火電廠節能環保冷卻塔落水發電方法

于德超，吳蔚宇

(1.中國華電永州風電有限公司，長沙 410004； 2.中國能源建設集團 湖南省電力設計院有限公司，長沙 410007)

0 引言

隨著時代的發展，國家對環保的要求更加嚴格。為了達到國家環保要求，目前國內火電廠多采用帶冷卻塔的循環冷卻方式來減少溫排水對周邊環境的影響。但冷卻塔冷卻水從淋水盤落入水池中會產生巨大的噪音，對周邊的居民造成很大的影響。有很多電廠為降低噪音，花費巨資建造聲屏障等降噪設備(某降噪設備成本高達1600萬左右)。同時，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。

本改造方案利用水輪發電機原理，對冷卻水落水勢能再次利用，并利用具有降噪材料的導流板對落水產生的聲音進行降噪，改善側風對冷卻塔效率的影響，轉換落水勢能進行發電，以達到節能環保、節資降耗的目的。

1 冷卻塔落水發電解決方案

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降噪材料的導流板，利用導流板對冷卻水進行收集。冷卻水經過導流板下的集水管組，在集水箱進行集中后輸入到水輪發電機進行發電(如圖1所示)。

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

(2)在導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、集水管組內水位保持一定高度。盡可能讓進水的壓頭增高，來提高水輪發電機發電效率。

圖1 落水解決方案原理示意

圖2 導流板、集水管組及集水箱側視

(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。可設置多個集水箱，通過輸水管連接將水輸入水輪發電機進行發電。

(5)水輪發電機出水管呈喇叭形埋入水下，工作時形成真空可保證水輪發電機高效運行，進而提高水水輪發電機的發電效率。

1.2 導流板對側風的改善

冷卻塔性能受環境側風影響較大。環境側風的存在改變了冷卻塔內空氣流場的對稱性：實驗研究表明，環境側風風速越大，自然通風干式冷卻塔出口空氣流速越小，側風在塔內形成漩渦，使通風阻力增大、空氣流動性減弱；在均勻布水時，側風造成塔內氣水比及傳熱傳質沿冷卻塔徑向分布不均勻，導致塔內部分區域冷卻效果差、冷卻能力偏低。通過計算流體力學(CFD)軟件對濕式冷卻塔進行數值研究表明，側風風速7.5 m/s時的出水溫度比無側風時升高1.7 K。因此，控制側風對冷卻塔性能的影響具有普遍工程實踐意義。

圖3 導流板俯視

加裝導風板后，冷卻塔徑向漩渦及軸向漩渦影響能力降低，冷卻塔通風量增加、冷卻能力增強。

1.3 水塔發電輸出方案

水塔落水帶動水輪發電機發電不受外界影響、轉速相對穩定、供電品質較好。為避免水輪發電機首次應用影響廠用電的正常供電安全，在水輪發電機出口母線與廠用電工作段連接時設置隔離變壓器：水輪發電機通過發電機出口開關匯流至水塔水輪發電機出口380 V母線；水輪發電機出口380 V母線通過隔離變壓器開關進入隔離變壓器，與廠用380 V化水一段開關(或在水塔就近處選取與要求相符合的廠用工作段)相連接；水輪發電機出口母線與隔離變壓器之間引出數路電源，用來供廠區道路照明、宿舍用電、沖洗水泵等對用電品質要求不高的小負荷用電，如圖4所示。如水塔水輪發電機發電不足，由380 V化水工作段補充，如水塔水輪發電機發電超出負荷所需，可通過化水變壓器反送至廠用電系統。

圖4 水塔發電輸出方案示意

2 性能計算分析

利用焓差法，綜合考慮冷卻塔的熱力特性和阻力特性，計算分析落水發電項目所提出的改造技術對冷卻塔的熱力性能的影響。

2.1 計算分析目的

冷卻塔落水發電改造技術，對冷卻塔雨區的冷卻能力和阻力特性均帶來了影響，進而影響到冷卻塔的熱力性能。本次計算的目的是對改造后的冷卻塔熱力性能變化情況進行計算，分析專利ZL 2017 2 0879818.4所涉及的改造技術對冷卻塔性能的影響趨勢。

2.2 計算分析方法

2.2.1 冷卻塔的空氣動力計算

冷卻塔空氣動力計算的最終結果是求得總阻力Z和總抽力H的平衡，即Z=H。此時冷卻塔內部的氣水流動達到穩定狀態。

2.2.2 冷卻塔的抽力計算

自然通風逆流濕式冷卻塔的空氣流動是由塔內外空氣密度差產生的抽力所引起的。在冷卻塔中，氣水之間發生傳熱傳質，空氣溫度升高，濕度增大，密度減小。在配水系統上部的塔筒內，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為塔內空氣密度，kg/m3；He應是塔外大氣在進風口半高處的壓力和塔內相應高度處空氣的氣壓差。一般認為空氣從進風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上部到塔頂的距離與噴嘴到進風口半高處距離的一半的和。

2.2.3 冷卻塔的阻力計算

空氣從進風口進入冷卻塔，穿過雨區、填料層、配水系統、收水器，從塔出口排出，在穿過這些部件時會產生通風阻力。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；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為從進風口到配水系統上部的阻力系數；ξ2為雨區阻力系數；ξ3為塔筒出口阻力系數；ξf為填料層尼阻力系數；ε為進風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 冷卻塔的熱力計算

冷卻塔熱力計算的最終結果就是求得冷卻能力和冷卻任務的平衡，即Nc=Nt。Nt為冷卻塔的冷卻任務，kJ/h；Nc為測試出的冷卻塔冷卻能力，kJ/h。此時，冷卻塔內空氣溫度、濕度以及水溫分布均達到穩定狀態。

