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(xué)研究院，哈爾濱150030)

某公司自投產(chǎn)以來，經(jīng)過多年生產(chǎn)運(yùn)行，存在雙曲線冷卻水塔冷卻效率下降、機(jī)組凝汽器真空值偏低等問題，直接影響機(jī)組循環(huán)熱效率。因此，本文運(yùn)用數(shù)據(jù)采集及效率計(jì)算，分析了高效淋水填料、新型噴濺裝置對冷卻水塔經(jīng)濟(jì)性的影響，并對冷卻塔運(yùn)行中存在的問題采取了相應(yīng)的解決措施，降低了燃煤成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 冷卻水塔概況

某公司2臺(tái)機(jī)組分別配備1個(gè)自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔。冷卻塔冷卻面積為4 000 m2，進(jìn)風(fēng)口高度為7.3 m，填料底標(biāo)高為8.05 m，頂標(biāo)高為9.3 m，塔總高為105 m。當(dāng)?shù)丨h(huán)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(fēng)速為2.8 m/s，冬季平均風(fēng)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(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 冷卻塔結(jié)構(gòu)幾何尺寸

2 數(shù)據(jù)采集及效率計(jì)算

1號機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集如表1所示。

表1 1號機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)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(jī)冷卻塔冷卻能力不足。

2.1 無側(cè)風(fēng)條件下熱力性能計(jì)算

冷卻塔原設(shè)計(jì)填料為等高度布置，填料類型為雙斜波淋水填料(材質(zhì)為PVC塑料填料)。夏季典型工況(7月13日):機(jī)組負(fù)荷228 MW，當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度為29℃，凝結(jié)水流量643.23 t/h，循環(huán)水流量為34 300 m3/h，循環(huán)水進(jìn)塔水溫為37.8℃，循環(huán)水出塔水溫為30.3℃。

基于上述條件，結(jié)合冷卻塔幾何結(jié)構(gòu)尺寸及填料特性，首先在無側(cè)風(fēng)條件下，對該冷卻塔熱力性能及其空氣動(dòng)力場進(jìn)行計(jì)算分析，并根據(jù)該計(jì)算結(jié)果分析了塔內(nèi)空氣流速和冷卻水水溫的分布規(guī)律［1］。經(jīng)計(jì)算得知，無環(huán)境自然風(fēng)條件下該塔出塔水溫為30.402℃，與實(shí)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(nèi)冷卻水實(shí)測溫降的1.36%。這表明所建冷卻塔熱力性能三維數(shù)值計(jì)算模型可實(shí)現(xiàn)該塔熱力性能的準(zhǔn)確計(jì)算。

冷卻塔在無環(huán)境自然風(fēng)影響時(shí)，冷卻塔雨區(qū)橫截面空氣動(dòng)力場和水池水面水溫場呈周向均勻分布。在塔內(nèi)外空氣密度差所形成抽力的驅(qū)動(dòng)下，空氣高速流入塔內(nèi);在冷卻塔雨區(qū)內(nèi)，受下落雨滴的阻力和空氣向上的轉(zhuǎn)向分流影響，雨區(qū)空氣流速沿徑向逐漸減小。經(jīng)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(jìn)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(nèi)空氣動(dòng)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(shù)和冷卻水參數(shù)的分布，分析塔內(nèi)氣－水兩相傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度沿徑向的分布。以填料區(qū)z=8.7m徑向直線為基準(zhǔn)，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(qū)外圍空氣流速較大，內(nèi)圍空氣流速較小;外圍空氣溫度較低，內(nèi)圍空氣溫度較高;外圍空氣含濕量較小，內(nèi)圍空氣含濕量較高;外圍水溫較低，內(nèi)圍水溫較高。

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

在無環(huán)境自然風(fēng)影響時(shí)，冷卻塔內(nèi)圍換熱較充分，內(nèi)圍上升空氣是溫度較高、含濕量較大的濕熱空氣，表明內(nèi)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(nèi)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(shù)較大，同時(shí)外圍上升空氣還有一定的吸熱、吸濕能力。

2.2 環(huán)境自然風(fēng)熱力性能的影響

由于冷卻塔長期工作在外界環(huán)境中，環(huán)境自然風(fēng)時(shí)刻影響冷卻塔的性能，因此有必要對側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔性能的變化做出量的分析?？衫萌S冷卻塔熱力計(jì)算程序，分析計(jì)算外界側(cè)風(fēng)影響下冷卻塔的空氣動(dòng)力場以及熱物理參數(shù)的變化規(guī)律［2］。

