循環(huán)冷卻水塔整體節(jié)能優(yōu)化研究

徐加鵬

(大唐長(zhǎng)春第二熱電有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春　130031)

循環(huán)冷卻水塔是火力發(fā)電廠熱力循環(huán)中的重要輔助設(shè)備，其熱力性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)效益。目前，北方地區(qū)部分電廠由于缺乏對(duì)冷卻塔節(jié)能潛力的認(rèn)知，對(duì)其改造的投入不足，導(dǎo)致其冷卻能力逐年降低，出塔水溫高于設(shè)計(jì)值，凝汽器真空下降，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，提出一方面采用新型淋水填料方案，在延長(zhǎng)抗凍、抗拉等使用壽命前提下，增大氣-水結(jié)合面積，改善淋水填料的熱力性能及阻力特性；另一方面，進(jìn)行塔內(nèi)冷卻風(fēng)與循環(huán)水優(yōu)化配比改造，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的配水與配風(fēng)，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化噴濺裝置口徑從內(nèi)區(qū)到外區(qū)逐漸增大的過(guò)渡，及在冷卻塔填料區(qū)采用非線性布置方法，提高冷卻塔換熱能力，實(shí)現(xiàn)電廠機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)最大化。

1　冷卻水塔現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1　冷卻水塔現(xiàn)狀

大唐長(zhǎng)春第二熱電有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春二熱)3號(hào)機(jī)采用雙曲線型自然通風(fēng)逆流式冷卻水塔，冷卻水塔塔高為85 m，淋水面積3 000 m2，進(jìn)風(fēng)口高5.8 m，冷卻面積為3 000 m2。冷卻塔采用雙管、單豎井進(jìn)水，全塔共4條封閉主水槽呈十字形布置。塔芯由淋水填料、噴濺裝置、配水管、除水器、填料支撐網(wǎng)格柵等組成，于2005年7月隨機(jī)組投入運(yùn)行。由于冬季水塔運(yùn)行，塔內(nèi)積冰脫落砸壞部分噴淋設(shè)備，沉積多年配水管臨時(shí)封堵，造成水塔噴淋效果差，冷卻后循環(huán)水溫度，比相同負(fù)荷的4號(hào)機(jī)水塔要高2 ℃，說(shuō)明水塔冷卻效果較差；另一方面，由于早期粉煤灰管道漏泄、循環(huán)水使用中水等原因造成水塔填料結(jié)垢嚴(yán)重，厚度達(dá)到1 mm，嚴(yán)重影響冷卻效果，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性下降。

1.2　存在的問(wèn)題

a.3號(hào)塔淋水填料為“S”波形，其熱力性能及阻力特性較差。冷卻系數(shù)較差、通風(fēng)阻力大的原因在于：波形不夠優(yōu)化；片距較大，氣-水結(jié)合面積較小。另外抗凍、抗拉、抗壓、抗水腐性等較差，使用壽命較短。

b.塔內(nèi)淋水填料層高1 m，采用等高布置方式，未充分考慮到塔內(nèi)空氣流場(chǎng)的不均衡性，內(nèi)圍上升空氣已充分吸濕吸熱，但風(fēng)速較低、新風(fēng)量??；外圍上升空氣未充分換熱，存在進(jìn)一步降溫的空間。

c.3號(hào)塔所用噴濺裝置為XPH改進(jìn)型噴濺裝置，其水力學(xué)特性較差。與其他現(xiàn)用噴頭比較，噴灑半徑較小，濺水均勻性差，流量系數(shù)、流量特征數(shù)較?。凰屋^粗，滯空時(shí)間相對(duì)較短。

d.3號(hào)塔未充分考慮到配水場(chǎng)、填料場(chǎng)與空氣流場(chǎng)的匹配性，傳統(tǒng)冷卻塔設(shè)計(jì)中，追求的是內(nèi)外各部分淋水密度的一致，這實(shí)際上是不科學(xué)的。

