沈鑫豪

(上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計研究院有限公司,江蘇 南京 210039)

目前,發(fā)電機(jī)組凝汽器冷卻方式大多采用循環(huán)水冷卻,循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻塔主要有逆流式、橫流式、噴霧式等。

江蘇南京某鋼企發(fā)電機(jī)組凝汽器的冷卻塔為噴霧式冷卻塔,冷卻塔設(shè)計循環(huán)水量為6 870 m3/h,設(shè)計進(jìn)水溫度為41℃,設(shè)計出水溫度為36 ℃,溫差為5 K,設(shè)計干球溫度為33.60 ℃,設(shè)計濕球溫度為28.10 ℃。

由于發(fā)電機(jī)組產(chǎn)能增加,該冷卻塔長期處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研,改造前冷卻塔循環(huán)水量為8 000 m3/h,高于設(shè)計值;且經(jīng)過多年運(yùn)行冷卻效率逐年降低,在夏季冷卻塔出水溫度達(dá)到42 ℃左右,高于設(shè)計值。需要冷卻塔出水溫度下降約3 K,才能保證發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。因此,筆者系統(tǒng)性分析了提升冷卻塔降溫能力的技術(shù)措施以及達(dá)到的效果。

1 問題分析

由于循環(huán)水量增大到8 000 m3/h,該冷卻塔產(chǎn)生了如下問題:

(1) 旋轉(zhuǎn)噴霧裝置噴頭工作效果不理想,有的噴霧裝置損壞,甚至不旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致水流沿噴嘴方向直接噴出。

(2) 噴頭噴出的基本為大水滴,噴頭本應(yīng)霧化出大量的小水滴,水流霧化效果差。

(3) 噴頭噴出的水滴分布不均勻,現(xiàn)場看見大量的水沖擊在冷卻塔內(nèi)部隔墻上,在墻上形成多股水流往下流入集水池中;大水滴和水流使得水與空氣接觸的比表面積減少,單位時間內(nèi)水的蒸發(fā)量減少,從而使單位時間內(nèi)散發(fā)熱量減少。

(4) 旋轉(zhuǎn)噴霧裝置本身含有葉片,在水的反作用力下旋轉(zhuǎn),起到一定的強(qiáng)制通風(fēng)作用。塔頂收水器濕熱空氣聚集,通風(fēng)條件不利。冷卻塔通風(fēng)不利情況下,易造成進(jìn)塔空氣量減少,塔頂濕熱空氣回流至冷卻塔內(nèi),影響冷卻塔效果。

以上問題導(dǎo)致冷卻塔實(shí)際運(yùn)行過程中在夏季較高溫時期循環(huán)水集水池出水溫度達(dá)到42 ℃左右,不能滿足發(fā)電機(jī)組凝汽器所需進(jìn)水溫度,機(jī)組運(yùn)行效率低,不能保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2017年6～8月冷卻塔運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。從表1中可以看出夏季時集水池供水溫度基本在41 ℃以上。當(dāng)冷卻塔冷卻能力不足時,冷卻塔出水溫度比設(shè)計出水溫度高,最終導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率降低。

表1 2017年(6～8月)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)表Table 1 Operation data of generator set in 2017 (June to August)

2 冷卻塔降溫的技術(shù)措施

若新增冷卻塔提升降溫能力,經(jīng)冷卻塔選型計算后得出新增的冷卻塔占地總面積約需180 m2才能滿足8 000 m3/h循環(huán)水量的要求,現(xiàn)場剩余建筑面積不能滿足設(shè)計需要。因此筆者從水冷卻理論、噴霧式冷卻塔工作原理等方面對冷卻塔能力提升的技術(shù)措施進(jìn)行了分析。

2.1 水冷卻理論

冷卻塔中水的冷卻過程主要通過蒸發(fā)傳熱和接觸傳熱實(shí)現(xiàn),不同季節(jié)兩者所占比例不同。冬季時空氣溫度很低,以接觸傳熱為主,接觸傳熱量可達(dá)到50%左右;夏季時空氣溫度較高,有時空氣的溫度甚至高于冷卻水的溫度,接觸傳熱量很小,蒸發(fā)傳熱量約占80%～90%。

冷卻塔的作用是將與凝汽器蒸汽換熱而溫度升高的冷卻水再與空氣進(jìn)行換熱而降低溫度。理論上冷卻塔單位時間內(nèi)冷卻水所散發(fā)的熱量(H)等于單位時間內(nèi)在凝汽器中換熱所增加的熱量,即式(1):

H=CwQΔt×103

(1)

式中:Cw為水的比熱容, 4.187 kJ/(kg·K);Q為循環(huán)水量,m3/h;Δt為水溫差,K。

由式(1)可知,當(dāng)冷卻水所散發(fā)的熱量H增加時,需要增加循環(huán)水量Q,或者增加水溫差Δt。

2.2 噴霧式冷卻塔工作原理分析

該發(fā)電機(jī)組凝汽器使用的冷卻塔為無填料噴霧型冷卻塔,構(gòu)造如圖1所示。

圖1 無填料噴霧型冷卻塔構(gòu)造圖Fig.1 Structure diagram of spray cooling tower without filler

噴霧型冷卻塔主要由噴霧推進(jìn)霧化裝置、塔體、引風(fēng)筒、淋水篩網(wǎng)、收水器等幾個部分組成。其核心是噴霧推進(jìn)霧化裝置,它由旋轉(zhuǎn)霧化噴頭、水室、密封傳動機(jī)構(gòu)及與噴頭同步旋轉(zhuǎn)的風(fēng)葉組成。

