冷却塔的冷却原理及影响冷却塔冷却性能的因素.doc

冷却塔是火力发电厂必不可少的重要设备，冷却塔的作用是冷却带走汽轮机排汽热量的循环水，是火电厂整个循环过程的冷源，冷却塔的冷却性能优良直接影响着火电厂的经济运行，所以有必要对冷却塔进行研究分析。
1、冷却塔的构造
冷却塔塔体其内部结构由上至下为除水器、配水系统、喷嘴、淋水填料、水池组成，如图1-1.各组成部分作用为：
1.1.1淋水填料
淋水填料是热水在冷却塔内进行冷却的主要部件。需要冷却的热水经多次溅散成水滴或形成水膜，增加水与空气的接触面积和延长接触时间，促使热水与空气进行热交换，使水得到冷却。
1.1.2配水系统
配水系统的作用是将热水均匀地分配给喷嘴。热水分布是否均匀对冷却效果影响很大。如水量分配不均匀，不仅直接降低水的冷却效果，也会造成部分冷却水滴飞溅而飘逸出塔外，增加水量损失。
1.1.3通风筒
通风筒的作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，把排出冷却塔的湿热空气送入高空，防止或减少湿热空气回流。
1.1.4除水器
将要排出塔外的湿空气中所携带的水滴，在塔内利用收水器把水滴与空气分离，减少逸出（飘失）水量的损失和对周围环境的影响。
1.1.5喷嘴
喷嘴的作用是将配水系统分配来的水均匀的喷淋在填料上。
1.1.6水池
水池的作用是保持一定的水量，维持整个循环冷却的用水量
1.1.7塔体
指冷却塔的外壳体，其作用是起到支撑、围护和组织合适的气流功能。
1.1.8进水管
进水管把热水输送到冷却塔的配水系统。

图1-1
2、冷却塔工作原理
水在冷却塔中进行冷却的过程中，把水形成很小的水滴或极薄的水膜，扩大水与空气的接触面积和延长接触时间，是加强水的蒸发汽化，带走水中的大量热量，所以水在冷却塔中冷却的过程是传导散热和蒸发散热的过程。
水的蒸发散热
从分子运动理论来说，水的表面蒸发是由分子热运动而引起的，分子的运动又是不规则的，各分子的运动速度大小不一样，波动范围很大。当水表面的某些水分子的动能是以克服水内部对它的内聚力时，这些水分子就从水面逸出，进入空气中，这就是蒸发。由于水中动能较大的水分子逸出，那么余下来的其他水分子的平均动能减小，水的温度也随之降低，使水得到冷却，这就是蒸发散热的主要原因。所以蒸发散热是水分子运动的结果。
水的蒸发散热可以在沸腾时进行，也可以在低于沸点的温度下进行，而自然界中的蒸发散热大都是在低于沸点的温度下进行的蒸发。热水在冷却塔内的冷却是在低于沸点的情况下进行的蒸发散热现象。
从水面逸出的水分子，相互之间可能进行碰撞，或者逸出去的水分子与空气中已有的水分子之间进行相互碰撞，那么又可能重新进入到水中。如果在单位时间内逸出水分子多于回到水面中的水分子，那么水就不断蒸发，水温也就不断地降低，水就得到冷却
水的表面蒸发因在水温低于沸点的情况下进行，这时，水和空气的相交面上存在着蒸气的压力差，一般认为水与空气的接触中，在其交界面处存在着一层极薄的饱和气层，称为水面饱和气层。水首先蒸发到饱和气层中去，然后扩散到空气中去。
设水面饱和气层的温度为t1，水面的温度为tf,水滴越小或水膜越薄，那么t1与tf就越接近。设水面饱和气层的饱和水蒸汽分压力为p1，而远离水面的空气中，温度为t时（t为干球温度）水蒸气的分压力为p2，那么它们之间的分压力差为：
△p=p1-p2
这个△p就是水分子向空气中蒸发扩散的推动力，只要存在p1﹥p2（即△p为正值），那么水的表面一定产生蒸发，水一定会冷却，而与水面的温度tf是高于还是低于水面以上的空气温度t无关。如果说蒸发所消耗热量用H表示，那么在p1﹥p2的条件下，蒸发热量H总是由水面跑向空气，水中的热量总是减小的。
为加快水的蒸发散热速度，在冷却塔内要采取以下两条措施：
1.增加热水与空气之间的接触面积。接触面积越大，水分子逸出的机会越多，蒸发散热就越快。而水与空气的接触主要是在冷却塔内的淋水填料中进行，则一方面要求水在淋水填料中形成的水滴越小越好、水膜越薄越好；另一方面要求填料本身越薄越好，即填料的面积越大越好（填料越薄，总面积越大）。