2　冷卻水塔整體節(jié)能優(yōu)化實(shí)施

2.1　GXT-26新型高效淋水填料性能

大型工業(yè)濕式冷卻塔的主要換熱部件一般為淋水填料，淋水填料的作用是使進(jìn)入冷卻塔的熱水盡可能成為小水滴或水膜，增大水和空氣的接觸表面積，延長(zhǎng)接觸時(shí)間，保證空氣和水良好的質(zhì)、熱交換。淋水填料因熱力和阻力性能的差異，而具有不同的冷卻能力。影響熱力和阻力性能的因素主要有波形結(jié)構(gòu)、片距、波距、波高、高度、厚度等。在高度、厚度一定的情況下，影響淋水填料熱力和阻力性能的主要是波形結(jié)構(gòu)、片距、波高、波距。目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)冷卻塔常規(guī)的淋水填料為波形結(jié)構(gòu)為“S”波、斜折波和雙斜波，片距分別為30 mm、33 mm、35 mm，甚至更大，波高為26 mm或28 mm，波距為55 mm或60 mm。GXT-26型高效淋水填料波形結(jié)構(gòu)為新斜波，片距為(26+1) mm，波高為(25+1) mm、波距為(50+1) mm。從中可見，GXT-26型高效淋水填料在片距、波高、波距方面都要小于常規(guī)的淋水填料。

對(duì)比片距30 mm、波高26 mm、波距55 mm的“S”波、斜折波和雙斜波淋水填料，與GXT-26型高效淋水填料比較見表1。

表1　4種填料相關(guān)數(shù)據(jù)比較

注：成型片延展系數(shù)為成型片完全展開的面積與平片面積的比值。

由于波形結(jié)構(gòu)、片距、波高、波距的差異，淋水填料熱力和阻力性能也不同。熱力和阻力性見表2。

表2　組裝高度1.00 m時(shí)填料熱力性能

注：λ為氣水比；g為通風(fēng)密度；q為淋水密度。

從表2可以看出：GXT-26型高效淋水填料的冷卻性能好于常用的“S”波、雙斜波淋水填料。通風(fēng)阻力還略小于“S”波、雙斜波淋水填料。

GXT-26型高效淋水填料，采用原生料，每立方米質(zhì)量不小于24 kg,添加一定比例的輕鈣粉和抗凍劑?？箟盒?、抗凍性、抗燃性、延展性、熱力特性、通風(fēng)阻力、使用壽命等都優(yōu)于傳統(tǒng)填料，GXT-26型高效淋水填料的物理力學(xué)性能及成型片在65 ℃熱水浸泡72 h的耐溫性能見表3。

表3　GXT-26型高效淋水填料的物理力學(xué)性能

目前，常用的淋水填料大都參照DL/T 933—2005《冷卻塔淋水填料、除水器、噴濺裝置性能試驗(yàn)方法》大部分片距為30 mm、33 mm。GXT-26型高效淋水填料片距為26 mm，片距小于DL/T 933—2005要求。相同體積的淋水填料組裝塊，片距26 mm的冷卻面積比片距30 mm、33 mm的分別大12.0%或23.4%。也就是說(shuō)：長(zhǎng)春二熱3 000 m2冷卻塔，同樣采用1.00 m等高布置，使用GXT-26填料后，相當(dāng)于比傳統(tǒng)填料增加12.0%～23.4%的冷卻面積，達(dá)到3 360～3 702 m2，解決了冷卻塔冷卻面積設(shè)計(jì)不足帶來(lái)的問(wèn)題，起到增容的作用,不同片距淋水填料冷卻面積數(shù)據(jù)對(duì)比見表4。

