無填料噴霧冷卻塔在大型火電機(jī)組中的應(yīng)用

吳承剛

(中電投新疆能源化工集團(tuán) 五彩灣發(fā)電有限責(zé)任公司，新疆昌吉 831799)

大型火電機(jī)組的輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)均設(shè)置機(jī)力通風(fēng)冷卻塔，主要是降低輔機(jī)循環(huán)冷卻水溫度，確?；痣姀S各類輔機(jī)設(shè)備可靠運(yùn)行。目前國內(nèi)大型火電機(jī)組均大量采用與主機(jī)水冷機(jī)組相似的填料噴霧型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔(簡稱填料塔)，但近幾年在化工項(xiàng)目、冶金項(xiàng)目的工業(yè)循環(huán)冷卻中試采用無填料噴霧型機(jī)力通風(fēng)冷卻塔(簡稱無填料塔)。筆者以新疆五彩灣某660 MW級火電項(xiàng)目為例，對兩種輔機(jī)冷卻方式進(jìn)行研究分析，從而確定設(shè)備選型方案。

1 填料塔與無填料塔的對比

傳統(tǒng)的填料塔是將循環(huán)被加熱的水噴灑在塔內(nèi)的填料上，形成水膜，通過水膜與空氣的交換將熱水冷卻。經(jīng)過多年應(yīng)用實(shí)踐，該類型冷卻塔冷卻效果能充分滿足火電廠正常的生產(chǎn)使用要求，在設(shè)備及填料正常情況下機(jī)組運(yùn)行較可靠。但也存在一些問題：首先，在填料選擇上存在通風(fēng)阻力與散熱能力的矛盾[1-2]，即散熱能力好的填料通風(fēng)阻力大，通風(fēng)阻力小的填料水質(zhì)散熱能力又差，隨著運(yùn)行時間的增長，尤其是在水質(zhì)惡劣的情況下，水中的鈣鎂無機(jī)鹽及微生物不斷黏附在填料上，堵塞填料而增大氣流阻力，影響散熱效果，使冷卻能力下降；其次，填料塔多用塑料做填料，塑料的變形、壓陷、老化，造成填料破碎并失去散熱能力，堵塞管道，釀成事故，因而須要頻繁更換填料，提高了運(yùn)行成本；最后，在處理高濁度和易結(jié)垢的循環(huán)水時，冷卻效率相對較高的薄膜填料表面易于黏附水中雜質(zhì)和結(jié)垢并逐漸積聚下來，致使填料的親水能力大幅下降，冷卻效率隨之降低，當(dāng)積聚雜質(zhì)達(dá)到一定程度時，填料本身不能承受這個重量，便出現(xiàn)填料斷裂、塌陷現(xiàn)象[3]。

無填料塔突破了傳統(tǒng)的填料塔設(shè)計思路，去除了冷卻塔設(shè)備中的聚氯乙烯(PVC)填料部分，對塔內(nèi)配水系統(tǒng)進(jìn)行了重大改進(jìn)，采用了全新開發(fā)的專用導(dǎo)向霧化噴頭。該類型噴頭采用蝸殼式導(dǎo)流腔作為冷卻元件，取代了傳統(tǒng)填料塔的填料和布水裝置，使整塔幾乎成為一個空塔，結(jié)構(gòu)大大簡化。能使循環(huán)水在導(dǎo)流腔內(nèi)形成急速的旋流，再通過流線型霧化噴嘴旋噴出來，形成獨(dú)特的霧化效果，上噴的霧化水滴在上升、回落過程中與冷空氣在無填料的情況下進(jìn)行正常的水氣熱交換，從而達(dá)到循環(huán)水降溫冷卻的目的。無填料塔將霧化裝置安裝在進(jìn)風(fēng)道上方，水的噴射方向與軸流風(fēng)機(jī)抽吸的冷風(fēng)同向，同時水有上升、下降及懸浮三個過程，冷卻也有順流冷卻和逆流冷卻兩個過程。無填料塔因填料取消，使塔體載荷大大減小，無需更多的支承梁板，土建結(jié)構(gòu)簡化，節(jié)約土建投資。無填料塔為一排布置、單側(cè)上水、雙面進(jìn)風(fēng)。中空式無填料塔由于去除了常規(guī)塔的填料部分，從而避免了由于水質(zhì)原因而導(dǎo)致的填料性能的下降和破壞，對處理高溫、高濁度、易結(jié)垢循環(huán)水有著重要的意義，在中、高溫循環(huán)水的處理中越來越廣泛。冷卻塔進(jìn)行循環(huán)水冷卻的關(guān)鍵是使水氣進(jìn)行充分的熱交換，相對填料塔具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)因無填料，系統(tǒng)阻力小、氣流風(fēng)速大，靜壓約為填料塔的50%，同時氣流量增大20%。

