600 MW火电机组冷却塔加装进风导流装置的设计与实践

周 昊，郝红亮

(国电蚌埠发电有限公司 设备管理部，安徽 蚌埠 233411)

0 引言

自然通风冷却塔是火电厂中重要的冷端设备之一，其性能对火电机组运行的热经济性和安全性有较大的影响[1，2]。冷却塔的出塔水温是反映冷却塔综合冷却性能的重要指标[3～5]，对于闭式循环水系统，冷却塔的出塔水温就是凝汽器的进口水温，其每降低1℃，将使凝汽器压力降低0.3～0.4kPa，发电标准煤耗率降低约0.8 g/kW·h。

一般情况下，冷却塔的高度、喉部直径、入风口高度、填料型号、填料面积及高度、水塔底部直径确定以后，冷却塔的冷却能力就基本确定了。但运行过程中，冷却塔的冷却性能受很多因素的影响，例如:风量、风向、风温、相对湿度、塔内空气流场分布、填料有效面积等。对于自然通风冷却塔，环境风场周向分布不均匀是影响其冷却性能的主要因素之一[6～9]。因此，在冷却塔进风口处加装导流装置 (也称导向板，以下同)，以改善冷却塔进风口处的环境风场，对于提高冷却塔的冷却性能、降低发电标准煤耗率具有重要的意义。本文以国电蚌埠发电有限公司1号机组(600 MW)自然通风冷却塔为例，对进风导流装置进行了设计和工程实践，并通过对实测数据的对比分析，验证了该装置的性能。

1 冷却塔进风导流装置的工作原理

自然通风冷却塔一般采用双曲线旋转壳体(塔筒)模式，壳体由底部沿圆周均匀分布的人字柱支撑。壳体内由淋水构架、淋水填料、配水系统、除水器等部件构成塔芯。人字柱上部的环梁与集水池池壁上部形成的空间，就是冷却塔的进风口。

1.1 环境风对自然通风冷却塔冷却性能的影响

自然通风冷却塔是依靠塔内外的空气密度差产生压差，使空气源源不断地流进塔内，在与热水传热、传质过程中带走热量。在无风状态下，空气在冷却塔内部各点的速度是不同的，因此一旦受到外部自然风波动的影响，塔内的空气就会产生波动、局部部位形成漩涡。如图1所示，漩涡区可达冷却塔内部总空间的1/3，甚至更大，影响了冷却塔的冷却效率。另外，由于环境自然风同时穿越冷却塔内部的淋水区和冷却塔周边外部区，也会形成塔内外的空气压力差，出现局部漩涡，阻碍空气进入冷却塔。根据测试数据表明，进入冷却塔的空气的水平区域，一般不会超过进风口的高度。

由此可见，环境风将导致塔内气水流场分布不均，引起相间热质交换过程恶化，从而使得自然通风冷却塔冷却性能恶化，出塔水温升高。

图1 冷却塔内的涡流区Fig.1 Eddy current zone in air cooling tower

1.2 进风导流装置对自然通风冷却塔的影响

如图2所示，进风导流装置安装在冷却塔进气窗的前部，是由若干竖向档板组成的冷导向装置，竖向档板的最佳位置和角度是根据冷却塔的具体参数确定的。加装进风导流装置，可使进入冷却塔的空气成切线方向进入，在塔内部形成了稳定的旋转上升气流。一方面，减少了冷却水塔内部的涡流区，改善了塔内的空气动力条件，提高了冷却水塔的冷却效率;另一方面，使得进入冷却塔的冷却空气沿径向更深、更均匀地贯穿于冷却塔的整个喷溅区域，延长了空气与冷却水的传热、传质时间，避免了空气流的不均匀分配、出现停滞带、返流现象，进一步降低了冷却塔内的冷却水温度，有效地提高了冷却塔的热交换率。