在環(huán)境側(cè)風(fēng)影響下，雨區(qū)橫截面空氣動(dòng)力場不再呈軸對稱分布，其周向均勻性受到破壞，迎風(fēng)側(cè)空氣流速較大，背風(fēng)側(cè)空氣流速很小，外側(cè)空氣幾乎沿平行于X軸的方向穿過雨區(qū)，在雨區(qū)側(cè)后方形成空氣出流區(qū)域，降低了塔內(nèi)通風(fēng)量，使填料區(qū)和配水區(qū)傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度降低。由于空氣流場周向均勻性被破壞，導(dǎo)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(fēng)速條件下，循環(huán)水出塔水溫相對于無環(huán)境側(cè)風(fēng)影響增加了1.35℃。環(huán)境自然風(fēng)對冷卻塔性能的劣化機(jī)理主要是環(huán)境自然風(fēng)破壞了冷卻塔進(jìn)風(fēng)口周向進(jìn)風(fēng)的均勻性，改變了冷卻塔內(nèi)外空氣動(dòng)力場的軸對稱性，造成冷卻塔進(jìn)風(fēng)量的降低，從而弱化了冷卻塔的整體熱力性能。因此，在側(cè)風(fēng)條件下，須改善冷卻塔進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場，提高冷卻塔進(jìn)風(fēng)口周向進(jìn)行的均勻性，實(shí)現(xiàn)冷卻塔通風(fēng)量的增大;在較大的環(huán)境自然風(fēng)速條件下，減小空氣出流區(qū)域所形成的穿堂風(fēng)，增大冷卻塔縱向通風(fēng)量。冷卻塔通風(fēng)量的增大，可有效提高塔內(nèi)氣水比，實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)氣－水兩相間傳熱傳質(zhì)的強(qiáng)化，并最終實(shí)現(xiàn)出塔水溫的降低。

3 冷卻塔運(yùn)行中存在的問題及采取的措施

根據(jù)上述分析可知，1號機(jī)冷卻塔存在冷卻能力不足的問題。結(jié)合無環(huán)境自然風(fēng)條件下冷卻塔冷卻性能的計(jì)算分析以及現(xiàn)場巡檢，發(fā)現(xiàn)1號機(jī)冷卻水塔效率下降，主要存在以下問題:

1)塔內(nèi)空氣動(dòng)力場不均，導(dǎo)致塔內(nèi)氣水比不均，使塔內(nèi)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(shù)較低，空氣冷卻能力未被充分利用。

2)現(xiàn)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(diǎn)。

3)填料托架部分?jǐn)嗔?、變形?/p>

4)噴頭噴濺不均。

5)收水器部分損壞。

6)循環(huán)水泵入口水溫度高、凝汽器真空低(機(jī)組在夏季經(jīng)常因?yàn)檎婵者^低而帶不滿負(fù)荷)、主機(jī)潤滑油溫度高(在負(fù)荷270 MW時(shí)，達(dá)到46℃)、水環(huán)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(jī)組的真空［3］。

3.1 應(yīng)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(diǎn)如下:

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

2)波形更為優(yōu)化。該填料的波形充分考慮塔內(nèi)空氣流場及填料的阻力特性，在增大氣－水結(jié)合面積的同時(shí)，使通風(fēng)阻力下降。

3)對膠球系統(tǒng)有很好的適應(yīng)性。某公司循環(huán)水系統(tǒng)使用的膠球直徑大多數(shù)為25 mm，吸水后直徑也不超過26 mm，該板間距可保證現(xiàn)有膠球很好的通過性。

4)該型高效填料在增大了傳熱傳質(zhì)面積的同時(shí)，強(qiáng)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(fēng)面積，實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)阻力的下降。

經(jīng)試驗(yàn)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(shù)提高10%以上，將填料容積散質(zhì)系數(shù)提高5%，將通風(fēng)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(yōu)化

針對現(xiàn)有填料效率較低、通風(fēng)阻力較大的特點(diǎn)，結(jié)合1號機(jī)組塔型尺寸及設(shè)計(jì)工況，優(yōu)化填料選型。建議采用高效新型填料，并在填料優(yōu)化選型基礎(chǔ)之上，對1號機(jī)冷卻塔填料布置進(jìn)行優(yōu)化，提高1號機(jī)冷卻塔整體冷卻性能［5］。

無環(huán)境自然風(fēng)時(shí)，冷卻塔外圍水溫最低值為29.2℃，與其冷卻極限環(huán)境空氣濕球溫度25℃尚有4～5℃之差，這給外圍循環(huán)水的進(jìn)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(jìn)一步對外圍循環(huán)水進(jìn)行冷卻，可增大外圍填料厚度。

