冷却水塔内风水匹配原理在技术优化改造中的应用.pdf

电力系统110丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment冷却水塔风水匹配是指进入冷却水塔内的干冷空气和热循环水在淋水填料中进行热交换的合理配比，中科院水科院早在1990年便对自然通风冷却水塔内的流场及热交换作了数值模拟的研究和工程实例的计算。国电电力发展股份有限公司宣威分公司#9冷却水塔此次改造的目的就是要充分利用风水匹配这一原理对塔内的喷溅装置及填料进行更新换代。采用高效的旋转喷溅装置，以及采用设计更科学、热交换效率更高的淋水填料，并对填料进行更加合理的布置，使喷溅区、填料区和淋雨区个关键的风水热交换区的风阻系数、风量均匀度、喷溅装置溅水水粒粒径、填料层淋水密度、雨淋区水滴粒径得到最有效的改善，解决冷却水塔夏季工况机组运行时出塔水温高，导致凝汽器换热效果差的问题。从而降低机组冷端损失，降低供电标煤耗，提高机组经济运行能力，达到节能降耗的目的。1 机组及冷却水塔概况#9机组为300 MW 亚临界燃煤发电机组。汽轮机采用的是东方汽轮机有限公司的，型号为：N300-15.7/537/537-8型，亚临界、中间一次再热、单轴、两缸两排汽凝汽式汽轮机。机组凝汽器于2022年进行了换热管的改造，改造后的型号为：N-20500单壳体、双流程、中间对分表面式凝汽器，冷却水塔型号为：4 000 m2双曲线逆流式自然通风冷却水塔，塔高100.2 m，集水池处海拔高度为1 967.7 m，因受高原山地地形的影响，常年风向夏季及晴朗天气为南风、冬季及阴雨天气为北风。1.1 供水与配水冷却水塔进水母管直径2 240 mm，设计水流速2.07 m/s，冷却水塔设计流量8.03 m3/s，塔内进水采用2.2 m2.2 m 的钢筋混凝土方沟，设计流速1.66 m/s。中央竖井标高13.2 m，塔中央设一个断面尺寸3.0 m3.0 m的钢混结构矩形竖井，设计水流速0.89 m/s；当流量为8.03 m3/s，竖井水位为12.230 m；当流量为5.7 m3/s，内围配水区域关闭时，竖井水位为12.238 m。主水槽为钢筋混凝土浇铸，呈十字形布置，主水槽全封闭。其中有两条主水槽为双层结构，上层水槽尺寸为1.20 m（高）1.00 m（宽），负责内围配水，下层水槽尺寸为1.40 m（高）1.00 m（宽），与另外两条水槽负责外围配水，外围水槽尺寸为1.40 m（高）1.00 m（宽）。每个主水槽上部设有排汽管，用以排放水槽内聚集的空气。配水管由主水槽接出，负担全塔配水。配水管采用 PVC 管，摘 要冷却水塔是火力发电厂循环水系统中的重要设备。纯凝式机组冷端损失是机组最大的热损失，提高冷却水塔的冷却效率，降低凝汽器循环水进水温度将提高凝汽器的换热能力，降低背压，节约发电煤耗，对机组的运行经济性有着重要的影响。冷却水塔的冷却效率则与其空气动力特性有着紧密的联系。文章以国电电力发展股份有限公司宣威分公司#9机冷却水塔的节能改造为例，就冷却水塔内风水匹配原理而采取的技术措施在冷却水塔优化改造中的应用实践作了比较详细的阐述。关键词冷却水塔；空气阻力；风水匹配；冷却效率中图分类号TM621 文献标志码A 文章编号1001523X（2023）06011003The Application of The Principle of Matching Wind and Water in The Cooling Water Tower in Optimizing Technical TransformationGUAN YucanAbstractThe cooling water tower is an important equipment of the circulating water system in fossil-fuel power station,and the cold end loss of the pure condensing unit is the largest heat loss of the unit.Improving the cooling efficiency of the cooling water tower and reducing the inlet temperature of the condenser circulating water will improve the heat exchange capacity of the