(2)采用霧化裝置，使水以霧滴狀與氣流接觸，并有先上后下兩個過程，傳熱傳質(zhì)徹底；避免了由于填料結(jié)垢、長菌、生藻、黏泥，以及老化、變形、脆裂引起的堵塞、局部死區(qū)、溝流，進(jìn)而避免了冷卻分布不均勻現(xiàn)象。

(3)冷卻水量大。在風(fēng)機(jī)、塔體尺寸相同的情況下，水量比填料塔提高10%。

(4)運(yùn)行費(fèi)用低。因無填料，運(yùn)行阻力小，霧化冷卻效率高，自然通風(fēng)好，冬季停開風(fēng)機(jī)時間長，較填料冷卻塔綜合節(jié)能降耗25%。

(5)使用周期長，維修方便。噴霧冷卻塔內(nèi)部空間大，維修保養(yǎng)方便，根本上杜絕由填料問題所引起的填料層堵塞、局部死區(qū)、溝流、填料碎片堵塞而影響系統(tǒng)管道等設(shè)備性能的現(xiàn)象。

(6)運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)械噪聲比填料塔降低6 dB。

2 無填料塔的基本特點(diǎn)

無填料塔在結(jié)構(gòu)上可采用全鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，均為逆流式、多塔一排布置、單側(cè)上水、雙面進(jìn)風(fēng)，見圖1。中空式無填料塔由于沒有填料，要達(dá)到熱交換的目的，就必須使淋水段的水滴粒徑足夠小，從而盡可能增大水與空氣的接觸面積，采用上噴布置的切線進(jìn)水噴頭解決了這一問題，水滴粒徑小于1 mm，布水情況良好，無中空現(xiàn)象，滿足正常的水氣熱交換的要求[4]。

圖1 無填料塔的典型布置示意

在北方，大部分為干旱多沙塵地區(qū)，循環(huán)水的水質(zhì)較差，如使用填料塔，將會導(dǎo)致塔內(nèi)填料滋生菌和藻類(填料是菌、藻類滋生的溫床)，其尸體會沉積在填料表面上增加塔的載荷，而且老化、變形的填料會造成堵塞，產(chǎn)生的死區(qū)、溝流等導(dǎo)致冷卻點(diǎn)溫度分布不均勻，不利于熱交換，這些都嚴(yán)重影響了塔的效果和壽命。另外，老化、變形的填料還會形成淤泥堆積在換熱器表面，從而降低傳熱系數(shù)，降低了系統(tǒng)效率。同時填料脆裂后碎片堵塞系統(tǒng)影響生產(chǎn)。填料塔多用塑料做填料，塑料的變形、壓陷、老化，造成填料破碎，失去散熱能力，因而須要頻繁更換填料，提高了運(yùn)行維護(hù)成本。

雖然噴霧塔的噴口要求壓力較有填料冷卻塔的噴口要求壓力稍高，但綜合比較而言，尤其對處理冷卻規(guī)模較大的塔，塔的總耗電比下降明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。噴霧冷卻塔噴頭口徑大，對于高濁度易結(jié)垢循環(huán)水噴頭不易堵塞，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，特別適用于處理高溫、高濁度、易結(jié)垢循環(huán)水，收水器上部安裝變頻風(fēng)機(jī)，材質(zhì)為玻璃鋼的機(jī)翼型葉片，風(fēng)機(jī)配套減速器，與填料塔類似。風(fēng)機(jī)外觀仍然采用聚酯樹脂和玻璃纖維布，采用模壓成型。

