湿冷自然通风冷却塔性能指标及影响因素分析

2024-04-05郭容赫

资源节约与环保 2024年1期

郭容赫魏东姜虹

（1 华电电力科学研究院有限公司东北分公司辽宁沈阳 110180 2 华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂黑龙江哈尔滨 150028）

引言

火电厂生产过程中有许多重要辅助生产设备，冷却塔就是其中之一。冷却塔性能好坏对电厂的经济性和安全性都有很大程度的影响，然而由于冷却塔的复杂性，因而在运行中对其运行状态的直观检查存在一定难度，也不能及时掌握其运行性能，长期如此，让技术人员对冷却塔的运行状态不能足够重视。

对于湿冷的火电机组而言，蒸汽经汽轮机做功后排入凝汽器，蒸汽（乏汽）与冷却水（循环水）进行热交换凝结成水，用水泵送回锅炉，进行循环使用；乏汽的废热在凝汽器中传给了循环水，升温后的循坏水进入冷却塔并在塔内冷却，冷却后的循环水用水泵送入凝汽器，进行循环使用。冷却塔的作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换[1]。冷却塔冷却效果差，影响机组真空，降低机组经济性[2]。实践表明，1 台300MW 湿冷机组，凝汽器循环水入口温度升高2℃，凝汽器真空降低约1kPa，机组供电煤耗率增加约1.5g/kWh[3]，机组运行小时数按5500 计算，则煤量增加2475t/a，折合人民币250 万元。

湿冷自然通风逆流式冷却塔的结构复杂，水与空气在塔内流动耦合时，会产生诸多因素影响冷却塔性能。因此，及时掌握运行中的冷却塔性能，分析其性能指标及影响因素，对提高冷却塔冷却效果及实现节能、节水目标有着重要指导意义[4][5]。

1 冷却塔性能评价指标

1.1 冷却塔的冷却温差

冷却塔的冷却温差是指凝汽器出口循环水进入冷却塔的进水温度（t2）与出水温度（t1）之差，其计算方法见式（1）。

冷却塔的任务是将循环水冷却，因此当进入冷却塔的冷却流量、水温一定时，值越低，值越大，意味着冷却塔冷却效果越好。

1.2 冷却塔的冷却幅高

冷却塔的冷却幅高是指冷却塔的出水温度（t1）与理论冷却极限温度（tτ）的接近程度，其计算方法见式（2）。

1.3 冷却塔的冷却效率

冷却塔的完善程度可用冷却效率表示，其计算方法见式（3）。

从式（3）可以看出，当冷却塔进水温度一定，出水温度接近理论冷却极限温度时，冷却效率接近1，冷却幅高接近0。

如果冷却塔的进水温度较高，即使冷却温差较大，冷却塔的出水温度值也未必降至最低。如果进入冷却塔的冷却流量较小，即使冷却幅高较小，也不能说明冷却塔冷却效果达到最优。可见仅凭冷却温差指标或幅高指标，而不考虑边界条件，则不能完全评价冷却塔冷却效果。因此，一个好的冷却塔，不仅要有较大的进出水温差，还要有尽可能小的冷却幅高[6]。

1.4 冷却塔的冷却数

填料热力性能好坏通常用冷却数大小表示，我国常用的计算方法见式（4）、式（5）。

从式（4）可看出，空气量越大，冷却水量越小，冷却数越大，冷却效果越好。

从式（5）可看出，容积散质系数越大，冷却数越大，冷却效果越好。增大填料体积，有利于冷却，但也增加成本，需统筹考虑。

对于逆流式冷却塔冷却数，通过试验按照式（6）计算。

对于式（6）近似计算，采用分段不少于8段的辛普逊积分法或切比雪夫积分法。

1.5 冷却塔的水量损失

冷却塔水量损失有蒸发损失、风吹损失、渗漏及排污损失。其中，后2 项损失量最大，占补水量的60%～70%。

蒸发损失量按式（7）计算。

式中ΔWzf—蒸发损失量；k1—系数；Δt—冷却塔冷却温升；W—冷却水量。

风吹损失量按式（8）计算。

式中ΔWfc—风吹损失量；k2—损失率；W—冷却水量。

2 冷却塔性能试验

2.1 试验结果比较

自然通风冷却塔性能试验采用的标准有4项，即①工业冷却塔测试规程（DL/T1027）；②冷却塔验收测试规程（T/CECS118）；③冷却塔淋水填料、除水器、喷溅装置性能试验方法（DL/T933）；④常压水冷设备性能试验规程（ASME PTC23）。试验结果评价方法有冷却水温对比法、冷却水量对比法和冷却数对比法。