表4　不同片距淋水填料冷卻面積數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)西安熱工研究院第三方試驗(yàn)表明：在自然通風(fēng)冷卻塔常用氣水比范圍內(nèi)，GXT-26型淋水填料的熱力特性可比常規(guī)間距斜折波提高21%～28%，通風(fēng)阻力為常規(guī)間距斜折波阻力的83%～99%。在10 000 m2自然通風(fēng)冷卻塔，采用GXT-26型淋水填料的出塔水溫可比采用常規(guī)間距斜折波淋水填料時(shí)的出塔水溫降低約0.8～1.0 ℃。不同形式淋水填料冷卻系數(shù)對(duì)比見表5。

表5　不同形式淋水填料冷卻系數(shù)對(duì)比

從表5可以看出，1.00 m高的GXT-26型高效淋水填料組裝塊的冷卻能力與1.25 m高的其他波形的淋水填料組裝塊相近。

2.2　淋水填料布置方式優(yōu)化

冷卻水塔內(nèi)淋水填料“非等高布置優(yōu)化”布置示意圖見圖1。

圖1　冷卻水塔內(nèi)淋水填料“非等高布置優(yōu)化”示意圖

傳統(tǒng)冷卻塔運(yùn)行中存在填料分布和填料空氣動(dòng)力場(chǎng)匹配不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，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(wèn)題，影響到內(nèi)圍循環(huán)水的冷卻，因此有必要在更換淋水填料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)淋水填料布置的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)淋水填料分布和淋水填料內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的良好匹配，實(shí)現(xiàn)冷卻塔整體熱力性能的最大化。

對(duì)淋水填料進(jìn)行布置優(yōu)化，即在冷卻塔填料區(qū)采用非線性布置。根據(jù)塔內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，盡可能的實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)空氣流場(chǎng)和填料分布的耦合優(yōu)化，充分發(fā)揮各部分填料的冷卻潛力，在不同半徑處，填料高度有所差異。

具體填料高度的半徑差異通過(guò)數(shù)值模擬的方法獲得。為充分利用外圍上升空氣的吸熱吸濕能力，進(jìn)一步對(duì)外圍循環(huán)水進(jìn)行冷卻，可增大外圍填料厚度。對(duì)比外圍循環(huán)水溫，內(nèi)圍水溫較高，但內(nèi)圍空氣流速較低，且內(nèi)圍空氣的吸熱吸濕能力已得到充分利用。為強(qiáng)化內(nèi)圍換熱，進(jìn)一步對(duì)內(nèi)圍循環(huán)水進(jìn)行冷卻，可考慮通過(guò)減小內(nèi)圍填料厚度來(lái)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。

由于冷卻塔噴頭與填料層頂部間距不小于700 mm的限制，為保證噴濺裝置最佳的噴灑高度，擬分內(nèi)外兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行淋水填料的非等高布置優(yōu)化，內(nèi)圍采用1.00 m的高度，外圍采用1.25 m高度；以更好匹配塔內(nèi)空氣流場(chǎng)。“非等高布置優(yōu)化”方式同樣可以起到增加冷卻塔冷卻面積的效果(傳統(tǒng)填料60～66 片/m3，GXT-26型填料74片/m3。同樣布置3 000 m2塔，采用非等高技術(shù)布置共需3 750 m3填料，合277 500片；傳統(tǒng)1.00 m布置需用3 000 m3的填料，合180 000～198 000片。GXT-26型填料實(shí)際要比傳統(tǒng)填料多用97 500～79 500片，合1 625～1 205 m3的填料)。GXT-26高效填料采用非等高布置與30、33 mm片距填料傳統(tǒng)1.00 m等高布置冷卻面積對(duì)比見表6。

2.3　高性能TP-Ⅱ型噴濺裝置配置

TP-Ⅱ型噴濺裝置、噴淋效果見圖2、圖3。

不同類型噴濺裝置的濺散均勻性、濺散半徑、流量系數(shù)流量特征數(shù)不同，采用高性能的噴濺裝置，對(duì)冷卻塔效率的提高有著不容忽視的影響，同時(shí)，也能更好的適應(yīng)淋水填料場(chǎng)的高度差異。

