韶关市坪石发电厂有限公司（Ｂ厂） 512229
摘要：本文在剖析冷却塔不同区域内气水的传热传质机理以及影响冷却塔冷却性能的各主要因素的基础上，探讨了冷却塔运行方式的优化措施。
关键词:火电厂；循环冷却塔；问题；优化
1、引言
目前我国最常用的冷却塔塔型仍为双曲线型常规冷却塔，具有能创造良好的空气动力条件，可减少通风阻力和塔顶出口处的空气回流，冷却效果相对稳定等特点。除目前研究较多的循环水参数和环境参数外，塔型参数和冷却塔运行方式对冷却塔冷却性能也具有不可忽视的影响。塔总高、进风口高度、喉部高度、出口直径、出口扩散角、填料高度等结构参数的改变，均会使塔内空气流场发生变化，进而对冷却塔热力性能产生较大影响。目前国内外发电厂大多重视于冷却塔水侧性能的改善，包括改变填料、改变喷嘴结构、改变喷嘴布置方式等，而几乎没有优化冷却塔运行方式的。
2、冷却塔的基本原理及功能分析
冷却塔实质上是一个混合式换热器，循环水和空气在冷却塔内进行复杂的热量、质量传递和动量交换。
2.1 热质传递基本原理
循环水从配水区喷嘴喷出后顺次通过配水区、填料区和雨区，流动过程中不断以对流传热、对流传质和辐射换热等方式将热量传递给逆向流动的冷空气。由于循环水和空气的温度不高，辐射散热量较小，可忽略不计，因此，在分析冷却塔传热传质性能时，仅考虑前两种热质传递方式即可。
循环水温度高于流经其表面的空气时，会以接触散热的方式将热量传给空气，推动力为水汽温差。单位时间内水通过对流传热传给空气的热量为：
（3-1）
式中：Kh：对流传热系数，W/（m2·℃）；
tw：水温，℃；
θ：空气干球温度，℃；
dA：水气的接触面积，m2。
当水温低于空气温度时，则要吸收空气散发的热量。实际计算时常忽略水滴或水膜内部的导热热阻，认为其表面和内部温度处处相同。对流传热系数Kh与两相相对运动速率以及循环水的形态有关，计算时为获得Kh的值，通常用努赛尔数Nu将其表达为无量纲热量流量，并将Nu数表示为雷诺数Re和普朗特数Pr的函数，将等式联立即可计算得到对流传热系数。
传热斯坦顿数St是努赛尔数Nu、普朗特数Pr以及雷诺数Re三者的综合准则，表征流体实际对流传热热流密度与流体可传递最大热流密度之比，其表达式为：
（3-2）
式中：ρ：流体密度，kg/m3；
u：流体的流动速度，m/s；
cp：定压比热容，kJ/(kg·℃)。
水蒸气吸收热量从气液交界面饱和层向大气中扩散，发生蒸发散热，以降低水温。根据道尔顿定律，即空气中蒸发的水量是由饱和空气层中的水蒸气分压力与空气中水蒸气分压力之差决定的，单位时间内通过表面dA蒸发的水量dW可由下式来计算：
（3-3）
式中：βp：以水蒸气分压力差为基准的散质系数，kg/(m2·h·Pa)；
P’’v：水面薄饱和层蒸气压力，Pa；
Pv：湿空气中的水蒸气分压力，Pa。
在冷却塔的热力计算中，麦克尔公式得到了广泛的应用，首次应用了焓的概念统一了散热和散质，从而使计算参数减小。由于冷却塔填料复杂的形状结构，表面面积难以准确测定，通常采用填料的体积来代替其表面积。在麦克尔公式中不恰当地引用了不精确的公式，导致计算结果存在一定误差，对公式进行修订。
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βx：以含湿量差为基准的散质系数，kg/(m2·h)；
x’’、x：空气在饱和状态下的含湿量和实际含湿量；
rw：水的汽化潜热，kJ/kg；
Cw：湿空气的比热，kJ/(kg·℃)；
i’’、i’：空气在饱和状态下的比焓和实际空气的比焓，kJ/kg；
βxv：填料的容积散质系数，kg/(m3·h)；
