

在冷卻塔熱力性能測試中，一般未將上述3部分冷卻能力分開測定，而是測定3部分總和。當(dāng)對(duì)雨區(qū)進(jìn)行改造時(shí)，在雨區(qū)中部即將落雨進(jìn)行收集，造成雨區(qū)的冷卻能力下降，進(jìn)行計(jì)算時(shí)需進(jìn)行考慮。冷卻塔冷卻能力為

Nc=Aλn，

(7)

(8)

Nc′=Nc-Nr，

(9)

式中：Nc′為改造后的冷卻塔冷卻能力，kJ/h；A為試驗(yàn)系數(shù)，由填料模擬試驗(yàn)求得；n為試驗(yàn)指數(shù)，由填料模擬試驗(yàn)求得；λ為氣水比，%；Nr為雨區(qū)減少所損失的冷卻能力，kJ/h；Hr為減少的雨區(qū)高度，m。

2.2.6 冷卻塔的冷卻任務(wù)

已知?dú)庀髼l件、進(jìn)塔水溫、出塔水溫和氣水比的條件下，冷卻塔的冷卻任務(wù)采用焓差法可以表示為

(10)

式中：t1為進(jìn)塔水溫，℃；t2為出塔水溫，℃；Cw為水的比熱，kJ/(kg·℃)；i″為水溫t對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓值，kJ/kg；i為對(duì)應(yīng)i″的空氣焓值，kJ/kg。

通常情況下，冷卻任務(wù)可用辛普遜二段近似積分求解

式中：i1″、i2″、im″為水溫t1、t2、tm對(duì)應(yīng)的飽和空氣焓值，tm=(t1+t2)/2；i1、i2、im為空氣進(jìn)口、出口及進(jìn)出口平均焓值。

2.2.7 冷卻塔性能迭代計(jì)算

冷卻塔的計(jì)算包括空氣動(dòng)力計(jì)算和熱力計(jì)算兩部分，由于出塔水溫t2和填料斷面風(fēng)速vf都是未知的，因此，冷卻塔性能求解是一個(gè)迭代計(jì)算的過程。計(jì)算時(shí)，首先假設(shè)一個(gè)出塔水溫t2，在此基礎(chǔ)上再假設(shè)填料斷面風(fēng)速vf，求出在出塔水溫為t2時(shí)，滿足冷卻塔抽力H和阻力Z相平衡時(shí)的填料斷面風(fēng)速vf。在此風(fēng)速下，再分別計(jì)算冷卻任務(wù)Nt和冷卻能力Nc。如果Nt>Nc，則說明假設(shè)的出塔水溫t2偏小，然后增大t2重新計(jì)算；如果Nt

圖5 自然通風(fēng)冷卻塔性能迭代計(jì)算流程

2.3 案例計(jì)算及分析

2.3.1 計(jì)算分析對(duì)象

以某電廠為例電廠裝機(jī)容量2×660 MW，2臺(tái)機(jī)組配用2座10 000 m2雙曲線逆流式自然通風(fēng)冷卻塔。塔內(nèi)裝有淋水填料層、配水管、除水器、噴濺裝置等。2座冷卻塔均由湖南電力勘測設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)。

冷卻塔的設(shè)計(jì)熱力參數(shù)：循環(huán)水量，69 984 m3/h；大氣壓力，99.91 kPa；干球溫度，31.94 ℃；濕球溫度，26.10 ℃；相對(duì)濕度，63.6%；出塔水溫，31.8 ℃。

表1 不同冷卻能力和阻力系數(shù)降低幅度時(shí)的出口水溫改善度 ℃

冷卻塔相關(guān)尺寸：淋水面積，10 000 m2；填料梁底標(biāo)高，10.98 m；塔筒進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高，10.80 m；配水管中心標(biāo)高，14.20 m；塔筒喉部標(biāo)高，120 m；喉部直徑，68.80 m；塔筒頂部標(biāo)高，160 m。

冷卻塔冷卻能力測試結(jié)果

Nc=2.495λ0.77。

2.3.2 結(jié)果及分析

利用上述的迭代計(jì)算方法，以及電廠相關(guān)參數(shù)對(duì)雨區(qū)冷卻能力和阻力特性下降對(duì)冷卻塔出口水溫的影響進(jìn)行了計(jì)算。從圖6可知，其他條件不變時(shí)，降低雨區(qū)冷卻能力將使得出口水溫上升、冷卻塔熱力性能下降。從圖7可知，當(dāng)其他條件不變時(shí)，減小雨區(qū)阻力特性將增大冷卻塔通風(fēng)量，使得填料區(qū)換熱增強(qiáng)，出口水溫隨之下降，冷卻塔的熱力性能得到提高。

