喷雾式冷却塔能力提升因地制宜改造技术

沈鑫豪

(上海梅山工业民用工程设计研究院有限公司,江苏 南京 210039)

目前,发电机组凝汽器冷却方式大多采用循环水冷却,循环冷却水系统冷却塔主要有逆流式、横流式、喷雾式等。

江苏南京某钢企发电机组凝汽器的冷却塔为喷雾式冷却塔,冷却塔设计循环水量为6 870 m3/h,设计进水温度为41℃,设计出水温度为36 ℃,温差为5 K,设计干球温度为33.60 ℃,设计湿球温度为28.10 ℃。

由于发电机组产能增加,该冷却塔长期处于满负荷运行状态。经现场调研,改造前冷却塔循环水量为8 000 m3/h,高于设计值;且经过多年运行冷却效率逐年降低,在夏季冷却塔出水温度达到42 ℃左右,高于设计值。需要冷却塔出水温度下降约3 K,才能保证发电机组安全稳定运行要求。因此,笔者系统性分析了提升冷却塔降温能力的技术措施以及达到的效果。

1 问题分析

由于循环水量增大到8 000 m3/h,该冷却塔产生了如下问题:

(1) 旋转喷雾装置喷头工作效果不理想,有的喷雾装置损坏,甚至不旋转,导致水流沿喷嘴方向直接喷出。

(2) 喷头喷出的基本为大水滴,喷头本应雾化出大量的小水滴,水流雾化效果差。

(3) 喷头喷出的水滴分布不均匀,现场看见大量的水冲击在冷却塔内部隔墙上,在墙上形成多股水流往下流入集水池中;大水滴和水流使得水与空气接触的比表面积减少,单位时间内水的蒸发量减少,从而使单位时间内散发热量减少。

(4) 旋转喷雾装置本身含有叶片,在水的反作用力下旋转,起到一定的强制通风作用。塔顶收水器湿热空气聚集,通风条件不利。冷却塔通风不利情况下,易造成进塔空气量减少,塔顶湿热空气回流至冷却塔内,影响冷却塔效果。

以上问题导致冷却塔实际运行过程中在夏季较高温时期循环水集水池出水温度达到42 ℃左右,不能满足发电机组凝汽器所需进水温度,机组运行效率低,不能保证机组安全、稳定、高效运行。

2017年6～8月冷却塔运行数据见表1。从表1中可以看出夏季时集水池供水温度基本在41 ℃以上。当冷却塔冷却能力不足时,冷却塔出水温度比设计出水温度高,最终导致机组发电效率降低。

表1 2017年(6～8月)发电机组运行数据表Table 1 Operation data of generator set in 2017 (June to August)

2 冷却塔降温的技术措施

若新增冷却塔提升降温能力,经冷却塔选型计算后得出新增的冷却塔占地总面积约需180 m2才能满足8 000 m3/h循环水量的要求,现场剩余建筑面积不能满足设计需要。因此笔者从水冷却理论、喷雾式冷却塔工作原理等方面对冷却塔能力提升的技术措施进行了分析。

2.1 水冷却理论

冷却塔中水的冷却过程主要通过蒸发传热和接触传热实现,不同季节两者所占比例不同。冬季时空气温度很低,以接触传热为主,接触传热量可达到50%左右;夏季时空气温度较高,有时空气的温度甚至高于冷却水的温度,接触传热量很小,蒸发传热量约占80%～90%。

冷却塔的作用是将与凝汽器蒸汽换热而温度升高的冷却水再与空气进行换热而降低温度。理论上冷却塔单位时间内冷却水所散发的热量(H)等于单位时间内在凝汽器中换热所增加的热量,即式(1):

H=CwQΔt×103

(1)

式中:Cw为水的比热容, 4.187 kJ/(kg·K);Q为循环水量,m3/h;Δt为水温差,K。

由式(1)可知,当冷却水所散发的热量H增加时,需要增加循环水量Q,或者增加水温差Δt。

2.2 喷雾式冷却塔工作原理分析

该发电机组凝汽器使用的冷却塔为无填料喷雾型冷却塔,构造如图1所示。

图1 无填料喷雾型冷却塔构造图Fig.1 Structure diagram of spray cooling tower without filler

喷雾型冷却塔主要由喷雾推进雾化装置、塔体、引风筒、淋水筛网、收水器等几个部分组成。其核心是喷雾推进雾化装置,它由旋转雾化喷头、水室、密封传动机构及与喷头同步旋转的风叶组成。