condenser,reduce the back pressure,and save the coal consumption for power generation,which has an important impact on the operating economy of the unit.The cooling efficiency of a cooling water tower is closely related to its aerodynamic characteristics.This article takes the energy-saving renovation of the cooling water tower of Unit 9 in Xuanwei Branch as an example,and only elaborates in detail on the technical measures taken for the application of wind water matching technology in the optimization renovation of the cooling water tower.Keywordscooling water tower;air resistance;feng Shui matching;cooling efficiency冷却水塔内风水匹配原理在技术优化改造中的应用关玉灿（国电电力发展股份有限公司宣威分公司，云南宣威655401）电力系统2023.6 电力系统装备丨111Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment规格为,160 mm、,200 mm 规格配置，配水管与配水槽及配水管与配水管间采用承插连接。1.2 运行状况及存在问题#9冷却水塔原设计喷溅装置3 884只，喷溅托盘为固定式。从而使入塔循环水经喷头喷至托盘反溅而起的水花泼散不均匀，存在条状、柱状及水粒粒径较大以及托盘容易结垢的问题，使淋水区域淋水密度参差不齐，淋水分布不均匀，淋水水粒粒径不均匀（大的大、小的小），导致风水传热效率低，冷却效果不佳。水塔原填料层设计面积4 000 m2，高度为1.0 m，等高布置。2004年，为增加喷溅水在填料层的滞留时间（提高填料处的冷却能力），将填料层高度增加至1.25 m，等高平均布置。但因此导致进入冷却水塔内的冷风风阻相应增加，风量分布、分配不均匀，造成整个水塔热交换过程气流阻力变大，冷却效果达不到预期，循环水出塔水温无变化、依然偏高。2 冷却水塔风冷分布特性分析逆流式冷却水塔进塔空气的流向与填料中淋水的流向是相反的，所以称作逆流式冷却水塔。冷风进入冷却水塔的风速、阻力以及风量分布的均匀性主要是受到风向、填料、集水器、塔内梁柱及配水槽、中央竖井、导风墙、塔进出口缘等构建物及部件的影响。在4 000 m2的淋水区域内，塔的冷却效果明显表现为外圆淋雨区冷却效果好，中心淋雨区冷却效果相对较差。塔支撑人字柱、梁柱、配水槽等构建物对风向、风阻的影响是随水塔设计建造而固定的，是不可改变的。综上所述，要有效地提高冷却水塔的冷却能力，就必须对填料的布置采取相应的变化以及对喷溅装置进行换型，更加合理地通过喷溅装置及填料来分布淋水区域淋水密度，使水塔淋雨区淋水粒径减小，塔外圆侧淋雨充沛，整塔淋雨为雨滴状、无柱状、线状等情况。冷却水塔局部纵剖面如图1所示。13.200栏杆高10003000300022002200？81926环基中心-1.500闸板起闭机竖井放气管DN150外围配水槽除水器挡风墙进水沟图1 冷却水塔局部纵剖面图如果把冷却水塔简化为一个圆形的筒体，把塔内的空气当作不可压缩的流体，也不考虑大气温度的垂直变化和风的影响，这时塔内的抽力和阻力其物理概念是平衡的，也即抽力等于阻力。表达方程式为：（1）式（1）中：g1为进塔冷空气的比重，kg/m3；g2为塔内淋水装置上部空气的比重，kg/m3；gm为进出口空气平均比重，kg/m3；He为 HF+1/2HL，HF为填料顶到风筒出口处的高度 m，HL为填料高度 m；V 为以淋水装置上部截面积计算的湿空气流速 m/s；g 为重力加速度；t为以 V 为计算标准的全塔总阻力系数，包括落水阻力、填料阻力、配水系统阻力、所有的梁系和立柱构件阻力、风筒上口出风口阻力等。3 技术方案措施3.1 清淤除垢清淤除垢后清除循环水管路、配水槽、配水管及喷溅装置喷头处积存的泥沙及垢物。