項 林 郝慶豐

淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠

1 前言

從機組冷端系統(tǒng)著手，提高汽輪機組冷端性能，投入小、見效快，是電廠節(jié)能降耗、提高機組熱經(jīng)濟性、實現(xiàn)效益最大化的最佳途徑。對600 MW機組凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度（即冷卻塔出塔水溫）降低1℃，汽輪機排汽溫度也降低1℃，相當(dāng)于凝汽汽背壓降低0.35～0.4 kPa，影響機組煤耗近1 g/kWh。對于閉式循環(huán)供水冷卻的機組而言，冷卻塔是機組冷端系統(tǒng)中最重要的輔助設(shè)備，循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度與電廠所處地域氣候和環(huán)境影響因素外，冷卻塔的散熱性能的高低起到至關(guān)重要的作用。

2 設(shè)備概況

某電廠兩臺汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)的型號為N600-24.2/566/566的超臨界、一次中間再熱、雙背壓、反動凝汽式汽輪機（簡稱1號機、2號機）。1號、2號機各配用一臺N-36000型凝汽器和一座9 000 m2逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，冷卻能力為100.1%。冷卻塔設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 冷卻塔主要設(shè)計參數(shù)

3 強化換熱技術(shù)原理及研究內(nèi)容

傳統(tǒng)技術(shù)改造的技術(shù)原理主要是依據(jù)冷卻塔的設(shè)計模型：冷卻塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)模型為“一維均風(fēng)”模型。該模型認(rèn)為冷卻塔內(nèi)的所有傳熱與傳質(zhì)都發(fā)生在填料區(qū)（即忽略配水區(qū)與雨區(qū)的換熱），且空氣在填料區(qū)是一維運動；同時認(rèn)為塔內(nèi)空氣在填料斷面處其速度場、濕度場都是均勻分布的。在這樣的設(shè)計理念下，冷卻塔的最佳換熱狀態(tài)被認(rèn)為是均勻配水的狀態(tài)，即填料斷面各處的淋水密度盡可能相同，為配合換熱，填料也被布置為統(tǒng)一高度。冷卻塔達(dá)到設(shè)計換熱效率（換熱能力），即在設(shè)計氣象條件下的實際循環(huán)水溫降與設(shè)計溫降相等為100%（國標(biāo)中定義100±5%為達(dá)到設(shè)計冷卻能力）。

由于實際冷卻塔工作過程與模型有較大差異，使得真實冷卻塔內(nèi)進(jìn)風(fēng)與布水間沒有真正做到數(shù)量與換熱能力相匹配，從而使冷卻塔從設(shè)計狀態(tài)下就存在強化換熱空間。研究表明由于真實條件下冷卻塔內(nèi)進(jìn)風(fēng)與布水間的不匹配導(dǎo)致冷卻塔出水溫度相對于設(shè)計出塔水溫仍有近4℃的優(yōu)化空間。冷卻塔強化換熱技術(shù)即是以此為依據(jù)，通過人為調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)或調(diào)整塔內(nèi)布水，使塔內(nèi)進(jìn)風(fēng)與布水在各特征物理場上相匹配（溫度場、濕度場、速度場），從而獲得超設(shè)計冷卻能力的換熱效果。主要研究內(nèi)容包括以下幾點：

1）風(fēng)水匹配強化換熱研究和改造技術(shù)的依據(jù)是自然通風(fēng)逆流式冷卻塔的實際運行情況與模型設(shè)計存在較大出入，所以首先需要收集目標(biāo)冷卻塔的設(shè)計資料（圖紙、設(shè)計數(shù)據(jù)）及運行參數(shù)，并對改造前塔效及存在的問題進(jìn)行評估。

2）應(yīng)用大型商用流體計算軟件對冷卻塔進(jìn)行CFD（計算流體動力學(xué)）全三維建模精確計算，以摸清實際冷卻塔內(nèi)吸熱側(cè)濕空氣和放熱側(cè)循環(huán)水的溫度場、速度場、濕度場的分布情況。

3）在充分確認(rèn)實際冷水塔內(nèi)各物理場分布情況的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計冷卻塔配水系統(tǒng)及其填料的布置方式。

4）按重新確定設(shè)計的冷卻塔改造方案施工，更換全部噴淋裝置（無中空防水幕噴淋裝置），進(jìn)行重新布水，采用分多區(qū)布水（原配水管道不動），對塔內(nèi)淋水填料按方案要求進(jìn)行分區(qū)不等高重新布置。

5）進(jìn)行塔內(nèi)分區(qū)配水調(diào)試，調(diào)整填料高度，以達(dá)到最佳匹配。

6）對改造后的冷卻塔進(jìn)行塔效評估試驗。

4 冷卻塔數(shù)值模擬及特點

4.1 冷卻塔數(shù)值模擬分析

按照原塔設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，對自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行三維建模對填料區(qū)從中心到塔壁細(xì)分為A、B（等分B1/B2/B3/B4）、C（等分C1/C2）和D（等分D1/D2）四個大區(qū)域（九塊小區(qū)域），如圖1所示。

圖1 自然通風(fēng)冷卻塔填料層細(xì)分區(qū)域示意圖

以冷卻塔的工藝數(shù)值為輸入值，在計算機數(shù)值模擬計算軟件中，計算冷卻塔內(nèi)的質(zhì)量、能量和動量平衡方程，分析塔內(nèi)流場具體分布情況。

對比填料和噴淋（均布、低壓降）情況下、非均勻填料和布水（非均布、高壓降）情況下的流場對比。下面幾組云圖對比，沒給出色標(biāo)，僅僅用于趨勢分析。

由圖2速度分布圖可以看出，隨著壓力降的增大，填料層內(nèi)速度分布逐漸均勻化。（由于淋水區(qū)的阻力作用，填料層下部塔中心很難有空氣進(jìn)入，這個區(qū)域也是豎井的位置，該區(qū)域基本不發(fā)生傳質(zhì)交換）

