第３５卷第５期 ２０１３年１０月 黑龙江电力 Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２０１３ ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 双曲线自然通风冷却塔效率下降原因及应对措施 马岩昕 ，马 越 ，潘乃宏 （１．黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，黑龙江齐齐哈尔１６１０００；２．黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨１５００３０） 摘要：针对某公司双曲线自然通风冷却塔效率持续下降的问题，分析了高效淋水填料、新型喷溅装置对冷却水塔经济性的 影响，指出了原有填料、喷溅装置在冷却水塔运行中存在的隐患，提出了应用高效淋水填料、填料布置优化、新型喷溅装置等 改造方案。其结果表明，冷却塔经改造后，改善了冷却塔冷却效果，提高了冷却塔的冷却效率、机组真空，降低了凝汽器循环 水入口温度，提高了机组经济效益。 关键词：冷却水塔；效率；措施 中图分类号：ＴＫ２２３．５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００２—１６６３（２０１３）０５—０４５５一ｏ４ Ｒｅａｓｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｆ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｆｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ ｎａｔｕｒａｌ—－ｄｒａｆｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ ＭＡ Ｙａｎｘｉｎ ，ＭＡ Ｙｕｅ ，ＰＡＮ Ｎａｉｈｏｎｇ （１．Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｈｕａｄｉａｎ Ｑｉｑｉｈａｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｑｉｈａｒ １６１０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ ｎａｔｕｒａｌ—ｄｒａｆｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕ— ｅｎｃｅｓ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｔｅｒ ｄｒｅｎｃｈｉｎｇ ｆｉｌｌｅｒｓ ａｎｄ ｎｅｗ—ｔｙｐｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｏｎ ｅｃｏｎｏｍｙ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ，ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅｉｒ ｈｉｄｄｅｎ ｄａｎｇｅｒｓ ｉｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｌａｎ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｗａｔｅｒ ｄｒｅｎｃｈｉｎｇ ｉｆｌｌｅｒｓ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｌｌｅｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｎｅｗ—－ｔｙｐｅ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈａｔ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄ ｕｎｉｔ ｖａｃｕｕｍ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｕｎｉｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｏｗｅｒ；ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｍｅａｓｕｒｅｓ 某公司自投产以来，经过多年生产运行，存在 度分别为７１％和７３％；夏季平均风速为２．