無填料塔的核心裝置是配水系統(tǒng)、霧化裝置和噴嘴。成對布置的切線進(jìn)水噴頭是一種用于冷卻塔管式配水系統(tǒng)布水的新型噴頭布置，鎖緊裝置為基礎(chǔ)組成一單元，噴頭環(huán)形布置，出水形成上噴，該布置形式使出水水滴足夠小而且布水均勻，無中空現(xiàn)象[5]。

而填料塔的維護(hù)、清洗和更換十分繁瑣，新建或更換填料時，安裝造成的填料破損率為8%以上；而無填料塔可在15年內(nèi)保證新建塔的完好性。

噴頭霧化效果見圖2，不同類型噴頭見圖3。

圖2 噴頭霧化效果

圖3 不同類型噴頭設(shè)計圖

無填料塔采用切線進(jìn)水噴頭環(huán)型布置，通過多只切線進(jìn)水的霧化噴頭的嚴(yán)格對中，使出水旋流方向相反的噴頭出水發(fā)生對撞，水滴的動能被消耗，碰撞時能量的消耗使水滴進(jìn)一步被打碎，這樣就實(shí)現(xiàn)了在較低的進(jìn)水壓力下噴頭出水粒徑足夠小而且十分均勻[6]。在噴頭正常工作壓力范圍內(nèi)，水滴粒徑控制在0.5～1.0 mm，可以避免水滴過細(xì)而隨風(fēng)飄走。由于激烈的水滴對撞，消除了原切線進(jìn)水離心噴頭的布水中空現(xiàn)象，同時在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，塔內(nèi)向上的空氣線速度達(dá)2.5～3.0 m/s，此時0.5～1.0 mm的水滴在塔內(nèi)處于懸浮并逐步下降的運(yùn)行中，空間停留時間可達(dá)8～10 s，從而實(shí)現(xiàn)水氣充分的熱交換。該新型中空冷卻塔能實(shí)現(xiàn)無淋水填料裝置情況下的高效水氣熱交換[7]。

3 節(jié)能效益對比

該項(xiàng)目在新疆五彩灣地區(qū)，需要機(jī)力通風(fēng)冷卻塔3臺。

(1)電費(fèi)：3臺2 300 m3/h的無填料塔，按每小時可節(jié)電10 kW·h、0.6 元/(kW·h)，每年運(yùn)行5 000 h計，單塔每年節(jié)省電費(fèi)3萬元，3臺無填料塔每年共節(jié)省電費(fèi)9萬元。

(2)水處理藥劑費(fèi)：按每年單塔節(jié)約4萬元，3臺塔每年12萬元，減少化工水處理藥劑的投加，也減少了對水資源的污染。

(3)檢修材料費(fèi)：可省去填料更換費(fèi)用和換熱器檢修費(fèi)用，按3年更換填料計，每3年更換3臺塔填料費(fèi)用約45萬元，每年約15萬元；每年2次清理換熱器，可每年節(jié)約檢修材料費(fèi)約21萬元。

通過比較，采用無填料塔有很好的節(jié)能效果，3臺2 300 m3/h的無填料塔相對填料塔每年可節(jié)約42萬元。

4 結(jié)語

無填料塔是一種新型的冷卻塔，相較于傳統(tǒng)型冷卻塔取消了填料，避免了因填料引起的堵塞管道、泵和換熱器等設(shè)備。采用高效低壓離心霧化裝置將水噴射成微小霧滴，增大傳熱面積，改善冷卻效果，降低了運(yùn)行及維護(hù)成本，提高在炎熱、高沙塵環(huán)境中使用的可靠性，非常適宜在大型火電項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。