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電廠

1 前言

從機組冷端系統著手，提高汽輪機組冷端性能，投入小、見效快，是電廠節能降耗、提高機組熱經濟性、實現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。對于閉式循環供水冷卻的機組而言，冷卻塔是機組冷端系統中最重要的輔助設備，循環冷卻水進口溫度與電廠所處地域氣候和環境影響因素外，冷卻塔的散熱性能的高低起到至關重要的作用。

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%。冷卻塔設計參數見表1。

表1 冷卻塔主要設計參數

3 強化換熱技術原理及研究內容

傳統技術改造的技術原理主要是依據冷卻塔的設計模型：冷卻塔內的傳熱傳質模型為“一維均風”模型。該模型認為冷卻塔內的所有傳熱與傳質都發生在填料區（即忽略配水區與雨區的換熱），且空氣在填料區是一維運動；同時認為塔內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被認為是均勻配水的狀態，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，使得真實冷卻塔內進風與布水間沒有真正做到數量與換熱能力相匹配，從而使冷卻塔從設計狀態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℃的優化空間。冷卻塔強化換熱技術即是以此為依據，通過人為調節進風或調整塔內布水，使塔內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。主要研究內容包括以下幾點：

1）風水匹配強化換熱研究和改造技術的依據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、設計數據）及運行參數，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吸熱側濕空氣和放熱側循環水的溫度場、速度場、濕度場的分布情況。

3）在充分確認實際冷水塔內各物理場分布情況的基礎上，重新設計冷卻塔配水系統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，采用分多區布水（原配水管道不動），對塔內淋水填料按方案要求進行分區不等高重新布置。

5）進行塔內分區配水調試，調整填料高度，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 冷卻塔數值模擬及特點

4.1 冷卻塔數值模擬分析

按照原塔設計結構參數，對自然通風冷卻塔進行三維建模對填料區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）四個大區域（九塊小區域），如圖1所示。

圖1 自然通風冷卻塔填料層細分區域示意圖

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

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，填料層內速度分布逐漸均勻化。（由于淋水區的阻力作用，填料層下部塔中心很難有空氣進入，這個區域也是豎井的位置，該區域基本不發生傳質交換）

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數據可以看出由于填料層和噴淋、雨區的阻力作用，對各個區域的風量重新布置優化，每個區域內部基本是沿徑向對稱的。A區的下部是豎井，且居于塔中心，風流向和其他區域相反，帶來傳質傳熱的負作用，但量值很小。B區和C區承擔最多的傳質傳熱任務，但是權重不同，噴淋密度必須分區不同對待。D區是靠近塔壁的區域，面積最大，填料體積最多，但是權重偏低，需要區別對待，設置不同的噴淋密度和噴嘴方案。通過合理的分區配置最佳風水配比，最終達到整個冷卻塔填料層的工作均勻最優。

圖4 自然通風冷卻塔填料層優化風水配比效果圖

圖4 給出了自然通風冷卻塔中，對比了優化前后的風水配比情況。可見優化后，風水配比趨于均勻，整個塔內均勻一致性好，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特點：

（1）充分發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。

（4）風水匹配強化換熱技術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，相當于影響機組發電煤耗近1.13g/kWh，年節約標煤2 800 t，減排CO2不小于6 000 t，經濟與社會環保效益顯著。9 000 m2大型冷卻塔風水匹配強化換熱技術改造，對大型及超大型自然通風逆流式冷卻塔相應的后續研究與改造具有示范意義。

[1] 林萬超. 《火電廠熱力系統節能理論》，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的平面設計，生產成本為傳統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、屋頂的好材料。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，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）