2.1.1 冷却水温对比法

冷却塔的实测水温差与设计水温差进行比较，实测值与设计值的比值大于95%，则认为冷却塔温降效果合格。设计水温差计算的条件与试验时相同，如环境参数、进塔水温、冷却水量等。试验工况为3 个以上，将各工况的计算结果进行平均，平均值为实测温降效果。

2.1.2 冷却水量对比法

修正后的冷却水量与设计冷却水量进行比较，修正后与设计值的比值大于95%，则认为冷却塔温降效果合格。修正后的冷却水量是指将试验条件下测得的冷却水量，修正到设计条件下的冷却水量。

2.1.3 冷却数对比法

依据试验数据，计算出冷却数和气水比，用最小二乘法得出两者的回归方程式，冷却数为因变量，气水比为自变量。在相同气水比时，冷却数试验值大于或等于设计值，则认为冷却塔性能达到设计要求，否则未达到设计要求。

2.2 试验测量的参数

冷却塔的性能试验应在夏季接近设计的气象条件下进行，雨天或自然风速大于3m/s 时不应进行试验。试验时主要测量5 项参数，即①大气压力、风速、风向；②大气、进塔以及出塔空气的干、湿球温度；③进、出塔水温；④冷却水量、进塔空气量；⑤淋水密度。

冷却水量可用超声波流量计，也可在塔内的出水沟、渠处用流速仪测量，还可依据乏汽的放热量通过热平衡计算。汽轮机乏汽量（即汽轮机排汽量）可通过进、出系统流量平衡求得。乏汽量为进入汽轮机的蒸汽流量扣除各加热器用汽量、对外输出的蒸汽量，以及轴端汽封、门杆漏汽量，可用凝结水流量减去进入凝汽器的补水量、低压加热器疏水量求得；低压缸排汽焓可用能量平衡获取，输入汽轮机的热量等于输出热量（含发电利用的热量和排汽损失）。凝结水焓通过实测的凝结水温度求得，凝汽器进、出口的循环水焓可通过实测的循环水温度求得。

塔内通风量测量是一项较难的工作。通常测量的风速仪选用旋桨式，测量断面布置在塔筒喉部，以及逆流式冷却塔的配水系统4m 以上的位置。需特别指出的是，塔内气流速度的测量结果不可靠，其原因主要有3 点，即①虽然塔内气流整体上是稳定的，但也有不稳定处，气流速度发生变化，时大时小，甚至出现负值；②受配水系统的阻碍，塔内气流分布具有不均匀性；③塔内空气处于饱和状态，风速表的叶轮上有水蒸气凝结，使叶轮转速和风速的对应关系发生变化。国外一些标准中未规定要测量塔内风量，塔内风量不是通过测量风速计算而得，而是通过热平衡计算得出。因此，通过建立进塔的空气吸热量与冷却水放热量的热平衡方程式→测量进、出塔的水温及冷却水流量→计算出冷却水的放热量→求得进、出塔的空气比焓→通过对热平衡方程式求解计算出进塔空气量。以上过程中，塔内风速不参与热平衡计算，测量塔内风速的目的不是用以计算进塔的空气量，而是用作计算填料以上空气温度加权平均值。

自然通风冷却塔进塔空气的干、湿球温度测量与大气干、湿球温度测点共用，优选标准百叶箱通风干湿表。因此，对于温度测量位置来说，如果空气的干、湿球温度在塔进风口外的较大范围内都相同，那么测量位置对温度测量结果影响不大；如果空气的干、湿球温度在地面附近沿高程有显著变化，那么温度测量位置对测量结果有较大影响，温度测点布置需要考虑沿高程变化情况，通常高程为15～20m。

3 冷却塔性能影响因素

3.1 自然风影响

自然通风冷却塔靠塔筒产生抽力来通风，塔外冷空气进入塔内后，同热水进行热交换变为湿热的空气，通过流体力学中的连续方程、动量方程和传热方程，计算自然风对冷却塔性能的影响。相关资料显示[2][7]，冷却塔出水温度随环境温度降低而降低，随通风量增加而降低，随自然风速增加而降低，低风速时降低幅度不大；冷却塔进风量随自然风速的增加而先降低后增加，当有自然风速和无自然风速在某一比值时，自然风量和无自然风量比值达到最小，这时风的影响最不利，当风速比超过该值时，风的影响会变得有利；当有自然风时，在塔的进风口部分，迎风面为正压，有利于进风，其余部分为负压，对进风不利，最不利在两侧，此处负压最大。

