雙曲線自然通風冷卻塔效率下降原因及應對措施

2013-08-21 07:05:46馬巖昕潘乃宏

黑龍江電力 2013年5期

馬巖昕，馬越，潘乃宏

(1.黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江齊齊哈爾161000;2.黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱150030)

某公司自投產以來，經過多年生產運行，存在雙曲線冷卻水塔冷卻效率下降、機組凝汽器真空值偏低等問題，直接影響機組循環熱效率。因此，本文運用數據采集及效率計算，分析了高效淋水填料、新型噴濺裝置對冷卻水塔經濟性的影響，并對冷卻塔運行中存在的問題采取了相應的解決措施，降低了燃煤成本，提高了經濟效益。

1 冷卻水塔概況

某公司2臺機組分別配備1個自然通風逆流濕式冷卻塔。冷卻塔冷卻面積為4 000 m2，進風口高度為7.3 m，填料底標高為8.05 m，頂標高為9.3 m，塔總高為105 m。當地環境氣壓冬季平均為100.46 kPa，夏季平均為98.77 kPa;年平均氣溫為3.2℃，極端最高溫度40.1℃，一月份平均氣溫為－19.5℃，七月份平均氣溫為22.8℃;一月份和七月份的相對濕度分別為71%和73%;夏季平均風速為2.8 m/s，冬季平均風速為3.2 m/s。冷卻塔填料為雙斜波，填料厚度為1.25 m，配水形式為管式配水。

1號冷卻塔和2號冷卻塔幾何結構尺寸如圖1所示。

圖1 冷卻塔結構幾何尺寸

2 數據采集及效率計算

1號機運行數據采集如表1所示。

表1 1號機運行數據采集

由表1可知，1號塔夏季出塔水溫普遍在30.3℃以上，比七月份平均氣溫高8.5℃，比七月份濕球溫度高12℃以上。這表明1號機冷卻塔冷卻能力不足。

2.1 無側風條件下熱力性能計算

冷卻塔原設計填料為等高度布置，填料類型為雙斜波淋水填料(材質為PVC塑料填料)。夏季典型工況(7月13日):機組負荷228 MW，當地環境溫度為29℃，凝結水流量643.23 t/h，循環水流量為34 300 m3/h，循環水進塔水溫為37.8℃，循環水出塔水溫為30.3℃。

基于上述條件，結合冷卻塔幾何結構尺寸及填料特性，首先在無側風條件下，對該冷卻塔熱力性能及其空氣動力場進行計算分析，并根據該計算結果分析了塔內空氣流速和冷卻水水溫的分布規律［1］。經計算得知，無環境自然風條件下該塔出塔水溫為30.402℃，與實測相差0.102℃，偏差小于常見測溫儀表的測量誤差(0.2℃)，相對偏差僅為塔內冷卻水實測溫降的1.36%。這表明所建冷卻塔熱力性能三維數值計算模型可實現該塔熱力性能的準確計算。

冷卻塔在無環境自然風影響時，冷卻塔雨區橫截面空氣動力場和水池水面水溫場呈周向均勻分布。在塔內外空氣密度差所形成抽力的驅動下，空氣高速流入塔內;在冷卻塔雨區內，受下落雨滴的阻力和空氣向上的轉向分流影響，雨區空氣流速沿徑向逐漸減小。經分析，塔中心位置的空氣流速較低，而水池中央位置的冷卻水溫度較高，這說明外界冷空氣很難進入塔中心位置，以致塔中心位置換熱較差，使總體出塔水溫升高。

考慮到冷卻塔內空氣動力場和水溫場分布的周向均勻性，可通過某一徑向空氣參數和冷卻水參數的分布，分析塔內氣－水兩相傳熱傳質強度沿徑向的分布。以填料區z=8.7m徑向直線為基準，分別分析了空氣流速、空氣溫度、空氣量和水溫等的徑向分布。

填料區外圍空氣流速較大，內圍空氣流速較小;外圍空氣溫度較低，內圍空氣溫度較高;外圍空氣含濕量較小，內圍空氣含濕量較高;外圍水溫較低，內圍水溫較高。

以水池水面徑向直線為基準，分析了水溫的徑向分布。可得出外圍水溫較低，內圍水溫較高。

在無環境自然風影響時，冷卻塔內圍換熱較充分，內圍上升空氣是溫度較高、含濕量較大的濕熱空氣，表明內圍上升空氣得到了充分利用。外圍空氣流速較大，空氣溫度和含濕量相對較小，表明外圍空氣的吸熱吸濕能力未被充分利用。由水溫的徑向分布可知，外圍水溫低，內圍水溫高。因此，外圍水溫低的主要原因是外圍空氣流速較大，對流換熱系數較大，同時外圍上升空氣還有一定的吸熱、吸濕能力。

2.2 環境自然風熱力性能的影響

由于冷卻塔長期工作在外界環境中，環境自然風時刻影響冷卻塔的性能，因此有必要對側風條件下冷卻塔性能的變化做出量的分析。可利用三維冷卻塔熱力計算程序，分析計算外界側風影響下冷卻塔的空氣動力場以及熱物理參數的變化規律［2］。

