冷却水塔配水与喷溅装置改造2

冷却水塔配水喷溅装置改造探讨
内容提要：通过改进喷溅装置和配水校核计算，可改善水塔布水的均匀性，提高水塔换热效率，降低水塔出水温度，导致凝汽器真空提高，机组发电能力增强。

王国春
一、凝汽器与水塔换热示意图
在常规能源供应日益紧张的今天，各国研究人员已对锅炉、汽轮机作了大量深入细致的研究工作，进行了相应的优化调整以提高热效率，保证它们在最优状态下运行。

现在，围绕节能降耗，更多的工作已逐渐转向电站的冷端系统，主要是降低汽轮机的排汽温度，提高朗肯循环的热效率，有以下两个大的方面：一是凝汽器的强化传热，提高其真空度；二是研究冷却塔出水温度的降低途径，提高塔的效率。

二、凝汽器换热与水塔换热的耦合关系
1、凝汽器的热平衡方程
D（i p-i n）= D L C（t2-t1）= D L CΔt （1）
式中D—进入凝汽器的蒸汽量；
i p—排汽焓；
i n—凝结水焓；
D L—进入凝汽器的冷却水量；
C—凝汽器的换热系数
t2-t1—凝汽器出口与进口水温或水塔的进水与出水温度；
Δt—凝汽器出口与进口水温差或水塔的进水与出水温差降。

公式（1）可见，在正常情况下，Δt变化与水量有直接关系。

这是因为冷却水在凝汽器出、进口的水温升决定水塔进、出水的水温降，反之不成立。

如果D L下降，其它条件不变，Δt增大。

另外排汽量D增加，真空不变，D L C不变，Δt升高；
各因素不变，如果Δt增大，必定导致真空升高；
2．凝汽器的换热特点决定冷却塔的入口温度与冷却幅度
凝汽器的主要作用是在汽轮机排汽室处建立并维持所需要的真空。

凝汽器的压力由排汽温度决定。

排汽温度为：
t n=t2+Δt+δt （2）
式中：t n—凝汽器进口蒸汽温度，℃；
t2—冷却水入口温度，℃；
Δt—冷却水在凝汽器中温升，℃；
δt—排汽温度与冷却水出口温度差，称为端差，℃。

从公式（2）可见，凝汽器的冷却水入口温度t2就是水塔的出水温度，冷却水在凝汽器中的温升Δt就是水塔的冷却水温差降——冷却幅度。

1）冷却水入口温度t2：受水塔散热情况影响，假设其它条件不变，如果水塔的出水温度降低使凝汽器冷却水入口温度降低为t21，排汽的温度必然降低为t n1，因此在相同负荷和冷却水量下，真空升高，机组热效率提高（见下图）。

2）温升Δt：主要取决于冷却水量、热负荷。

3）端差δt：主要取决于换热管表面清洁程度、漏气量。

湿饱和蒸汽和冷却水温度变化示意图
三、水塔换热特性
1．水塔的换热关系
在水塔中，水向空气散热有两种形式：接触散热和蒸发散热。

热平衡方程：
dQα=α（t-θ）dF+1.61βp（1-X）p a≈βx（t-θ）dF （3）式中：dQα—水传给空气的热量
α—接触散热系数
t—水的表面温度
θ—空气的干球温度
dF—换热面积
βp—以含湿差为基准的蒸发散热系数
X—以含湿差为基准的计算数，X < 1
p a—大气压力
βx—综合散热系数
从公式（3）可见，水塔是对水所携带的热量进行散热，如果散出的热量不变，自然环境不变，即：θ不变，dF不变，淋水效果变好能使综合散热系数βx 增加，使t-θ下降，必定使出水温度t2下降。

研究综合散热系数βx的影热响因素，必须了解水气交面热阻。

2．水气交面热阻的影响
在散热中，水体表面首先散热、降温，水体内部温度高于水表面温度，形成温度差，使水体内部的热量，通过热传导不断传到水面，再通过蒸发和接触散热到空气中，这个热传导过程存在着水气交面热阻，水体越厚，空气越薄，热阻越大，传热越慢。