圖2 自然通風(fēng)冷卻塔縱剖面速度分布示意圖

圖3 自然通風(fēng)冷卻塔填料層（中）速度分布示意圖

表1 冷卻塔數(shù)值模擬計算值

由圖3看出，均布填料層（左圖）的速度分布類似一個凹形火山，非均勻填料和布水（右圖）隨著非均勻化布置之后壓力降的增大“火山”高趨于平緩。

由表1數(shù)據(jù)可以看出由于填料層和噴淋、雨區(qū)的阻力作用，對各個區(qū)域的風(fēng)量重新布置優(yōu)化，每個區(qū)域內(nèi)部基本是沿徑向?qū)ΨQ的。A區(qū)的下部是豎井，且居于塔中心，風(fēng)流向和其他區(qū)域相反，帶來傳質(zhì)傳熱的負(fù)作用，但量值很小。B區(qū)和C區(qū)承擔(dān)最多的傳質(zhì)傳熱任務(wù)，但是權(quán)重不同，噴淋密度必須分區(qū)不同對待。D區(qū)是靠近塔壁的區(qū)域，面積最大，填料體積最多，但是權(quán)重偏低，需要區(qū)別對待，設(shè)置不同的噴淋密度和噴嘴方案。通過合理的分區(qū)配置最佳風(fēng)水配比，最終達(dá)到整個冷卻塔填料層的工作均勻最優(yōu)。

圖4 自然通風(fēng)冷卻塔填料層優(yōu)化風(fēng)水配比效果圖

圖4 給出了自然通風(fēng)冷卻塔中，對比了優(yōu)化前后的風(fēng)水配比情況?？梢妰?yōu)化后，風(fēng)水配比趨于均勻，整個塔內(nèi)均勻一致性好，使得冷卻效果提升。

圖5 強化換熱改造前填料頂部空氣溫度分布

圖6 強化換熱改造后填料頂部空氣溫度分布

由圖5和圖6看出，優(yōu)化后的填料頂部空氣溫度分布趨于均勻。

表2 新增不少于2 500立方淋水填料及布置方

表3 更換噴淋裝置及布置方案

4.2 風(fēng)水匹配強化換熱技術(shù)特點：

（1）充分發(fā)揮了原進(jìn)塔空氣的換熱能力；

（2）出塔空氣吸熱量的上升，使出塔空氣密度減小，由此加大了冷卻塔內(nèi)外空氣的密度差，并最終使冷卻塔的進(jìn)塔空氣量增大；

（3）出塔空氣的動能使其具有攜帶能力，其相對濕度可以超過100%，即空氣呈過飽和狀態(tài)。

（4）風(fēng)水匹配強化換熱技術(shù)的改造目標(biāo)為在設(shè)計換熱能力(100%)的基礎(chǔ)上，使冷卻塔換熱效率提升不低于15%，即達(dá)到設(shè)計值的115%以上，使出塔水溫降低達(dá)到1.0～3℃。

5 改造方案

針對該電廠1號冷卻塔進(jìn)行的計算經(jīng)多次疊代模擬分析，最終確定冷卻塔填料布置分7個換熱區(qū)域，并配置不同高度的填料以及與之相匹配的噴淋裝置。如表2與表3所示。

6 實施效果

6.1 冷卻塔配水與填料布置改造后測試效果

2015年11月該廠對1號冷卻塔進(jìn)行了“冷卻塔風(fēng)水匹配強化換熱”改造。為了檢驗冷卻塔的改造效果，2016年8月該電廠委托西安熱工研究院有限公司于對1號塔進(jìn)行了改造后熱力性能診斷試驗。試驗報告顯示1號冷卻塔風(fēng)水匹配強化換熱改造后實測冷卻能力值為115.0%，超過了設(shè)計冷卻能力。

6.2 經(jīng)濟與社會效益

冷卻塔風(fēng)水匹配改造后冷卻能力提升了14.9%，降低出塔水溫1.13℃，影響機組真空0.45 kPa，相當(dāng)于影響機組發(fā)電煤耗近1.13g/kWh，年節(jié)約標(biāo)煤2 800 t，減排CO2不小于6 000 t，經(jīng)濟與社會環(huán)保效益顯著。9 000 m2大型冷卻塔風(fēng)水匹配強化換熱技術(shù)改造，對大型及超大型自然通風(fēng)逆流式冷卻塔相應(yīng)的后續(xù)研究與改造具有示范意義。

[1] 林萬超. 《火電廠熱力系統(tǒng)節(jié)能理論》，西安交通大學(xué)出版社,1994

[2] 趙振國 ，《冷卻塔》，中國水利水電出版社，1997

日本成功設(shè)計球狀太陽能電池 成本為平板太陽能一半

最近，日本Kyosemi公司成功應(yīng)用高效的球狀設(shè)計取代傳統(tǒng)的平面設(shè)計，生產(chǎn)成本為傳統(tǒng)平板太陽能面板的一半。Sphelar球狀太陽能電池是直徑1.8mm的固體硅單元，球狀設(shè)計可在更小的空間里放置更多太陽能電池，適合安裝于各種彎曲表面。其高透明度成為太陽能窗戶、屋頂?shù)暮貌牧稀＊毺氐耐庥^設(shè)計使其最大限度暴露在陽光下，無需考慮太陽能電池板的朝向問題，省去復(fù)雜的太陽能追蹤系統(tǒng)，能從各個方向采集太陽能，接收來自不同角度的反射光和散射光，較平板太陽能面板更加高效。

（李忠東編譯）