图2 冷却塔进风导流装置Fig.2 Guide plate at cooling tower air-inlet

2 冷却塔进风导流装置的设计

2.1 国电蚌埠发电有限公司冷却塔参数

国电蚌埠发电有限公司1号冷却塔的通风筒采用双曲线型现浇钢筋混凝土结构，塔高150.6 m，喉部标高119.8 m，进风口标高9.8 m，塔顶外半径36.0 m，喉部中面半径33.0 m，进风口中面半径54.2 m，塔底部集水池内径121.7 m，内底标高-2.0 m。冷却塔的通风筒由48对人字柱与基础连接，人字柱采用Φ800 mm预制钢筋混凝土结构。主水槽呈十字正交布置，管式压力配水。在冷却塔进风口区设置十字玻璃钢挡风墙，其规格为5 500×1 000×30 mm。冷却塔设计出水温度为20℃，设计冷却水量为19.4 m3/s。

2.2 进风导流装置的设计参数

冷却塔进风导流装置按夏季主导风向进行设计，同时兼顾春秋季工况。本文以国电蚌埠发电有限公司1号冷却塔为例，经过数值模拟、热态试验及风洞试验，优化设计了冷却塔进风导流装置的结构参数和安装角度。如图3所示，沿冷却塔圆周方向布置了84块导流板，共分为16组，每一组内的导流板用拉筋连接，以增加强度。

导流板为钢筋砼结构，厚度为20 cm，其剖面图如图4所示。

图3 冷却塔进风导流装置布置平面图Fig.3 Planar graph of guide plate installation

导流板的安装位置和安装角度可分为7种，

图4 导流板剖面图Fig.4 Cross section of guide plate

如表1所示。

表1 导流板的安装参数Tab.1 Installation parameters of guide plate

3 冷却塔进风导流装置的实践

国电蚌埠发电有限公司共有两台同型号600 MW超临界机组，其中，1号冷却塔于2010年10月～12月加装了进风导流装置，2号冷却塔未加装进风导流装置。为了验证冷却塔进风导流装置的性能，对2011年4月份1号、2号机组相同负荷下的冷却塔运行数据进行了对比分析，共采集数据687组，如图5所示。

从图5可以看出，加装冷却塔进风导流装置后，冷却塔内水的温降平均增加了1.2℃，即凝汽器入口冷却水温平均下降了1.2℃。

4 经济效益分析

针对国电蚌埠发电有限公司1号冷却塔加装进风导流装置，进行了热经济性计算。根据背压对机组热耗的修正曲线，背压每变化1 kPa，标准煤耗率变化1.0%。机组发电标准煤耗率为306 g/kW·h，年满负荷发电小时数为6 000 h，标煤价格为800元/t，凝汽器入口冷却水温平均下降了1.2℃。经计算，可得不同工况下的年节标煤、年节约燃料费，如表2所示。

图5 冷却塔内水的温降与入塔水温的关系Fig.5 Relationship between temperature drop and inlet temperature

表2 热经济性计算结果Tab.2 Calculation results of thermal economy

从表2可以看出，冷却水温对年节约标煤的数量有较大的影响。冷却水温越高，加装进风导流装置所节约标煤量越多，其效果越明显。按全年平均冷却水温为25℃计算，年可节约燃料费317.3万元。该冷却塔进风导流装置共需投资800万元，静态投资回收期约为2.6年。

5 结论

本文以国电蚌埠发电有限公司600 MW自然通风冷却塔为例，对进风导流装置进行了设计和工程实践，取得了如下结论:

(1)经过数值模拟、热态试验及风洞试验，对冷却塔进风导流装置进行了优化设计，得到了进风导流装置的结构参数及安装角度。

(2)通过对实测数据的对比分析，加装进风导流装置可使凝汽器进口水温降低1.2℃，年节约燃料费317.3万元，投资回收期2.6年。

(3)冷却塔进风导流装置能够有效改善塔内外的空气流场，提高冷却塔的冷却效率。

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