對比外圍循環(huán)水溫，內(nèi)圍水溫較高，空氣流速較低，內(nèi)圍空氣的吸熱吸濕能力得到充分利用。為強(qiáng)化內(nèi)圍換熱，進(jìn)一步對內(nèi)圍循環(huán)水進(jìn)行冷卻，可考慮通過減小內(nèi)圍填料厚度來降低內(nèi)圍上升空氣阻力，從而增大內(nèi)圍空氣流速，實(shí)現(xiàn)內(nèi)圍循環(huán)水的進(jìn)一步冷卻。

該廠冷卻塔填料原設(shè)計(jì)為等高度布置，運(yùn)行中存在填料分布和填料空氣動(dòng)力場匹配不當(dāng)?shù)膯栴}，使外圍進(jìn)塔空氣的吸熱吸濕能力未能充分利用，影響到外圍循環(huán)水的進(jìn)一步冷卻;同時(shí)，內(nèi)圍存在空氣不足的問題，影響到內(nèi)圍循環(huán)水的冷卻。因此，有必要在更換填料的基礎(chǔ)上，優(yōu)化填料布置，以實(shí)現(xiàn)填料分布和填料內(nèi)空氣動(dòng)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(nèi)圍填料厚度。

考慮塔內(nèi)氣水流場、溫度場及其含濕量場之間的匹配問題，結(jié)合典型工況對填料進(jìn)行優(yōu)化布置，實(shí)現(xiàn)填料高度沿徑向由內(nèi)而外由1.0 m增大為1.5 m。同時(shí)，對配水噴嘴進(jìn)行選型優(yōu)化，確保配水噴嘴噴濺均勻性。

在夏季典型工況下，無環(huán)境自然風(fēng)影響時(shí)，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(nèi)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℃。

3.3 采用新型噴濺裝置

原有噴濺裝置為比較落后的XPH型，主要表現(xiàn)在噴灑半徑小、水滴居空時(shí)間短、噴灑均勻性不夠。

現(xiàn)采用TP－Ⅱ型噴濺裝置，該型噴濺裝置靠四周噴濺裝置，相互交叉配水，在濺水時(shí)形成水滴上拋落下，使水滴進(jìn)行了兩次冷卻。該型噴濺裝置的濺水均勻分布系數(shù)較小，平均值不大于0.152，濺水均勻性好，濺散半徑(約為2.1 m)、流量系數(shù)、流量特征數(shù)也較大。

4 冷卻塔改造后經(jīng)濟(jì)分析

由于凝汽器入口冷卻水溫降低與熱效率的增大成反比關(guān)系，因此冷卻水的溫度每降低1℃，可導(dǎo)致機(jī)組熱效率增大0.35%。

某公司冷卻塔采用非線性優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行填料布置方式優(yōu)化后，在無環(huán)境自然風(fēng)條件下，可使出塔水溫下降0.53℃;Vc=2.8 m/s的典型自然風(fēng)風(fēng)速條件下，可使出塔水溫下降0.5℃。

在采用新型高效淋水填料、填料非均勻布置方案后，在無環(huán)境自然風(fēng)和2.8 m/s環(huán)境自然風(fēng)之間，可使出塔水溫降低1.6～1.8℃，帶來約1.4 g/kW·h的冷卻效益。在冷卻塔年運(yùn)行小時(shí)數(shù)5 000 h時(shí)，可節(jié)約標(biāo)煤2 100 t左右，按標(biāo)煤價(jià)格為700元/t進(jìn)行計(jì)算，則年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用147萬元左右。

5 結(jié)論

1)縮小填料板間距，增大填料內(nèi)淋水附著度，能夠增大填料區(qū)單位體積內(nèi)氣水兩相傳熱傳質(zhì)面積，減小填料內(nèi)大水流下落運(yùn)動(dòng)，降低填料板間通風(fēng)阻力，優(yōu)化填料總體性能。

2)新型噴濺裝置具有噴灑半徑大、無交叉死區(qū)、噴灑均勻性好、水滴居空時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。

3)冷卻塔改造投資317.2萬元，可降低煤耗約1.4 g/kW·h，年節(jié)省燃煤成本約147萬元，投資回收期2 a左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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［3］胡三季，陳玉玲，劉廷祥，等.不同高度淋水填料的熱力及阻力性能試驗(yàn)［J］.工業(yè)用水與廢水，2005，36(1):76 －77.

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