水体内部和表面温差的大小，不但取决于导热的快慢，还取决于水的流动情况，即水层的厚薄及水流发生掺混的程度等因素，所以，为了提高冷却效率，填料内的水流厚度应尽量薄、水体能够不断与空气掺混交换，以减低水气交面热阻。

水体是有限的量，由于散热使温度降低；空气量是无限的量，其入口参数不因吸热而变化。

所以，如果水膜太厚或其它原因增加了空气阻力，必定减少空气量，使对水体的吸热量减少，引起水塔出水温度升高。

喷溅装置的淋水效果差、损坏、填料结垢或堵塞均影响空气阻力。

四、配水系统简介
配水系统是对循环水的冷却处理，使空气和水均匀通过淋水填料防止气水短路。

配水过度不均，导致塔内空气分布过度不均。

水流的有无和大小基本代表了塔内风的阻力分布，很少的气流从淋水密度大的区域通过，在干区短路，造成有水的地方缺气，有气的地方无水，水气不能充分换热，导致传热效率低，塔的冷却能力衰减。

配水均匀直接关系到冷却塔的效率、能耗与投资，实际测量结果表明，在配水不均匀的情况下，最大与最小淋水密度之差达2～4倍，导致水温相差达4～5℃．研究冷却塔的配水均匀性问题，具有很好的技术、经济和现实意义，目前国内外尚没有明确的配水均匀性计算方法。

1、研究冷却塔出水温度的降低途径，提高塔的效率
1）、配水的好坏直接影响着填料能否被合理有效的利用。

空气和水热质交换进行的程度，影响到出塔水温。

2）、斯洛文尼亚卢布尔雅那(LjubUana)大学的研究者们借助遥控机器人测量冷却塔内部的空气温度、速度得到塔内空气流场，对塔内横断面各处的空气分布有了清楚的认识，通过合适的配水，使之与配风相协调，塔横断面各处的气水比趋于一常数，因而传热均匀，减小了熵增，提高了塔的冷却效率。

实验表明，改造后的配水方式使得冷却塔的出塔水温比均匀配水降低了1．4℃，塔的冷却效率提高了5．5％。

3）、冷却塔的配水方式发展到今天已基本成型，下一步应努力提高冷却塔的效率，单从配水这方面讲，喷溅装置的特性、安装个数、分布方式是影响配水好坏的重要因素；从优化配水上讲，实现配水与塔内空气动力场(温度场、速度
场、压力场)的协调是提高冷却塔冷却效率的关键突破口，但是周围大气环境中的风速、风向是不断变化的，塔内空气动力场也随着变化，在有侧风影响的情况下如何实现水、气之间的协调，仍需进一步研究，来更加贴近工程实际，这对新建塔配水系统的优化设计和现有塔配水系统的改造都具有重要的指导作用。

2、内外围配水比例要求
配水的设计要求：《电力工程水务设计手册》
按全塔配水的均匀性和水量分布的合理性规定：
1）、全塔水量分布：外区淋水密度应较内区大，约为15%—20%；在同一区域内的水量分布应均匀，单个喷嘴泄流量与同一区域喷嘴的平均流量误差应不大于±5%。

2）、主水槽起始断面流速宜取0.8—1.2m/s。

3、喷溅装置淋水的均匀性影响
淋水的均匀性对冷却塔的冷却效果影响极大。

如果一部分填料淋不到水，那么这一部分填料就不能起到冷却作用，通过填料区的空气没有参与热的交换过程，塔的换热效率也必然下降。

对于自然通风冷却塔的影响，除上述以外，还有可能降低冷却塔的通风量。

如果填料都能淋到热水，但是配水均匀性不好，存在重水区、轻水区和无水区，会使冷却塔的效率下降。

试验表明：对于4000m2水塔的不均匀系数由0增加到0.2，水温升高0.5℃；不均匀系数达到0.4，水温升高1℃；不均匀系数达到0.7，水温升高4℃。

喷溅装置是影响冷却塔换热效率的重要装置。

热水通过不同的喷溅装置洒到填料上将会产生不同得配水均匀度，获得不同的冷却塔换热效率。

五、喷溅装置的淋水特性
1、泄流能力：指单个喷头单位时间所的流泄量，用公式表示为
-----------------------------------------------（4）
式中：Q—泄流量，m3/s ；
A—喷嘴出口处过流面积，m2；
μ—流量系数；系数μ通过试验来确定。