圖6 雨區(qū)冷卻能力降低對(duì)出口水溫的影響

圖7 雨區(qū)阻力系數(shù)降低對(duì)出口水溫的影響

從結(jié)構(gòu)上減少冷卻塔雨區(qū)：一方面雨區(qū)冷卻能力下降，對(duì)冷卻塔冷卻性能帶來不利影響；另一方面，雨區(qū)的減少，降低了雨區(qū)通風(fēng)阻力，增大了冷卻塔氣水比，提高了填料區(qū)換熱，加強(qiáng)了冷卻塔換熱。冷卻塔雨區(qū)改造對(duì)冷卻塔熱力性能的綜合影響是這兩方面的綜合。

表1計(jì)算了在不同冷卻能力和阻力系數(shù)降低幅度下的出口水溫改善度。表1中的溫度數(shù)據(jù)是在上述冷卻塔的設(shè)計(jì)條件下，改造后的出水溫度與原有設(shè)計(jì)出水溫度31.8 ℃之間的差值。正值表明換熱性能得到提升，負(fù)值表明換熱性能下降。表中陰影區(qū)域是冷卻塔熱力性能弱化的區(qū)域，只要雨區(qū)改造使得冷卻能力和阻力系數(shù)的變化不在此灰色范圍之內(nèi)，即可保證冷卻塔熱力性能不受影響，甚至得到提高。

2.4 冷卻塔性能結(jié)論

冷水塔落水發(fā)電法提出了一種在冷卻塔雨區(qū)中部設(shè)置導(dǎo)流板，對(duì)雨區(qū)落水進(jìn)行收集，降低雨區(qū)落水噪音，再利用與集水池的高差進(jìn)行發(fā)電進(jìn)行能量回收的技術(shù)。

利用焓差法，綜合考慮冷卻塔的熱力特性和阻力特性，對(duì)專利所提出的改造技術(shù)對(duì)冷卻塔的熱力性能的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，得出如下結(jié)論。

(1)從冷卻塔結(jié)構(gòu)上減少冷卻塔雨區(qū)行程，使得冷卻塔的冷卻能力下降，當(dāng)其他條件不變時(shí)，將使冷卻塔出口水溫提高，對(duì)冷卻塔性能造成不利影響。

(2)從冷卻塔結(jié)構(gòu)上減少冷卻塔雨區(qū)行程，使得冷卻塔的阻力下降，當(dāng)其他條件不變時(shí)，將使得冷卻塔出口水溫降低，對(duì)冷卻塔性能造成有利影響。

(3)表1中用灰色標(biāo)出了冷卻塔性能下降的區(qū)域，利用專利技術(shù)對(duì)冷卻塔雨區(qū)進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)，應(yīng)避免雨區(qū)冷卻能力和阻力系數(shù)降低幅度落在這一范圍內(nèi)。

(4)綜合考慮兩方面的影響，假定專利所提及的技術(shù)改造使得雨區(qū)冷卻能力降低50%，阻力系數(shù)降低50%，冷卻塔的出水溫度將在原有設(shè)計(jì)出水溫度31.82 ℃的基礎(chǔ)上降低0.45 ℃至31.37 ℃，使得冷卻塔的熱力性能得到提高。

3 項(xiàng)目的預(yù)期成效或目標(biāo)

3.1 本方案的先進(jìn)性和實(shí)用性

本方案采用市場已有的材料和設(shè)備進(jìn)行組合，將冷卻塔內(nèi)落水的能量進(jìn)行利用，同時(shí)導(dǎo)流板采用降噪材料、分層布置，既解決了一部分環(huán)保問題又解決了電廠能源再利用的問題，同時(shí)也提高了設(shè)備的效率，符合節(jié)能環(huán)保的要求。目前在國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)類似方案，該方案在冷卻塔降噪、提效以及冷卻水再利用的問題上處于領(lǐng)先水平。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

以某廠貫穿式水輪發(fā)電機(jī)組系列GLT03-40水輪機(jī)性能數(shù)據(jù)及配套表為例，選取設(shè)計(jì)水頭4 m、發(fā)電功率20千瓦和設(shè)計(jì)水頭6 m、發(fā)電功率40千瓦的水輪機(jī)各10臺(tái)，合計(jì)功率為600千瓦進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。

(1)冷卻塔單臺(tái)循泵為4萬噸/小時(shí)，而我們選取的貫穿式水輪發(fā)電機(jī)合計(jì)流量為10 315 t/h(根據(jù)GLT03-40型水輪機(jī)性能數(shù)據(jù)及配套表計(jì)算)，水量完全滿足發(fā)電要求。

(2)經(jīng)計(jì)算，工程合計(jì)造價(jià)約為300萬元：材料約為60萬元(含施工)；20臺(tái)水輪機(jī)設(shè)備為160萬元；試驗(yàn)費(fèi)及設(shè)計(jì)費(fèi)80萬元(含稅金)。

(3)按一年2臺(tái)循泵滿負(fù)荷運(yùn)行10個(gè)月/7 200 h，每度電按湖南上網(wǎng)電價(jià)0.45元/kW·h，每年可回收電費(fèi)194.4萬元。

(4)輔機(jī)運(yùn)營成本測算， 1～3年，每年利潤137.27萬元，4～20年，每年利潤132.77萬元。