在環境側風影響下，雨區橫截面空氣動力場不再呈軸對稱分布，其周向均勻性受到破壞，迎風側空氣流速較大，背風側空氣流速很小，外側空氣幾乎沿平行于X軸的方向穿過雨區，在雨區側后方形成空氣出流區域，降低了塔內通風量，使填料區和配水區傳熱傳質強度降低。由于空氣流場周向均勻性被破壞，導致水池水面水溫度場不再呈軸對稱分布。夏季在3.2 m/s平均自然風速條件下，循環水出塔水溫相對于無環境側風影響增加了1.35℃。環境自然風對冷卻塔性能的劣化機理主要是環境自然風破壞了冷卻塔進風口周向進風的均勻性，改變了冷卻塔內外空氣動力場的軸對稱性，造成冷卻塔進風量的降低，從而弱化了冷卻塔的整體熱力性能。因此，在側風條件下，須改善冷卻塔進風口空氣動力場，提高冷卻塔進風口周向進行的均勻性，實現冷卻塔通風量的增大;在較大的環境自然風速條件下，減小空氣出流區域所形成的穿堂風，增大冷卻塔縱向通風量。冷卻塔通風量的增大，可有效提高塔內氣水比，實現塔內氣－水兩相間傳熱傳質的強化，并最終實現出塔水溫的降低。

3 冷卻塔運行中存在的問題及采取的措施

根據上述分析可知，1號機冷卻塔存在冷卻能力不足的問題。結合無環境自然風條件下冷卻塔冷卻性能的計算分析以及現場巡檢，發現1號機冷卻水塔效率下降，主要存在以下問題:

1)塔內空氣動力場不均，導致塔內氣水比不均，使塔內圍空氣量較少，冷卻能力不足。塔外圍空氣流量較大，填料上方空氣參數較低，空氣冷卻能力未被充分利用。

2)現有填料為雙斜波、S波填料，其板間距較大，存在熱力性能較低、阻力特性較大的缺點。

3)填料托架部分斷裂、變形。

4)噴頭噴濺不均。

5)收水器部分損壞。

6)循環水泵入口水溫度高、凝汽器真空低(機組在夏季經常因為真空過低而帶不滿負荷)、主機潤滑油溫度高(在負荷270 MW時，達到46℃)、水環真空泵冷卻水溫度高，造成真空泵出力下降，從而近一步影響了機組的真空［3］。

3.1 應用高效淋水填料

采用新型小板間距高效填料(GXT－27型)，其特點如下:

1)填料板間距為27 mm。相比目前國內填料市場的通類板間距，增大了10%～20%的氣－水結合面積。

2)波形更為優化。該填料的波形充分考慮塔內空氣流場及填料的阻力特性，在增大氣－水結合面積的同時，使通風阻力下降。

3)對膠球系統有很好的適應性。某公司循環水系統使用的膠球直徑大多數為25 mm，吸水后直徑也不超過26 mm，該板間距可保證現有膠球很好的通過性。

4)該型高效填料在增大了傳熱傳質面積的同時，強化了淋水在填料板表面的附著度，減少了板間存在的大尺度水流，增大了板間有效通風面積，實現了通風阻力的下降。

經試驗表明，該型高效斜折波淋水填料，在λ=0.5～0.8常見氣水比工況下，可將冷卻數提高10%以上，將填料容積散質系數提高5%，將通風阻力減小到90%。

原類型舊填料更換為新填料，可使冷卻塔出塔水溫降低1.1～1.3 ℃［4］。

3.2 填料布置優化

針對現有填料效率較低、通風阻力較大的特點，結合1號機組塔型尺寸及設計工況，優化填料選型。建議采用高效新型填料，并在填料優化選型基礎之上，對1號機冷卻塔填料布置進行優化，提高1號機冷卻塔整體冷卻性能［5］。

無環境自然風時，冷卻塔外圍水溫最低值為29.2℃，與其冷卻極限環境空氣濕球溫度25℃尚有4～5℃之差，這給外圍循環水的進一步冷卻提供了空間。為充分利用外圍上升空氣的吸熱吸濕能力，進一步對外圍循環水進行冷卻，可增大外圍填料厚度。

對比外圍循環水溫，內圍水溫較高，空氣流速較低，內圍空氣的吸熱吸濕能力得到充分利用。為強化內圍換熱，進一步對內圍循環水進行冷卻，可考慮通過減小內圍填料厚度來降低內圍上升空氣阻力，從而增大內圍空氣流速，實現內圍循環水的進一步冷卻。

該廠冷卻塔填料原設計為等高度布置，運行中存在填料分布和填料空氣動力場匹配不當的問題，使外圍進塔空氣的吸熱吸濕能力未能充分利用，影響到外圍循環水的進一步冷卻;同時，內圍存在空氣不足的問題，影響到內圍循環水的冷卻。因此，有必要在更換填料的基礎上，優化填料布置，以實現填料分布和填料內空氣動力場的良好匹配。

通過上述分析，初步得到填料非均勻布置方案，即增大外圍填料厚度、減小內圍填料厚度。

考慮塔內氣水流場、溫度場及其含濕量場之間的匹配問題，結合典型工況對填料進行優化布置，實現填料高度沿徑向由內而外由1.0 m增大為1.5 m。同時，對配水噴嘴進行選型優化，確保配水噴嘴噴濺均勻性。

在夏季典型工況下，無環境自然風影響時，采用填料非均勻布置方案后，水池水面外圍水溫最高值下降約0.72℃，外圍水溫最低值下降約0.36℃。水溫沿徑向增加的斜率明顯減小，內圍水溫平均下降0.41℃。這表明填料非均勻布置方案，可改善冷卻塔冷卻性能，使得水池水面水溫平均值即出塔水溫相對于填料均勻布置方案下降了0.53℃。