2.提高填料中水膜（或水滴）水面空气流动的速度，使从水面逸出的水蒸气分子迅速地扩散到冷却塔外部的空气中去维持扩散的推动力为常数，就是不使△p降低下来。如果不迅速地排除逸出的水蒸气分子，就会使空气中的水蒸气分压力p2升高，使△p=p1-p2值变小（蒸发推动力减小），不利于蒸发。所以要保持一定的风量和风速。
传导散热
传导散热也称接触散热，有时也称接触传导散热。这种散热是指热水水面与空气直接接触时的传热过程，包括传导和对流两种传热形式。如水的温度与空气温度不一样，将会产生传热过程，当水温高于空气温度时，水就把热量传给空气，空气自身的温度就逐渐升高，使水面以上周围的空气内部的温度不均匀，这样冷空气与热空气之间就产生对流作用，对流的结果是使空气本身各点的温度达到一致，最后到水面温度与空气温度一致时传导散热停止。上述可见：传导和对流是同时发生的，总称为接触散热。
从上述讨论可见：传导散热的推动力为温度差△T=tf-t（水面温度与空气温度差），温差越大，传热效果越好。只要tf﹥t，热量始终从水面传导给空气；反过来，当tf﹤t时，热量就从空气传导给水。
汽轮机型号为C100/N125—13.24/535/535/0.245，是哈尔滨汽轮机厂生产的超高压、一次中间再热、双缸、单排汽、单轴、单抽结构，两台机组共用两座冷却水塔，冷却水塔为自然通风、风筒式、湿式、点滴薄膜式、逆流式、钢筋混凝土双曲线结构，淋水材料采用两层斜折波塑料填料，填料高1.0米。为减少循环水量的损失及水滴飘逸对周围环境的影响，冷却水塔内安装负荷材料收水器。冷却塔采用槽管配水方式。塔内设有一个钢筋混凝土进水竖井，两条压力进水管。
冷却塔的参数
淋水面积：2500m2
塔高：75m
进风口高度：5.0m
塔零米直径：62.98m
经过长期的运行观察，发现冷却塔出水水温与湿球温度在7℃以上，说明电厂两座冷却塔冷却效果不好，严重影响机组经济性。冷却塔出水水温升高1℃对机组经济性的影响见表2。
表2出塔水温升高1℃的经济性变化
项目
机组容量（MW）
25
50
125
200
350
效率降低（%）
0.454
0.381
0.31
0.328
0.242
煤耗增加［g/(kW·h)］
1.94
1.52
1.033
1.107
0.738
热耗增加［kJ/(kW·h)］
56.86
44.84
30.28
32.44
21.63
煤耗增加（t/a）
340
536
904
1550
1808
由表可见出塔水温升高1℃，电厂机组效率将会降低0.31%，煤耗增加1.033 g/(kW·h)，热耗增加30.28 kJ/(kW·h)，每天煤耗将会增加904t，对冷却塔的性能进行研究分析是非常必要的。
3.2.1喷嘴
存在问题
冷却塔采用的喷嘴为管-碟喷嘴，这种喷嘴由喷水管和溅水碟两部分组成，其缺点是会产生中空，即溅水碟附近水很少；另一个缺点是经过一段时间运行后，溅水碟位置易变动，形成与喷嘴不对中，致使喷溅效果大大降低。
解决措施
更换新型高效喷嘴，解决淋水不均问题。
3.2.2淋水填料
存在问题
电厂冷却塔采用的填料为两层斜折波塑料填料，此种形式填料冷却效果较好，质量轻，是目前冷却塔普遍采用的填料。但经过长期的运行后，填料的波形纹处积聚了大量的泥垢，减少了换热面积与换热时间，同时增加了水塔的通风阻力，影响了水塔的工作性能。
解决措施
利用停塔期间，对填料进行高压水刷洗，清楚填料中的泥垢。
3.2.3喷嘴布置
存在问题
电厂冷却塔内的喷嘴布置方式存在淋水死区，即会有部分填料上方没有水留下，间接使成冷却面积减少，造成冷却塔工作性能降低。
解决措施
优化喷嘴布置，喷嘴在平面上的排列成梅花形，方格形等，务必使喷出的水滴相互交叉不满平面。
4、总结
通过对冷却塔结构和工作原理的研究，初步分析出了电厂冷却塔冷却效果差的原因，并指出了解决问题的措施，为下一步水塔综合治理提供了方向。
5、参考文献
朱月海，循环冷却水，北京，中国建筑出版社
郑体宽，热力发电场，北京，中国电力出版社
电厂#1、#2机组运行规程
电厂汽轮机运行日志