８ ｍ／ｓ，冬 季平均风速为３．２ ｍ／ｓ。冷却塔填料为双斜波，填 料厚度为１．２５ ｍ，配水形式为管式配水。 １号冷却塔和２号冷却塔几何结构尺寸如图１ 所示。 双曲线冷却水塔冷却效率下降、机组凝汽器真空值 偏低等问题，直接影响机组循环热效率。因此，本 文运用数据采集及效率计算，分析了高效淋水填 料、新型喷溅装置对冷却水塔经济性的影响，并对 冷却塔运行中存在的问题采取了相应的解决措施， 降低了燃煤成本，提高了经济效益。 １冷却水塔概况 某公司２台机组分别配备１个自然通风逆流湿 式冷却塔。冷却塔冷却面积为４ ０００ ｍ ，进风口高度 为７．３ ｍ，填料底标高为８．０５ ｍ，顶标高为９．３ ｍ，塔 总高为１０５ ｍ。当地环境气压冬季平均为１００．４６ ｋＰａ， 夏季平均为９８．７７ ｋＰａ；年平均气温为３．２℃，极端 最高温度４０．１℃，一月份平均气温为一１９．５℃，七 月份平均气温为２２．８℃；一月份和七月份的相对湿 收稿日期：２０１３—０５—２０ 作者简介：马岩听（１９６８），男，２０００年毕业于东北电力学院热能动力 工程专业，工程师。 图１冷却塔结构几何尺寸 ２数据采集及效率计算 １号机运行数据采集如表１所示。 ・４５６‘ 黑龙江电力 第３５卷 由表１可知，ｌ号塔夏季出塔水温普遍在３ｏ．３℃ 以上，比七月份平均气温高８．５℃，比七月份湿球 温度高１２℃以上。这表明１号机冷却塔冷却能力 不足。 ２．１ 无侧风条件下热力性能计算 冷却塔原设计填料为等高度布置，填料类型为 双斜波淋水填料（材质为ＰＶＣ塑料填料）。夏季典 型工况（７月１３日）：机组负荷２２８ ＭＷ，当地环境 温度为２９ ｃｃ，凝结水流量６４３．２３ ｔ／ｈ，循环水流量 为３４ ３００ ｍ ／ｈ，循环水进塔水温为３７．８℃，循环水 出塔水温为３０．３℃。 基于上述条件，结合冷却塔几何结构尺寸及填 料特性，首先在无侧风条件下，对该冷却塔热力性 能及其空气动力场进行计算分析，并根据该计算结 果分析了塔内空气流速和冷却水水温的分布规 律 ｊ。经计算得知，无环境自然风条件下该塔出塔 水温为３０．４０２ ｏＣ，与实测相差０．１０２ ，偏差小于 常见测温仪表的测量误差（０．２ ｏＣ），相对偏差仅为 塔内冷却水实测温降的１。３６％。这表明所建冷却 塔热力性能三维数值计算模型可实现该塔热力性 能的准确计算。 冷却塔在无环境自然风影响时，冷却塔雨区横 截面空气动力场和水池水面水温场呈周向均匀分 布。在塔内外空气密度差所形成抽力的驱动下，空 气高速流人塔内；在冷却塔雨区内，受下落雨滴的 阻力和空气向上的转向分流影响，雨区空气流速沿 径向逐渐减小。经分析，塔中心位置的空气流速较 低，而水池位置的冷却水温度较高，这说明外 界冷空气很难进入塔中心位置，以致塔中心位置换 热较差，使总体出塔水温升高。 考虑到冷却塔内空气动力场和水温场分布的 周向均匀性，可通过某一径向空气参数和冷却水参 数的分布，分析塔内气一水两相传热传质强度沿径 向的分布。以填料区Ｚ－＝８．７ｍ径向直线为基准，分 别分析了空气流速、空气温度、空气量和水温等的 径向分布。 填料区外围空气流速较大，内围空气流速较 小；外围空气温度较低，内围空气温度较高；外围空 气含湿量较小，内围空气含湿量较高；外围水温较 低，内围水温较高。 以水池水面径向直线为基准，分析了水温的径 向分布。可得出外围水温较低，内围水温较高。 在无环境自然风影响时，冷却塔内围换热较充 分，内围上升空气是温度较高、含湿量较大的湿热 空气，表明内围上升空气得到了充分利用。外围空 气流速较大，空气温度和含湿量相对较小，表明外 围空气的吸热吸湿能力未被充分利用。由水温的 径向分布可知，外围水温低，内围水温高。因此，外 围水温低的主要原因是外围空气流速较大，对流换 热系数较大，同时外围上升空气还有一定的吸热、 吸湿能力。 ２．２环境自然风热力性能的影响 由于冷却塔长期工作在外界环境中，环境自然 风时刻影响冷却塔的性能，因此有必要对侧风条件 下冷却塔性能的变化做出量的分析。可利用三维 冷却塔热力计算程序，分析计算外界侧风影响下冷 却塔的空气动力场以及热物理参数的变化规律 Ｊ。 在环境侧风影响下，雨区横截面空气动力场不 再呈轴对称分布，其周向均匀性受到破坏，迎风侧 空气流速较大，背风侧空气流速很小，外侧空气几 乎沿平行于 轴的方向穿过雨区，在雨区侧后方形 成空气出流区域，降低了塔内通风量，使填料区和 配水区传热传质强度降低。由于空气流场周向均 匀性被破坏，导致水池水面水温度场不再呈轴对称 分布。夏季在３．２ ｍ／ｓ平均自然风速条件下，循环水 出塔水温相对于无环境侧风影响增加了１．３５℃。环 境自然风对冷却塔性能的劣化机理主要是环境自 然风破坏了冷却塔进风口周向进风的均匀性，改变 了冷却塔内外空气动力场的轴对称性，造成冷却塔 进风量的降低，从而弱化了冷却塔的整体热力性 能。