(淮南洛河发电厂 232007)
摘要：针对大唐淮南洛河发电厂国产600MW所配置的一座90002逆流式双曲线自然通风冷却塔，因早期塔内设计工艺落后，塔内淋水填料及配水方式的布置不够合理，传统喷溅装置存在下部淋水中空等问题，通过采用较为先进的二维数值模拟设计思路，对塔内淋水填料及配水方式进行优化布置，并选用自行设计新型喷溅装置以解决淋水中空问题，使冷却塔冷却能力大大提高，改善了机组经济性，实现企业节能减排目的。
关键词：冷却塔；出塔水温；喷溅装置；冷却能力
0 引言
火力发电厂的冷端系统包括凝汽器、真空泵、冷却塔、循环水泵及其供水管路。其作用是向凝汽器提供所需温度及流量的循环冷却水用以冷却主系统中做完功的乏汽，吸收乏汽的汽化潜热使其变成凝结水，从而完成循环；另一方面，也对凝汽器真空的形成与保持提供保证。其中，冷却塔冷却能力，决定了进入凝汽器循环水进水温度的高低，它将直接影响机组的经济指标。
1 存在问题
大唐淮南洛河发电厂600MW机组所配置一座90002逆流式双曲线自然通风冷却塔，其淋水面积：9000m2 ；塔总高： 150.601m；进风口高： 9.8m；出口直径： 71.972m；喉部直径： 65.79m；喉部标高： 119.843m；塔底直径：115.728m；塔底部水池内径：121.66m。夏季频率10%气象参数：干球温度：32.6℃；湿球温度：27.3℃；相对湿度：66%；大气压力：999.2hPa。冷却水量：70668m3/h；冷却水设计温差：9.02℃；在夏季频率10%气象参数下，冷却塔设计出塔水温33.49℃。该冷却塔因早期塔内设计工艺落后，塔内淋水填料及配水方式的布置不够合理；传统TPII型喷溅装置存在下部淋水中空问题；致使淋水面积未充分得到利用，喷淋区配水不均，换热效果恶化，严重影响冷却塔效果。夏季工况下，冷却塔出塔水温平均在34～36℃左右，经西安热工研究院热力性能试验经测试，5号塔的冷却能力值为89.3%，未达到设计冷却能力，严重制约机组经济运行能力。
2 冷却塔填料层厚度分布及淋水密度分布的数值优化
首先分析填料层厚度一致, 淋水密度均匀分布情况下, 冷却塔内的流动特点以及水温、空气焓值、空气含湿量等物理量沿径向分布的特点。图 1 给出了当淋水水温均匀时, 填料层顶部、填料层底部及集水池表面的水温沿半径方向的分布, 可以看出, 填料层区域是全塔冷却效率最高的地方, 但其冷却能力沿径向并不致。在 r = 0.6-0.94 的区域中, 经过填料层后的水温最低, 亦即此区域内的冷却能力最高, 而在 t = 0.0-0.3 的区域中, 水温改变很小, 即此区域内的冷却能力最低。
图1 淋水水温均匀时, 水温沿半径方向的变化曲线
类似分析空气焓值及空气含湿量沿半径方向的变化曲线, 可以得到类似的结论, 即在 r=0.6-0.94 附近的范围内, 空气的焓值与饱和焓值之间的差值, 空气含湿量与饱和含湿量的差值均比中心区 (r = 0-0.3) 或近壁区( r=1.0)明显大得多。就表明, 尽管在这一区域内, 水温已有较大的下降, 但此区域的冷却能力并没有完全发挥出来。在冷却塔中由于流动及热交换的复杂性, 其冷却能力沿半径方向是不均匀的，在中心区及塔壁附近冷却能力较低，从充分发挥各个不同区域的冷却能力考虑, 应当在冷却能力较大的区域, 增加填料层厚度或相应增大此区域的淋水密度, 而在冷却能力较低的区域应减少填料层厚度或淋水密度。
3 冷却塔填料层实际优化方案
基于冷却塔内部二维流场分布原理，并借鉴最新传热传质三维空气运动方程计算结论，对我厂#5机组冷却塔内部进行优化，采用强化传热技术对淋水填料及配水进行部分优化，根据冷却塔内部空气动力场试验特性，空气在冷却塔进风口处加速上行，在经过雨区时，气流速度缓慢减小，在到达填料区时，塔中心及塔壁处空气流速较小。结合该流场试验结论，对塔内风--水重新进行优化配置，将除塔中心及塔壁处的其它区域增加配水管道并加装新型无中空喷溅装置，对全塔喷芯直径重新进行布置，不仅可以使热量集中于空气流动较快区域，同时，由于中心淋水密度减小，对空气的阻力也相应减小，从而使气流分布均匀性得到改善。另一方面对填料的布置方案采用与配水相对应的优化，淋水填料布置为不等高的方式，将塔内填料区分为中心区和外围区，塔内中心区风速小热交换量小，淋水填料层沿径向在R=33m范围内的中心区域全部更换为原规格1000×500×500mm“S”波淋水填料，淋水填料层沿径向在R=33~53.54范围内的冷却塔外围区采用1250×500×500mm布置高度的“S”波淋水填料，全塔约增加填料面积约1500平方米，以增加外区的散热能力，减小内区的气流阻力，使配风均匀化，从而达到提高散热效率的目的。