噴霧型冷卻塔的工作原理:循環(huán)水通過回水余壓由進(jìn)水管進(jìn)入,經(jīng)水室均勻地分布在噴頭上,噴頭在水平方向上存在傾角,因此水流產(chǎn)生水平方向的反推力推動旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)。

水流經(jīng)過噴頭的作用產(chǎn)生了細(xì)小的水滴和霧滴,水滴的當(dāng)量直徑較小,經(jīng)過上噴型噴頭的水壓作用,水滴獲得了一定向上初速度,水滴運(yùn)動軌跡為先上升后下降。水滴在上升的過程中相互碰撞,顆粒合并體積增大,加之受地心引力作用達(dá)到一定高度開始下落,同時風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn),加強(qiáng)了空氣流動,空氣由冷卻塔兩側(cè)百葉窗進(jìn)入冷卻塔后形成上升氣流,由下部向上吹向水滴。有一部分小顆粒在下降的過程中又受上升氣流的推動而呈懸浮狀,繼續(xù)碰撞最后下落,剩下的是蒸發(fā)的水蒸氣和很細(xì)小的霧狀水滴順風(fēng)向上,經(jīng)收水器將水滴在收水器片上碰撞成大顆粒水珠下落。

帶著濕度的熱空氣從冷卻塔上方送入大氣,釋放了熱量的大顆粒水滴下落至冷卻塔下方的集水池集中回用。

從上述原理看,噴霧式冷卻塔降溫效果取決于三個方面:

(1) 塔內(nèi)空氣和冷卻水接觸的比表面積。

(2) 塔內(nèi)空氣流速。

(3) 冷卻水在塔內(nèi)的停留時間。

2.3 改進(jìn)措施

結(jié)合冷卻塔工作原理及運(yùn)行過程中存在問題的分析后,對于冷卻塔能力提升的改造可以采用以下三種技術(shù)措施:

(1) 為了增大冷卻水在冷卻塔內(nèi)和空氣的接觸面積,對現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)霧化噴頭進(jìn)行優(yōu)化,更換為滿足8 000 m3/h的型號。

(2) 為了增加塔內(nèi)空氣流速,需要在冷卻塔頂部增加LTF型風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒等設(shè)備。由于改造前冷卻塔無風(fēng)機(jī)風(fēng)筒,經(jīng)過結(jié)構(gòu)校核,結(jié)構(gòu)荷載的條件滿足增加風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒要求。

(3) 為了增加冷卻水在冷卻塔內(nèi)的停留時間,需要提高旋轉(zhuǎn)噴霧裝置高度和增加塔體高度,因為小水滴在塔內(nèi)的豎向運(yùn)動為自由落體運(yùn)動:h=1/2gt2。但發(fā)電機(jī)組沒有停產(chǎn)工期去滿足,同時投資成本較高,該措施在本次改造中不予考慮。

因此,本次改造主要措施為:

(1) 優(yōu)化更換旋轉(zhuǎn)噴霧裝置。該措施可以把現(xiàn)有塔內(nèi)的冷卻水大水滴變成粒徑更小的水滴,解決了原有噴頭損壞問題;同時在現(xiàn)有水量和水壓工況下,將噴頭更換為滿足8 000 m3/h的型號,提高了霧化效果,使布水更加均勻,提升了單位時間內(nèi)單位面積上水滴與空氣的傳熱效率。

(2) 在現(xiàn)有噴霧型冷卻塔的基礎(chǔ)上在塔頂增設(shè)機(jī)械通風(fēng)措施。該措施可以在淋水密度不變的情況下,提高氣水比,增加塔內(nèi)空氣流量,增加單位時間內(nèi)水滴接觸的空氣量,改善現(xiàn)有冷卻塔的通風(fēng)條件,提升冷卻塔的冷卻能力。

改造后的冷卻塔詳見圖2。

3 結(jié)果分析

本次改造降低了循環(huán)水集水池的水溫,預(yù)期循環(huán)水溫度會比改造前下降約3 K,能夠滿足發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行要求,使機(jī)組效率提高約1.5%。

通過對2021年6、7月實(shí)測運(yùn)行數(shù)據(jù)(詳見表2)的分析,實(shí)際運(yùn)行循環(huán)水溫度比2017年改造前的運(yùn)行數(shù)據(jù)下降5～6 K,達(dá)到改造要求的目標(biāo),降溫效果優(yōu)于預(yù)期,發(fā)電機(jī)組效率和發(fā)電量也高于預(yù)期。

圖2 冷卻塔改造方案圖Fig.2 Transformation scheme of cooling tower

表2 2021年6、7月發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)表Table 2 Operation data of generator set in 2021 (June to July)

4 結(jié)論

結(jié)合循環(huán)水冷卻設(shè)備所在區(qū)域新增冷卻塔場地不夠及工期和成本的需求,本次噴霧式冷卻塔能力提升的改造從水冷卻理論與冷卻塔工作原理考慮,將原有噴霧式冷卻塔的通風(fēng)方式進(jìn)行改善,通過塔頂增設(shè)風(fēng)機(jī)加大了通風(fēng)量,并優(yōu)化更換了旋轉(zhuǎn)噴霧裝置。預(yù)期比改造前降溫3 K的情況下就能夠使發(fā)電機(jī)組的機(jī)組效率提升1.5%;實(shí)際運(yùn)行中降溫效果比改造前降溫5～6 K,優(yōu)于預(yù)期,改造取得了良好的效果。