因此，在侧风条件下，须改善冷却塔进风口空 气动力场，提高冷却塔进风口周向进行的均匀性， 第５期 马岩昕，等：双曲线自然通风冷却塔效率下降原因及应对措施 实现冷却塔通风量的增大；在较大的环境自然风速 条件下，减小空气出流区域所形成的穿堂风，增大 冷却塔纵向通风量。冷却塔通风量的增大，可有效 提高塔内气水比，实现塔内气一水两相间传热传质 的强化，并最终实现出塔水温的降低。 ３ 冷却塔运行中存在的问题及采取的 措施 根据上述分析可知，ｌ号机冷却塔存在冷却能 力不足的问题。结合无环境自然风条件下冷却塔 冷却性能的计算分析以及现场巡检，发现１号机冷 却水塔效率下降，主要存在以下问题： １）塔内空气动力场不均，导致塔内气水比不 均，使塔内围空气量较少，冷却能力不足。塔外围 空气流量较大，填料上方空气参数较低，空气冷却 能力未被充分利用。 ２）现有填料为双斜波、Ｓ波填料，其板间距较 大，存在热力性能较低、阻力特性较大的缺点。 ３）填料托架部分断裂、变形。 ４）喷头喷溅不均。 ５）收水器部分损坏。 ６）循环水泵人口水温度高、凝汽器真空低（机 组在夏季经常因为真空过低而带不满负荷）、主机 润滑油温度高（在负荷２７０ ＭＷ时，达到４６℃）、水 环真空泵冷却水温度高，造成真空泵出力下降，从 而近一步影响了机组的真空 Ｊ。 ３．１应用高效淋水填料 采用新型小板间距高效填料（ＧＸＴ一２７型），其 特点如下： １）填料板间距为２７ ｍｍ。相比目前国内填料 市场的通类板间距，增大了１０％～２０％的气一水结 合面积。 ２）波形更为优化。该填料的波形充分考虑塔 内空气流场及填料的阻力特性，在增大气一水结合 面积的同时，使通风阻力下降。 ３）对胶球系统有很好的适应性。某公司循环 水系统使用的胶球直径大多数为２５ ｍｍ，吸水后直 径也不超过２６ ｍｍ，该板间距可保证现有胶球很好 的通过性。 ４）该型高效填料在增大了传热传质面积的同 时，强化了淋水在填料板表面的附着度，减少了板 间存在的大尺度水流，增大了板间有效通风面积， 实现了通风阻力的下降。 经试验表明，该型高效斜折波淋水填料，在Ａ： ０．５～０．８常见气水比工况下，可将冷却数提高１０％ 以上，将填料容积散质系数提高５％，将通风阻力减 小到９０％。 原类型旧填料更换为新填料，可使冷却塔出塔 水温降低１．１～１．３ ｏＣ 。 ３．２填料布置优化 针对现有填料效率较低、通风阻力较大的特 点，结合１号机组塔型尺寸及设计工况，优化填料 选型。建议采用高效新型填料，并在填料优化选型 基础之上，对１号机冷却塔填料布置进行优化，提 高１号机冷却塔整体冷却性能 Ｊ。 无环境自然风时，冷却塔外围水温最低值为 ２９．２℃，与其冷却极限环境空气湿球温度２５℃尚 有４～５ ｃＩ＝之差，这给外围循环水的进一步冷却提 供了空间。为充分利用外围上升空气的吸热吸湿 能力，进一步对外围循环水进行冷却，可增大外围 填料厚度。 对比外围循环水温，内围水温较高，空气流速 较低，内围空气的吸热吸湿能力得到充分利用。为 强化内围换热，进一步对内围循环水进行冷却，可 考虑通过减小内围填料厚度来降低内围上升空气 阻力，从而增大内围空气流速，实现内围循环水的 进一步冷却。 该厂冷却塔填料原设计为等高度布置，运行中 存在填料分布和填料空气动力场匹配不当的问题， 使外围进塔空气的吸热吸湿能力未能充分利用，影 响到外围循环水的进一步冷却；同时，内围存在空 气不足的问题，影响到内围循环水的冷却。因此， 有必要在更换填料的基础上，优化填料布置，以实 现填料分布和填料内空气动力场的良好匹配。 通过上述分析，初步得到填料非均匀布置方 案，即增大外围填料厚度、减小内围填料厚度。 考虑塔内气水流场、温度场及其含湿量场之间 的匹配问题，结合典型工况对填料进行优化布 置，实现填料高度沿径向由内而外由１．０ ｍ增大 为１．５ ｍ。同时，对配水喷嘴进行选型优化，确保配 水喷嘴喷溅均匀性。 在夏季典型工况下，无环境自然风影响时，采 用填料非均匀布置方案后，水池水面外围水温最高 值下降约０．７２ ｏＣ，外围水温最低值下降约０．３６℃。 水温沿径向增加的斜率明显减小，内围水温平均下 降０．４１℃。这表明填料非均匀布置方案，可改善 冷却塔冷却性能，使得水池水面水温平均值即出塔 水温相对于填料均匀布置方案下降了０．５３℃。 ３．３采用新型喷溅装置 原有喷溅装置为比较落后的ＸＰＨ型，主要表现 在喷洒半径小、水滴居空时间短、喷洒均匀性不够。 现采用ＴＰ一Ⅱ型喷溅装置，该型喷溅装置靠四 ・４５８・ 黑龙江电力 第３５卷 周喷溅装置，相互交叉配水，在溅水时形成水滴上 能够增大填料区单位体积内气水两相传热传质面 积，减小填料内大水流下落运动，降低填料板间通 抛落下，使水滴进行了两次冷却。