图2 填料分区示意图 图3 配水分区示意图
4 冷却塔喷溅装置中空优化
结合优化方案，自主研发了一种新型喷溅装置如图2，优化前冷却塔均采用传统TP-Ⅱ型喷溅装置，该型喷溅装置由于底部溅水碟为实体曲面圆盘结构，溅水过程中溅水碟下方形成了一个圆柱形的中空无水区间，使配水分散不够均匀，该中空区域的配水则只能依靠周围其它喷溅装置所分散的少量水珠来补充，且溅散齿为同角度设计，水流溅散效果不佳，简单地说，这部分中空区域下部的淋水填料因没有足够的水量通过，造成了冷却塔内有效冷却面积的减小，冷却塔效率降低。所研发新型喷溅装置通过在溅水碟底部开设若干小圆孔并成圆周均匀分布，构成若干圆周半径不同的圆环，且不同圆周半径上的所述小圆孔错开设置，这样设置的小圆孔可以保证溅散碟下部中空区域的配水均匀，提高冷却和补水效果；所述小圆孔还可以按照所述圆环直径越小，位于所述圆环上的所述小圆孔的孔径越大的规则设置，这样设置是考虑到下部中空区域内靠外侧的部分可以通过溅散配水补充并且外圈孔径减小还可以不降低水的溅散效果，对溅散齿也进行了相应改进，将其由原先单一角度形式竖齿分为外圆溅散齿和内圆溅散齿，外圆溅散齿和内圆溅散齿交错设置，外圆溅散齿为锥形倾斜齿向圆周外侧倾斜，内圆溅散齿为锥形竖直齿，这样的齿形布置使水流在不同的位置受到不同方向的阻挠，互相冲击碰撞，溅散为细小水花，与空气进行热交换，还能够少量补充溅水碟下部中空区域的配水，其中溅散齿向圆周外侧倾斜与所述溅散板夹角为120°,有效改善了淋水不均问题。该装置已获得国家实用型专利（专利号：ZL.2015.2 0038321.0）
图4 新型喷溅装置结构示意图
图中：1、悬吊装置；2、喷嘴；3、连接肋；4、溅水碟；5、水；6、溅散齿面；7、中心轴；8、外圆溅散齿；9、内圆溅散齿；10、小圆孔；11、十字筋；12、溅散板。
5 冷却塔热力性能试验分析
采用5号塔实测热力性能方程式计算各有效工况点的出塔水温，并与实测出塔水温相比较，对实测热力性能方程式进行评价。计算5号塔在设计工况条件下的实测冷却能力值。
公式1：热平衡误差：
公式4：6.3.5 蒸发损失水量
图5 5号塔优化前实测热力性能曲线
6 试验结论及经济性分析
经西安热工研究院对优化后冷却塔性能进行测试，5号冷却塔的冷却能力值为116.5%，超过了设计冷却能力。在夏季频率10%气象条件下，5号塔计算出塔水温为32.84℃，比改造前计算出塔水温34.67℃降低1.83℃。
图6 5号塔优化后实测热力性能曲线
根据630MW机组循环水温度降低1℃，机组热耗率可降低0.19%，机组煤耗可降低0.6g/kwh，按5号机组2015年度发电利用小时数5890小时计算（考虑夏、冬季冷却塔效率对机组热耗影响不同的因素，影响系数折算为0.75）：
630000×5890×0.6×1.83×0.75×10-6＝3055吨
3055×500元/吨＝152.7万元
每燃烧一吨标煤排放二氧化碳约2.62吨，年减少二氧化碳排放8004吨，每燃烧一吨标煤排放产生SO2约0.024吨，可减少SO2排放约73.32吨。
结束语
大唐淮南洛河发电厂通过对5号机组冷却塔节能优化改进，降低了机组煤耗指标，其优化节能效果明显，同时改善了机组环保指标，进一步提高了企业在燃煤发电企业当中的竞争力，，在同类型自然通风冷却塔中具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]黄东涛，等.逆流式冷却塔填料及淋水分布的数值优化设计[J].应用力学学报.2000，17.
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[3]毛献忠, 自然通风冷却塔流场及热质交换的数值模拟, 清华大学硕士论文, 1992.
[4]毛献忠, 陈充文, 黄东涛, 逆流式自然通风冷却塔流场及热质交换的数值模拟, 计算物理, 1994.
[5]邹洋等. 大唐淮南洛河发电厂5号9000m2自然通风冷却塔改造前后热力性能诊断试验报告．西安：西安热工研究院有限公司，2015.10.
论文作者:高明
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/7
标签：冷却塔论文; 填料论文; 水温论文; 能力论文; 机组论文; 装置论文; 区域论文; 《电力设备》2016年第15期论文;