基于冷却塔气流流场特征分析的增容改造应用

2014-10-15黄蔚雯

电力与能源 2014年2期

黄蔚雯，方旭

（1.安徽电气工程职业技术学院，合肥 230051；2.淮北国安电力有限公司，淮北 235106）

1 设备概述

淮北国安电力有限公司一期1号、2号机组于2000年投入运行，设计发电机功率为300MW，改造后机组增容为320MW。循环水系统为单元制循环系统，每台机组配置2台功率为1 600kW的SEZ1600－1320型循环水泵，每台机组循环水系统配套1台5 500m2的双曲线型、逆流式自然通风冷却塔（冷却塔高为115m，环基中心直径为94 m，进风口高度为7.8m）。

循环水泵运行方式为：春夏季1台机组配2台循环水泵（1机2泵）运行，秋冬季1机1泵运行。配水系统采用管式配水，分别由主水槽上下两层接出，负责内外围配水。配水管与喷嘴间距均为1.0m，呈正方形布置，配水管由160、200、250mm三种管径组合，悬挂在除水器下面的承重梁上，内围配水喷嘴口径为24mm，外围配水喷嘴口径为26mm。采用160－45型PVC除水器，搁置在配水管上方的梁上。设计单塔最大流量为33 000m3／h，进塔水温为42.45℃，出塔水温为32.24℃。设计气象条件：干球温度为31.3℃，湿球温度为26.5℃，相对湿度为69%，大气压力为98kPa。

2 2号机组冷却塔存在的问题

2.1 设计余量不够

一定装机容量（功率）的燃煤发电机组在设计时就确定了汽轮机蒸汽用量、冷却倍率、循环水流量和冷却塔的冷却能力，即便留有一定的设计余量，但在机组经过增容改造后，原设计条件已不能满足机组满发经济运行的要求［1］。

在对机组扩容改造后，循环水设计流量为35 577m3／h，而单开一台循环水泵时设计流量仅为17 640m3／h，冷却塔的流量偏小。此外，水塔内、外区流量分配不均，配水层内区循环水压高，流量大，造成局部地区形成“柱状”水流，而外区循环水压力低、流量小，使得淋水分配很不均匀。如果单开一台循环水泵，外区靠近塔壁近1m区域存在很大区域的“干区”，相当于减少淋水面积约300m2。而冷却面积的减少使得循环水与冷却空气接触的机会减少，冷却效果变坏。由于冷水塔外缘与外界接触面最大，所用进入冷水塔起冷却作用的空气都要从冷水塔外缘首先进入，这些空气的温度在最初进入冷却塔时接近大气温度，进入冷水塔后由于吸热而被加热，因此冷却塔内的淋水与空气的温度差由外缘向中心是逐步减少，外缘的无水区对换热效果的影响非常大。

2.2 设备老化

由于设备运行了多年，冷却塔存在淋水填料结垢及老化、除水器破损、铸铁托架严重锈蚀到达使用寿命周期等缺陷，导致冷却效率下降。尤其是夏季，循环水温度经常处在34～35℃，超过了设计要求的32.24℃。凝汽器真空下降，发电煤耗上升，影响到机组的经济运行。因此，对2号机组冷却塔进行了技术改造，改造的原则和目标为：摈弃简单的更换，采用新技术，使冷却塔的冷却能力达到和超过原设计水平［2－3］。

3 冷却塔内气流流场特性的试验分析

改造前，对2号机组逆流式自然通风冷却塔进行了气流流场与温度场性能试验。冷却塔出塔空气温度测点分布如图1所示，双泵工况冷却塔出塔空气温度分布表如表1所示。

图1 冷却塔出塔空气温度测点分布

表1 双泵工况冷却塔出塔空气温度分布℃

冷却塔塔内温度场性能的试验数据显示：接近中央竖井周围的平均出塔气温为39.37℃，接近塔壁处4个方向的出塔气温为37.99℃，而从至塔壁所测得7个测点的温度除个别异常外，其他温度值都趋向于中央竖井和近塔壁处这2个温度值之间。这说明2号冷却塔内的空气温度呈现为梯度分布，中部温度梯度非常小，竖井中心温度相对偏高（空气量少），最外环区域出塔空气温度相对偏低（空气量多）。这表明2号冷却塔中部和外围换热能力是不一致的，尤其是最外围换热能力尚有富余。因此，根据测试数据对冷却塔进行相应的技术改造，可以提高冷却塔的冷却效率。

冷却塔塔内气流流场特性的试验结果表明：近进风口区域的风速明显高于塔中心区域，并且逐渐降低，这主要是由于冷却塔的抽力作用特征决定的；另外，由于塔外的干空气进入塔内，在淋水运行时，越向中心区域其空气的含湿量就越高，空气密度增大，也就加大了抽风的阻力。