表6　GXT-26高效填料采用非等高布置與30、33 mm片距填料傳統(tǒng)1.00 m等高布置冷卻面積對(duì)比

圖2　TP-Ⅱ型噴濺裝置

圖3　噴淋效果

TP-Ⅱ型噴頭為典型的重力濺散型噴濺裝置，其特點(diǎn)是：在濺水時(shí)形成水滴上拋落下，使水滴進(jìn)行了兩次冷卻；濺水均勻性好；濺散半徑較大；流量系數(shù)、流量特征數(shù)也較大；四周相互交叉配水可克服濺水盤下方無(wú)水現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)TP-Ⅱ、XPH型、多層流型，XPH改進(jìn)型,四種噴濺裝置的水力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，TP-Ⅱ型噴濺裝置的水力學(xué)性能最好，XPH型、多層流型次之，XPH改進(jìn)型最差，TP-Ⅱ型為濺碟型噴頭，對(duì)噴頭底盤到填料頂部的濺水距離反應(yīng)不明顯，如考慮在冷卻塔原設(shè)計(jì)1.00 m高度填料基礎(chǔ)上再增加一定高度的填料，TP-Ⅱ型噴濺裝置較為適宜。

2.4　氣-水比優(yōu)化

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的配水系統(tǒng)主要由進(jìn)水管、豎井、水槽或配水管、噴濺裝置組成。冷卻塔把來(lái)自凝汽器的熱水先用豎井送到配水高程，然后通過(guò)水槽或配水管將水分布到整個(gè)塔的淋水?dāng)嗝嫔?，再用噴濺裝置將水灑向填料。

配水的好壞直接影響著填料能否被合理有效利用、空氣和熱水熱質(zhì)交換進(jìn)行的程度，進(jìn)而影響到出塔水溫。

目前，冷卻塔配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，追求的是各區(qū)均勻配水，以達(dá)到淋水密度一致。盡管有些冷水塔根據(jù)上塔水量的大小，可調(diào)整為內(nèi)、外區(qū)配水，但在內(nèi)、外區(qū)配水內(nèi)部，追求的也是均勻配水，以使淋水密度都保持一致。淋水密度是單位時(shí)間通過(guò)1 m2淋水填料斷面的水量，其計(jì)量單位通常以kg/(m2·h)表示。

實(shí)際上，塔內(nèi)空氣流場(chǎng)在各處不是均勻分布的，各處風(fēng)速及風(fēng)量并不一致，在冷卻塔配水管不變的情況下，現(xiàn)實(shí)的路徑為：利用此次噴濺裝置更換的有利時(shí)機(jī)，調(diào)整優(yōu)化噴濺裝置口徑，從內(nèi)區(qū)到外區(qū)逐漸連續(xù)增大，以使淋水密度從內(nèi)區(qū)到外區(qū)連續(xù)增大。同時(shí)，參考冷卻塔所處地的常年風(fēng)向(尤其是夏季風(fēng)向)，適當(dāng)加大背風(fēng)區(qū)的淋水密度。優(yōu)化的具體內(nèi)容可通過(guò)建立冷卻塔熱態(tài)模型以找出其塔內(nèi)空氣流場(chǎng)的分布規(guī)律，然后在循環(huán)水量、水頭壓力等約束條件下，不斷試算得出具體配水管口徑的配備組合。

3　結(jié)論

通過(guò)循環(huán)冷卻水塔節(jié)能優(yōu)化研究，在采用高效淋水填料及布置方式優(yōu)化、高性能噴濺裝置、氣水比優(yōu)化等措施下，可使冷卻塔出水溫度平均下降1.0～1.5 ℃，使其達(dá)到并超過(guò)設(shè)計(jì)致冷效果，減少了各種污染物的排放，降低了供電煤耗，提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。