g—重力加速度，9.81m/s2；
H—作用在喷嘴出口断面的水头，m。

喷溅装置的泄流能力一般取6-12m3/hm2之间。

2、喷溅范围
喷溅范围是指水流溅散出的水滴轨迹，一般用喷溅半径表示，由试验来确定。

3、淋水的均匀性
淋水的均匀性是指在喷溅范围内各点淋水密度的均匀程度，用均方差σ
来衡量其均匀度：
----------------------------------（5）
式中：X i = q i/q p；
n—取喷溅范围的测量点数；
q i—第I个点的单位时间的接水量；
q p—n个点的平均接水量。

喷溅装置的淋水特性好坏是通过试验与使用来综合验证的。

4、电厂水塔使用的传统型喷溅装置图片
5、传统喷溅装置的淋水特点
1）、PC型、PT型（或RC型）为单层流喷溅装置，特点：水直接落到下部的溅水盘上，起到撒水的目的。

缺点：喷溅范围小，均匀性差，在填料上存在着无水区、轻水区和重水区。

2）、反射型喷溅装置是80年代发展的一种喷溅装置，靠水流从喷管喷出射在下盘上，经反射、锯齿撕裂，反射到上盘上，又经锯齿再次撕裂，撒在填料上。

缺点：水滴大；易掉头；水头小时，溅散效果较差。

在填料上存在着无水区、轻水区和重水区。

3）、多层流喷溅装置，特点：水流由喷口喷出后，经过三个不同半径的溅水盘狭孔溅散、使水柱变成水滴或水线。

层与层之间留有中孔，起防止中空的作用。

缺点：水滴大，中孔与缝隙易堵塞，在填料上存在着无水区、轻水区和重水区。

4）、随着配水压头的提高，于90年代后期引进研制了旋流式喷溅装置。

这种喷溅装置用在高压水头的管式配水中。

在水压的作用下，水流成旋转状离开喷头，由离心力的作用向四周洒开。

缺点：阻力损失较大，水头小时溅散效果较差，喷溅范围固定不变，均匀性差，中部容易产生气塞，水压太低时变成直流，不易堵塞。

在填料上存在着无水区、轻水区和重水区。

6、JNX-03旋转型喷溅装置的淋水特点
NX-03旋转型喷溅装置，水流推动叶片旋转。

试验表明旋转速度与射流水速度成正向关系，水头在600mm时旋转速度在60—120转/分之间。

每个装置具有自己的转速，互相并不等同，更有利于交叉淋水的均匀性。

1）、更换JNX-03旋转型喷溅装置的先进性
JNX-03旋转型喷溅装置是本世纪初问世的新产品，为了提高使用寿命及旋转可靠性，由01型发展到03型，两次获得国家专利，最佳适用于塑料填料冷却水塔。

在锦州、阜新、北票、抚顺、朝阳、元宝山、铁岭等电厂替换其它型喷溅装置后使用10余年，效果很好。

05年开始，在30-60万KW发电机组上使用，效果更加显著。

2）、JNX-03旋转型喷溅装置独特的技术特点
JNX-03型喷溅装置克服反射型掉头、易堵塞、断裂、布水不均等缺点。

由于匀速旋转，产生大小而又不等的无规则水滴，均匀地无固定轨迹地淋撒在填料上，实现使水与空气均匀接触。

在夏季高温大负荷情况下，循环水量大，水位高，旋转速度快，喷溅范围将会增大，交叉淋水均匀性将会大提高，多个喷头的交叉作用的效果将会更好，能够满足大负荷发电的高真空要求。