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。當對雨區進行改造時，在雨區中部即將落雨進行收集，造成雨區的冷卻能力下降，進行計算時需進行考慮。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為試驗系數，由填料模擬試驗求得；n為試驗指數，由填料模擬試驗求得；λ為氣水比，%；Nr為雨區減少所損失的冷卻能力，kJ/h；Hr為減少的雨區高度，m。

2.2.6 冷卻塔的冷卻任務

已知氣象條件、進塔水溫、出塔水溫和氣水比的條件下，冷卻塔的冷卻任務采用焓差法可以表示為

(10)

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

通常情況下，冷卻任務可用辛普遜二段近似積分求解

式中：i1″、i2″、im″為水溫t1、t2、tm對應的飽和空氣焓值，tm=(t1+t2)/2；i1、i2、im為空氣進口、出口及進出口平均焓值。

2.2.7 冷卻塔性能迭代計算

冷卻塔的計算包括空氣動力計算和熱力計算兩部分，由于出塔水溫t2和填料斷面風速vf都是未知的，因此，冷卻塔性能求解是一個迭代計算的過程。計算時，首先假設一個出塔水溫t2，在此基礎上再假設填料斷面風速vf，求出在出塔水溫為t2時，滿足冷卻塔抽力H和阻力Z相平衡時的填料斷面風速vf。在此風速下，再分別計算冷卻任務Nt和冷卻能力Nc。如果Nt>Nc，則說明假設的出塔水溫t2偏小，然后增大t2重新計算；如果Nt

圖5 自然通風冷卻塔性能迭代計算流程

2.3 案例計算及分析

2.3.1 計算分析對象

以某電廠為例電廠裝機容量2×660 MW，2臺機組配用2座10 000 m2雙曲線逆流式自然通風冷卻塔。塔內裝有淋水填料層、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計院設計。

冷卻塔的設計熱力參數：循環水量，69 984 m3/h；大氣壓力，99.91 kPa；干球溫度，31.94 ℃；濕球溫度，26.10 ℃；相對濕度，63.6%；出塔水溫，31.8 ℃。

表1 不同冷卻能力和阻力系數降低幅度時的出口水溫改善度 ℃

冷卻塔相關尺寸：淋水面積，10 000 m2；填料梁底標高，10.98 m；塔筒進風口標高，10.80 m；配水管中心標高，14.20 m；塔筒喉部標高，120 m；喉部直徑，68.80 m；塔筒頂部標高，160 m。

冷卻塔冷卻能力測試結果

Nc=2.495λ0.77。

2.3.2 結果及分析

利用上述的迭代計算方法，以及電廠相關參數對雨區冷卻能力和阻力特性下降對冷卻塔出口水溫的影響進行了計算。從圖6可知，其他條件不變時，降低雨區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，當其他條件不變時，減小雨區阻力特性將增大冷卻塔通風量，使得填料區換熱增強，出口水溫隨之下降，冷卻塔的熱力性能得到提高。

圖6 雨區冷卻能力降低對出口水溫的影響

圖7 雨區阻力系數降低對出口水溫的影響

從結構上減少冷卻塔雨區：一方面雨區冷卻能力下降，對冷卻塔冷卻性能帶來不利影響；另一方面，雨區的減少，降低了雨區通風阻力，增大了冷卻塔氣水比，提高了填料區換熱，加強了冷卻塔換熱。冷卻塔雨區改造對冷卻塔熱力性能的綜合影響是這兩方面的綜合。

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

2.4 冷卻塔性能結論

冷水塔落水發電法提出了一種在冷卻塔雨區中部設置導流板，對雨區落水進行收集，降低雨區落水噪音，再利用與集水池的高差進行發電進行能量回收的技術。

利用焓差法，綜合考慮冷卻塔的熱力特性和阻力特性，對專利所提出的改造技術對冷卻塔的熱力性能的影響進行了計算分析，得出如下結論。

(1)從冷卻塔結構上減少冷卻塔雨區行程，使得冷卻塔的冷卻能力下降，當其他條件不變時，將使冷卻塔出口水溫提高，對冷卻塔性能造成不利影響。

(2)從冷卻塔結構上減少冷卻塔雨區行程，使得冷卻塔的阻力下降，當其他條件不變時，將使得冷卻塔出口水溫降低，對冷卻塔性能造成有利影響。

(3)表1中用灰色標出了冷卻塔性能下降的區域，利用專利技術對冷卻塔雨區進行技術改造時，應避免雨區冷卻能力和阻力系數降低幅度落在這一范圍內。

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

3 項目的預期成效或目標

3.1 本方案的先進性和實用性

本方案采用市場已有的材料和設備進行組合，將冷卻塔內落水的能量進行利用，同時導流板采用降噪材料、分層布置，既解決了一部分環保問題又解決了電廠能源再利用的問題，同時也提高了設備的效率，符合節能環保的要求。目前在國內外尚未發現類似方案，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先水平。

3.2 經濟效益與社會效益

以某廠貫穿式水輪發電機組系列GLT03-40水輪機性能數據及配套表為例，選取設計水頭4 m、發電功率20千瓦和設計水頭6 m、發電功率40千瓦的水輪機各10臺，合計功率為600千瓦進行經濟效益分析。

(1)冷卻塔單臺循泵為4萬噸/小時，而我們選取的貫穿式水輪發電機合計流量為10 315 t/h(根據GLT03-40型水輪機性能數據及配套表計算)，水量完全滿足發電要求。

(2)經計算，工程合計造價約為300萬元：材料約為60萬元(含施工)；20臺水輪機設備為160萬元；試驗費及設計費80萬元(含稅金)。

(3)按一年2臺循泵滿負荷運行10個月/7 200 h，每度電按湖南上網電價0.45元/kW·h，每年可回收電費194.4萬元。

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