该型喷溅装置的 溅水均匀分布系数较小，平均值不大于０．１５２，溅水 均匀性好，溅散半径（约为２．１ Ｉｎ）、流量系数、流量 特征数也较大。 风阻力，优化填料总体性能。 ２）新型喷溅装置具有喷洒半径大、无交叉死 区、喷洒均匀性好、水滴居空时间长等优点。 ４冷却塔改造后经济分析 由于凝汽器人口冷却水温降低与热效率的增 大成反比关系，因此冷却水的温度每降低１ ｏＣ，可 导致机组热效率增大０．３５％。 ３）冷却塔改造投资３１７．２万元，可降低煤耗约 １．４ ｇ／ｋｗ・ｈ，年节省燃煤成本约１４７万元，投资回 收期２ ａ左右，经济效益明显。 参考文献： ［１］史佑吉．冷却塔运行与试验［Ｍ］．北京：水利电力出版社， １９９０． 某公司冷却塔采用非线性优化技术进行填料 布置方式优化后，在无环境自然风条件下，可使出 塔水温下降０．５３ ｏＣ； ＝２．８ ｍ／ｓ的典型自然风风 速条件下，可使出塔水温下降０．５℃。 在采用新型高效淋水填料、填料非均匀布置方案 后，在无环境自然风和２．８ ｍ／ｓ环境自然风之间，可使 出塔水温降低１．６～１．８℃，带来约１．４ ｇ／ｋＷ・ｈ的冷 却效益。在冷却塔年运行小时数５ ０００ ｈ时，可节 约标煤２ １００ ｔ左右，按标煤价格为７００元／ｔ进行计 算，则年节约运行费用１４７万元左右。 ［２］赵振国．冷却塔［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，１９９７： ４１—７８． ［３］ 胡三季，陈玉玲，刘廷祥，等．不同高度淋水填料的热力及阻力 性能试验［Ｊ］．工业用水与废水，２００５，３６（１）：７６—７７． ［４］ 胡三季，陈玉玲．工业冷却塔与模拟试验塔验系数的相关关系 ［Ｊ］．热力发电，２００５，３４（１２）：７２—７３． ［５］曹伟．冷却塔冷却效率低的原因分析及处理［Ｊ］．华电技术，二Ｉ １Ｊ ］ ｊ２００９（９）：６５—６６． ［６］邵和春．汽轮机运行［Ｍ］．北京：中国电力出版社，１９９７． （责任编辑侯世春） ５ 结 论 １）缩小填料板间距，增大填料内淋水附着度， （上接第４３３页） 表３黑龙江省“十二五”期间最大负荷预测 年份 ２０１１正 ２０１２拄 ２０１３焦 大负荷进行了预测。 万ｋＷ 最大负荷 １ ３２０ １ ４２０ １ ５２７ １ ６６２ 参考文献： 牛东晓，曹树华，赵磊，等．电力负荷预测技术及其应用［Ｍ］． 北京：中国电力出版社，１９９８． 蓝信军，杨期余，江辉．加权模糊回归方法在电力负荷预测中 的应用［Ｊ］．长沙电力学院学报（自然科学版），２００３，１８（４）： ３４—３７． ２０１４年 ２０１５拄 １ ７９５ 刘晨晖．电力系统负荷预报理论与方法［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨 工业出版社，１９８７． 根据负荷预测结果，２０１５年黑龙江省全社会用 刘思峰，郭天榜，党耀国，等．灰色系统理论及其应用［Ｍ］．北 京：科学出版社，１９９９． 电量预计达１ ００７亿ｋＷ・ｈ，其中“十二五”期间年 均增长率为７．０６％；年最大负荷达到１ ７９５万ｋＷ， “十二五”期间年均增长率为７．８５％。 俞明生，冯桂宏，杨祥．组合优化灰色模型在中长期电力负荷 预测中的应用［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２００７（４）：１５３—１５６． 张石，张瑞友，汪定伟．基于ＤＰＣＡ—ＢＰ神经网络的中长期电 ３ 结 语 针对黑龙江省产业结构的特点以及“十二五” 力负荷预测方法［Ｊ］．东北大学学报（自然科学版），２０１０，３１ （４）：４８２—４８５． 岳璐，张尧，钟庆，等．基于模糊逻辑聚类神经网络算法的中长 期负荷预测［Ｊ］．华北电力大学学报，２００８，３５（２）：４２－４６． ＡＺＺＡＭ—ＵＬ—ＡＳＡＲ Ｊ Ｒ．ＭＣＤＯＮＡＬＤ Ｊ Ｒ，ＫＨＡＮ Ｍ Ｉ．Ａ ｓｐｅｃ－ ｉｉｆｅ￣ｉｏｎ ｏｆ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ 期间进行产业结构调整的具体情况，采用分产业弹 性系数法进行负荷预测，能够更清晰地反映产业发 展与电力需求的关系。通过对历史数据的校核，可 表明改进方法具有更高的精度。基于此，利用时变 ｐｒｏｂｌｅｍ［ｃ］／／Ｆｉｒｓｔ ＩＥＥＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， Ｄａｙｔｏｎ，ＯＨ，ＵＳＡ，１９９２． 权预测模型对黑龙江省“十二五”电力需求以及最 （责任编辑张兴业）