3.2 配水影响

配水装置是冷却塔的重要组成部分，其运行性能影响冷却塔冷却效果。凝汽器出口的循环水用竖井送入冷却塔配水高程，经槽式或管式配水系统将水均匀分布到整个塔的断面上，再用喷头将热水转变成小水滴，均匀地洒在填料上，如果配水不均匀，则会影响冷却塔冷却效果。影响配水均匀的原因主要有3 点，即①竖井水流速影响，循环水进入竖井的水流速一般不大于0.5 m/s，否则影响进入主水槽水流的均匀性；②水槽水流速影响，主水槽及配水槽内水流速过大会使槽内水平面不一致，引起配水不均匀；③槽式或管式配水发生堵塞，可引起配水不均匀。

3.3 喷嘴影响

大多数配水方式是通过喷嘴将成股的水变成小水滴，然后尽量均匀地洒到填料上。槽式或盘式配水，水压要求较低，通常选择冲击力型喷嘴；管式配水，水压需要较高，通常选择旋转型喷嘴。喷嘴的水流动特性包括喷嘴的泄流能力、喷溅范围以及喷溅的均匀性，其性能好坏对冷却塔冷却效果有直接影响，运行中损坏的喷嘴及溅水碟不能把成股的水扯成小水滴，而是直接洒到填料上，致使填料散热能力降低，冷却效果变差。

3.4 填料影响

填料也是冷却塔的重要组成部分。冷却塔将热水变成冷水的过程中，60%～70%的温降是在填料中完成的。选择填料须考量温降大、气流阻力小、价格便宜等方面。

散质系数是填料散热性能好坏的标志[8]。具体数值在特定的填料型式、体积、水温和气侯条件下由试验求得，当这些因素改变时，散质系数也会发生变化，具体表现在5 个方面，即①大气湿球温度变化不影响散质系数；②进水温度减小时，散质系数变大；③填料加密时，散质系数变大；④对于逆流塔中薄膜填料来说，由于受进口的影响，当填料高度小时，散质系数随填料高度增大而减小，当高度增大到一定值后，散质系数不再变化；⑤淋水密度大，散质系数也大，有利于散热，但淋水密度超过一定值后，水膜就失去稳定，形成波动，发生所谓对气流的“堵塞”现象，气流阻力突然急剧增加，影响散热，冷却水呈雨状下落，因此不能随意增大淋水密度。

3.5 雨区及集水池影响

在逆流塔中，填料以下、水池水面以上的部分称为雨区，热水经过冷却后，汇集到集水池内，然后进入循环水泵，循环使用。气流经过雨区进入填料，当自然风较大时，风会穿过雨区将下淋的水吹落到塔外，不仅会增加塔的失水率，同时还会引起进入填料的风不对称，降低塔的冷却效果，因此应注意做好相关措施，防止自然风的影响。

集水池中的一、二次滤网损坏，会导致悬浮物进入凝汽器冷却水管，降低冷却水管冷却效果，使得进入冷却塔的热水温度增高，不利于冷却塔冷却。

3.6 收水器影响

逆流式自然通风冷却塔，空气从冷却塔底部进入，从冷却塔上部排出。排出的热湿气流中，有部分小水滴被风带出塔外，损失的水量称为风吹损失。为了将气流所带的水滴拦截下来，减少水量损失，需要在淋水装置的排气方安装收水器，安装收水器后风吹损失率约在0.1%，而无收水器的风吹损失率在0.3%～0.6%。风吹损失率的大小与气流速度、淋水方式相关，如风速大，风飘水滴的直径大，失水多；采用薄膜式填料，水滴较少且不易被带走，而采用点滴式填料，水滴易被带走。另外，有些收水器使用一段时间后，变形严重，降低了收水效果，又增加了风流动的阻力。

4 冷却塔性能在线监测

冷却塔的工程试验是一项复杂、繁琐、困难的工作，有些测量参数难度大，特别是冷却水流量、通风量以及淋水密度的测量等。鉴于此，机组除在验收考核时，很少进行冷却塔试验。冷却塔性能受多种因素影响，互相耦合，试验条件与机组日常运行条件有所差别，工程试验时的冷却塔性能无法反映日常运行时的性能，难以指导机组经济运行。为此，基于环境条件及大量运行数据，建立相关冷却塔性能模型，进行冷却塔性能在线监测，掌握冷却塔的动态变化规律，及时、准确地消除影响冷却塔性能的因素，使冷却塔性能达到最优，这在煤、水资源缺乏的当下尤为重要[9][10]。