Le=α/(βxCw)：刘易斯数。
2.2 空气动力分析
自然通风冷却塔塔筒产生的抽力是实现塔内外空气流动的驱动力。密度ρa1的塔外冷空气从塔底进风口进入后，与热水进行热质交换，通过雨区、填料和配水区后变为饱和或接近饱和的密度为ρa2的热空气，再从塔顶排出。塔外空气密度大，空气进口处压强大；塔内空气密度小、压强小。塔内外的压差即冷却塔的抽力Fs：
（3-9）
式中：He：有效高度，m；
g：重力加速度，m/s2；
ρa1、ρa2：进塔冷空气、出塔热空气的密度，kg/m3。
空气流经冷却塔各部件或区域时会受到阻力，阻力与抽力相平衡时：
（3-10）
式中：ξt：塔的总阻力系数；
v0：填料断面的气流速度，m/s；
ρam：填料断面空气密度，ρam=（ρa1+ρa2）/2，kg/m3。
2.3 冷却塔冷却性能
填料层区域是自然通风冷却塔最主要的换热部分，研究表明其占到冷却塔总换热量的60%-70%。因此，应选择温降大、气流阻力小、价格便宜的填料。采用亲水性材料，使水在填料表面能形成水膜，缓慢流下，有充分的散热时间，以提高散热效率。当运行中由于某种原因导致淋水填料损坏或堵塞时，填料的有效换热面积减少，淋水密度增大。在逆流式冷却塔中，淋水密度不能太大，否则会发生堵塞现象，即当淋水密度超过一定值后，水膜会失去稳定，形成波动，波幅数倍于水膜厚度，甚至成雨状下落，使气流阻力急剧增加，恶化传热效果。临界的水膜厚度同气流速度的关系为：
（3-11）
式中：：气流速度，m/s；
、：水和空气的密度，；
g：重力加速度，；
：水膜厚度，cm；
：水的粘性系数，。
冷却塔配水优化的关键在于，实现配水与空气动力场的协调。局部配水障碍的存在，会不同程度的降低冷却塔的性能，随着局部配水障碍面积的增加，冷却塔的冷却性能也将逐渐恶化。
2.4 课题研究的关键点和难点
（1）通过现场优化试验的方式实现外围区域配水及外围区域配水和部分内围区域配水两者之间的冷却塔性能比较；
（2）控制现场优化试验过程中各影响条件，如负荷、风速、环境温度等在允许的变化范围之内。
四、研究内容和实施方案
本课题研究内容和实施方案具体如下：
（1）根据冷却塔目前存在的问题，即单机运行时冷却塔外围区域配水，内围区域没有合理利用及外界环境温度升高时，凝汽器真空较低的情况，研究、分析冷却塔的传热传质影响因素；
（2）单台机组运行时，分别选择2台循泵及3台循泵运行的时间段，当各个影响因素均在允许范围内时，进行冷却塔的配水优化试验。试验时需测试冷却塔内围区域加装阀门未开启及开启不同数量的阀门时对应的各组参数并对试验数据进行计算分析；
（3）提出不同工况下（如：负荷，循环水泵运行台数）的优化运行方式。
3、课题的效益分析
本项目对内围冷却塔进行改造，获得两台和三台循环水泵运行时对应的最佳换热面积，可以降低循环水的出水温度，提高电厂的经济效益。该项目成果可以广泛应用于“双机一台”的机组以及仅用冷却塔外围区域进行冷却换热的机组。
该课题成果能够实现机组单机运行时，部分内围区域纳入到外围面积内，通过对各个配水支管上阀门的控制，增加冷却塔的换热面积，实现冷却塔进、出水温差增加1℃以上。
根据坪石电厂设备数据可知，凝汽器循环水入口温度降低1℃，约减少煤耗0.8g/kW.h。按年发电量130000万、一吨标煤500元人民币计算，每年可节约52万元以上，投资回收期为1.60年。
论文作者:陈勇龙
论文发表刊物:《科技新时代》2018年5期
论文发表时间:2018/7/18
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