喷雾型冷却塔的工作原理:循环水通过回水余压由进水管进入,经水室均匀地分布在喷头上,喷头在水平方向上存在倾角,因此水流产生水平方向的反推力推动旋转机构及风叶旋转。

水流经过喷头的作用产生了细小的水滴和雾滴,水滴的当量直径较小,经过上喷型喷头的水压作用,水滴获得了一定向上初速度,水滴运动轨迹为先上升后下降。水滴在上升的过程中相互碰撞,颗粒合并体积增大,加之受地心引力作用达到一定高度开始下落,同时风叶的旋转,加强了空气流动,空气由冷却塔两侧百叶窗进入冷却塔后形成上升气流,由下部向上吹向水滴。有一部分小颗粒在下降的过程中又受上升气流的推动而呈悬浮状,继续碰撞最后下落,剩下的是蒸发的水蒸气和很细小的雾状水滴顺风向上,经收水器将水滴在收水器片上碰撞成大颗粒水珠下落。

带着湿度的热空气从冷却塔上方送入大气,释放了热量的大颗粒水滴下落至冷却塔下方的集水池集中回用。

从上述原理看,喷雾式冷却塔降温效果取决于三个方面:

(1) 塔内空气和冷却水接触的比表面积。

(2) 塔内空气流速。

(3) 冷却水在塔内的停留时间。

2.3 改进措施

结合冷却塔工作原理及运行过程中存在问题的分析后,对于冷却塔能力提升的改造可以采用以下三种技术措施:

(1) 为了增大冷却水在冷却塔内和空气的接触面积,对现有旋转雾化喷头进行优化,更换为满足8 000 m3/h的型号。

(2) 为了增加塔内空气流速,需要在冷却塔顶部增加LTF型风机、风筒等设备。由于改造前冷却塔无风机风筒,经过结构校核,结构荷载的条件满足增加风机和风筒要求。

(3) 为了增加冷却水在冷却塔内的停留时间,需要提高旋转喷雾装置高度和增加塔体高度,因为小水滴在塔内的竖向运动为自由落体运动:h=1/2gt2。但发电机组没有停产工期去满足,同时投资成本较高,该措施在本次改造中不予考虑。

因此,本次改造主要措施为:

(1) 优化更换旋转喷雾装置。该措施可以把现有塔内的冷却水大水滴变成粒径更小的水滴,解决了原有喷头损坏问题;同时在现有水量和水压工况下,将喷头更换为满足8 000 m3/h的型号,提高了雾化效果,使布水更加均匀,提升了单位时间内单位面积上水滴与空气的传热效率。

(2) 在现有喷雾型冷却塔的基础上在塔顶增设机械通风措施。该措施可以在淋水密度不变的情况下,提高气水比,增加塔内空气流量,增加单位时间内水滴接触的空气量,改善现有冷却塔的通风条件,提升冷却塔的冷却能力。

改造后的冷却塔详见图2。

3 结果分析

本次改造降低了循环水集水池的水温,预期循环水温度会比改造前下降约3 K,能够满足发电机组安全稳定运行要求,使机组效率提高约1.5%。

通过对2021年6、7月实测运行数据(详见表2)的分析,实际运行循环水温度比2017年改造前的运行数据下降5～6 K,达到改造要求的目标,降温效果优于预期,发电机组效率和发电量也高于预期。

图2 冷却塔改造方案图Fig.2 Transformation scheme of cooling tower

表2 2021年6、7月发电机组运行数据表Table 2 Operation data of generator set in 2021 (June to July)

4 结论

结合循环水冷却设备所在区域新增冷却塔场地不够及工期和成本的需求,本次喷雾式冷却塔能力提升的改造从水冷却理论与冷却塔工作原理考虑,将原有喷雾式冷却塔的通风方式进行改善,通过塔顶增设风机加大了通风量,并优化更换了旋转喷雾装置。预期比改造前降温3 K的情况下就能够使发电机组的机组效率提升1.5%;实际运行中降温效果比改造前降温5～6 K,优于预期,改造取得了良好的效果。