4 改造方案

4.1 选择热力特性好的淋水填料

淋水填料是冷却塔进行热交换的关键部件，其热力性能和阻力特性直接影响冷却塔的冷却效果，选择冷却系数高、阻力小的填料方式是更换填料的主要手段。将在电力系统应用广泛、效果好的S波淋水填料作为本次更新的填料，其具有单位体积比表面积大、散热性能好、孔径大、凝汽器胶球通过性好、不易堵塞、阻力小、组装结构刚度好以及使用耐久性好等优越性［4－6］。

淋水填料的布置根据进风口（靠塔壁）沿径向至中央坚井不同区域的气水比特征作不等高分区布置，在外围靠近进风口区域适当增高，以发挥此区域风速高、空气密度低的特点，而在中心区域保持原填料的高度，以降低此区域的阻力，达到配水配风相对合理平衡，从而提高冷却塔的冷却效果。

改变原来等高1.0m的填料布置，变为从塔中心向外分3层布置，逐步升高，高度为1.0、1.125、1.25m，仍然保持2层组合，以保证波形的通畅。冷却塔内半径为14.95m以内，填料高1.0 m，用量为705m3；冷却塔内半径为14.95～34.174 m内，填料高1.125m，用量为3 332m3；冷却塔内半径为34.174～41.852m（塔壁处）内，填料高1.25 m，用量为2 291m3，总计用量6 328m3，比改造前填料用量5 500m3超出828m3。在近进风口区域填料高度虽然增至1.25m，但填料顶面至喷嘴仍有0.75m的间距，喷溅装置仍有足够的喷溅高度，能满足运行要求。

4.3 喷溅装置的更换技术措施

喷溅装置的型号更换为TP－II型，主要在出水管口径方面作调整，以满足填料更换后对不同区域采用不同的出水口径，达到不同的淋水密度，使配水配风更趋合理均匀。

单嘴流量采用短管出流的表达式为：

式中：Q为单嘴流量，m3／h；μ为流量系数，取0.92；A为出水口截面积，m2；g为重力加速度，m／s2；H为工作净水头，m。

喷溅装置的布置方案为：以中央坚井为中心，径向半径14.98m以内，喷嘴口径为22mm，满负荷时单嘴流量为4.88t／h，数量为672套，此区域流量为3 279t／h；径向半径为14.98～26.38m，喷嘴口径为24mm，满负荷时单嘴流量为5.83t／h，数量为1 412套，此区域流量为8 231t／h；径向半径为26.38～35.19m，喷嘴口径为26mm，满负荷时单嘴流量为6.72t／h，数量为1 624套，此区域流量为10 913t／h；径向半径35.19mm至塔壁之间，喷嘴口径为28mm，满负荷时单嘴流量为7.53 t／h，数量为1 536套，此区域流量为11 566t／h。这些数据在计算时已考虑了管道各部分的阻力，总流量达33 989t／h，可满足夏季内外围同时供水的流量要求

喷溅装置的布置方式加大了塔壁边缘区的淋水密度和流量，不必再接加长配水管就解决了盲区问题；另外，因塔壁至第一个喷嘴的距离不能小于喷溅半径，如小于喷溅半径，在大流量时，会造成大量壁流水，行成水帘而影响通风。

4.4 填料托架的更新

填料托架是淋水填料的支撑构件，既承担淋水填料运行时的湿态载荷，还需考虑托架的横断面积在保证强度要求的条件下尽可能的小，以减小阻风面积。

本次更新采用挤拉成型的高强度玻璃钢托架，具有耐腐蚀、强度高、通风阻力小、重量轻、整体性好、安装方便、使用寿命长等特点，有效通风面积大于90%，比原铸铁格栅托架的阻风面积增加了14%。玻璃钢规格选用I58型，选取填料最大容重为25kg／m2，填料表面结垢厚度为0.5 mm，运行水膜厚度为0.3mm。经过荷载校核为3.5kN，远小于玻璃钢允许校核11kN。

5 试验结果与运行分析

1）改造前当2台机组2台循环水泵运行时，2号水塔出塔水温为21.34℃，1号水塔出塔水温也为21.34℃，2号机组循环水温与1号机组相同。这说明改造前2个水塔的冷却效果是基本一样的。

2）改造后当2台机组2台循环水泵运行时，2号水塔出塔水温为25.94℃，1号水塔出塔水温为27.84℃，2号机组循环水温比号1机组低1.9℃；当双机4台循环水泵运行时，2号水塔出塔水温为31.43℃，1号水塔出塔水温为32.24℃，2号机组循环水温比1号机组低1.11℃，则2号水塔出口水温比1号水塔平均降低1.5℃。

按改造后2号机组循环水温度比1号机组平均降低1.5℃计算，可使机组微增出力达0.622%，机组真空提高约0.60%。由于2号机冷却塔改造成功，随后对1号机冷却塔进行了同样的改造，也取得了良好效果，2座冷却塔至今均运行稳定。

根据国家能源审计手册的规定，在设计条件下，循环水温度每降低1℃可使发电煤耗节省标准煤约1.1g／kWh。按照机组年利用小时数为7 000h，全年发电量为额定功率40%，标煤单价每吨为500元计算，2台机组年节约标准煤为7 392t，年节约370万元，可在一年内回收成本。