在冬季情况下，循环水量减少，水位降低，如果溅水碟上部喷嘴不出现抽空现象，水靠自由下落仍会产生冲击力，推动溅水碟旋转，水流将继续被分溅出去，洒水效果将不会恶化。

在最差的情况下，溅水碟不转，水流将会通过Φ120mm的溅水碟将水洒向四周，其喷溅范围与均匀性也好于其它型喷溅装置。

7、JNX-03旋转型喷溅装置的使用效果
JNX-03旋转型喷溅装置优于其它型喷溅装置的特点介绍：
1）严格按规定使用材料—ABS工程塑料制造，使用温度-40—90℃；使用寿命10年。

2）一体化结构，消除掉头、断裂现象，避免或消除因直流而造成的塑料填料冲毁现象。

3）旋转速度：60-150转/分；
4）淋水范围较大，淋水均匀性好，不存在轻水区、重水区或无水区，能够彻底达到均匀布水目的，以提高水塔冷却效率。

5）试验证明：JNX-03型喷溅装置比反射型喷溅装置淋水均方差σ平均减少10%，而喷溅半径增加约33%；可降低水塔出水温度0.5-0.8℃，相当每发一度电省0.5-1克标准煤。

定州电厂改造前、后淋水对比图
六、配合改造可进行配水校核计算—获取最佳配水效果
根据水塔的原始配水资料，针对水塔夏、冬季的实际运行情况，本着水量大时不溢水、水量小时尾部喷嘴不抽空的优化设计原则进行配水校核计算，根据水塔布水研究特性，确定合理的布水方式。

所需要资料：图纸、资料、水塔冬夏季的实际运行情况；喷溅装置安装方式与安装数量；槽、管配水的水位情况等。

通过计算，可确定喷口尺寸与布置方式。

七、JNX-03型喷溅装置试验室淋水试验结果：
在同样的泄流能力下，JNX-03型喷溅装置比反射型喷溅装置的淋水均方差σ平均减少10%，而JNX-03型喷溅装置的喷溅半径大于反射型喷溅装置的喷溅半径平均增加值33%。

观察表明：JNX-03型喷溅装置水滴小而均匀，喷溅范围大，淋水均匀性好。

JNX-03型喷溅装置的溅水碟即使不旋转，其效果略好于反射型喷溅装置。

八、改造后效果的评估方法
考虑到影响水塔出水温度的主要因素是气象条件、机务部分的热力特性和冷却塔的循环水量。

在无法试验的情况下，可采取对比比较法进行效果评估。

为了确保评估结果的可靠性和过程的可操作性，通过查找运行记录（DCS 数据库）进行比较，在假定比较期间的气象条件相同、机务部分的热力指标与循环水量都没有变化的情况下，利用没改造塔做基准值，在相同负荷下随机取适当、较合理的点，比较本塔改造前、后与相邻（没改造塔）对应月份的出水温度与真空，通过对比评估改造后的效果。

九、300MW机组改造经济效益分析
1、减少维护费用：两个大修期内可减少配水系统维护费用80%。

按约平均4万元/年计算。

2、降低煤耗：按降低水塔出水温度0.8℃（资料介绍可降低到0.8℃），相当于每发1度电省1克（以上）标准煤。

机组每年运行实现6000小时以上，平均负荷按80%，标煤按700元/吨计算：每年可节省标准煤300，000×6，000×80%×1=1440吨
每年可节省燃煤费用：1440×700=100.8万元
3、降低电耗：如果运行调整合理，每年至少一个月可节省一台循环水泵运行（减少双泵运行时间），因此每年可节约厂用电：1600KW×30天×24小时=1152000KWh，如果电价按0.3元/KWh计算，可节约厂用电34.5万元
4、节省费用合计：139.3万元
十、300MW机组节能减排估算
1、一年内可降低标准煤耗约1500吨。

2、一年内可减少二氧化物排放约5000吨，减少粉煤灰排放约200吨，降低燃料和环境成本约100万元。

3、具有可观的社会、环境和经济效益。

参考文献
1.《冷却塔》赵振国
2.《海水冷却塔》赵顺安
3.《自然通风冷却塔的节能改造》胡三季
4.《凝汽器传热分析与节能途径》姚立人
5.《自然通风冷却塔节能改造及运行优化试验》沈发荣
6.《贵阳电厂#2冷却塔效率的提高》李浪舰
7.《逆流式自然通风冷却塔流场及热质交换的数值模拟》毛献忠。