#9水塔日常运行来源于水库补水，虽定期加阻垢剂等化学制剂控制水质，但依然存在配水管及喷溅装置喷头等部件结垢的情况，当结垢严重时，产生喷溅装置喷头堵塞，配水管节流，淋雨密度差异太大等情况，影响到冷却效果，严重时中央竖井内入塔水分流受阻，大量水从中央竖井顶部直接溢流，水似瀑布从竖井四周倾泻而下，不但把竖井周围的填料全部冲损，更谈不上什么冷却效果。故而必须定期进行清淤除垢的相关工作。3.2 旋转喷溅装置的运用此次改造经核查配水管路设计布置相对合理，对淋水密度分布无影响，故未对配水管进行相应的改造，只将原配水管上布置的3 884只固定式喷溅装置改为旋转喷溅装置。所谓旋转式喷溅装置就是把淋水托盘设计为在喷头水流的冲击下产生旋转，利用托盘旋转产生的离心力使水流得到最大的分散度。改造后的喷溅装置溅水粒径显著减小，分散均匀，无线、柱状水线，且在离心力的作用下，溅水高度比原固定式的高了近100150 mm，增加了水粒的溅空高度和滞空时间，充分提高了喷溅冷却效果。3.3 填料的换型及非线性布置冷却水塔效率的70%左右是由淋水填料来实现的，因此，淋水填料的散热性能是决定其冷却效果的唯一指标；淋水填料目前均是采用塑料片经过热压成型的，成型以后的淋水填料具有很高的展开表面积，在阻力许可范围内其单位体积含有淋水散热的总表面积越大越好；目前的塑料淋水填料表面除了有一定的滞留波和凹凸几何图案，其表面都是光滑的，这对于淋水在填料表面形成薄膜是不利的。因此此次改造填料的选用为重中之重。此次改造选用了新型高效性 S 波亲水性填料。其特电力系统112丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment点为：填料表面凸起花纹均匀地分布在淋水填料片的两面，增加了淋水填料的有效散热面积，设计出塔水温比常规淋水填料降低约0.3。同时将原填料1.25 m 等高布置改为1.0 m 非线性布置，塔内南、北方向配水管路淋雨区域（中心区）采用1.0 m 等高纵向布置，塔内东、西方向配水管路淋雨区域（外圆区）采用1.0 m 等高填料调90横向布置，用0.5 m 高的填料把梁柱、配水槽下方以及塔外圆壁的间隙全部填满。改造后的填料淋雨粒径明显减小，均为雨滴状，原梁柱处存在的线、柱状水已不存在，填料的非线性布置对改善冷却水塔内的气流流场起到了较好的作用。4 实施结果的验证2022年9月，#9机冷却水塔在改造后由西安热工院进行了热力性能试验。测试结果表明，冷却塔塔内流场分布均匀性较好，配水系统运行良好，全塔配水均匀。冷却水塔平均实测冷却能力值为115.1%。有关数据整理如表1所示。表1#9机冷却水塔改造后测试数据测试项目名称一机一泵工况一机两泵工况大气压力（kPa）805805进塔空气干球温度（）18.74 19.7223.38 25.09进塔空气湿球温度（）15.98 16.7218.27 18.65环境风速（m/s）0.5 1.20.8 1.6填料处风速（m/s）0.97 0.981.19 1.21冷却水量（m3/h）15 50829 460进塔水温（）31.88 32.2537.22 37.65出塔水温（）22.17 22.7427.10 27.39进出水温差（）8.049.95 结论从#9冷却水塔性能试验结果可以看出，冷却水塔塔内流场分布均匀性较好，配水系统运行良好，全塔配水均匀。冷却水塔在夏季 P=10%气象条件与工况下冷却水塔出塔水温为26.02，比设计出塔水温值下降1.14。冷却水塔冷却能力提高至115.1%。由此可见，按风水匹配的原理，旋转喷溅装置的采用改善了托盘喷溅水粒状态，对填料层淋水的均匀性和密度分布起到了决定性的作用。恢复原1.0 m 填料设计高度，并合理地对淋水填料高度进行了非线性布置，使水塔在东、西、南、北四个填料淋水区域进风风量状况有了明显改善，总体趋向于平衡，达到了预期的风水匹配度。水塔冷却效果显著提升，起到了节能降耗的作用。参考文献1 姜婷玉，李亚平，江叶峰，等.温控负荷提供电力系统辅助服务的关键技术综述 J.电力系统自动化，2022（11）：191-207.2 王冲，王秀丽，鞠平，等.电力系统随机分析方法研究综述 J.电力系统自动化，2022（3）：184-199.3 朱继忠，骆腾燕，吴皖莉，等.综合能源系统运行可靠性评估评述：模型驱动法 J.电工技术学报，2022（11）：2761-2776.4 卫志农，裴蕾，陈胜，等.高比例新能源交直流混合配电网优化运行与安全分析研究综述 J.电力自动化设备，2021（9）：85-94.