火电厂开式循环水双曲线型自然通风冷却塔换热效率提高策略

火电厂开式循环水双曲线型自然通风冷却塔换热效率提高策略

刘银文

徐州华鑫发电有限公司  江苏徐州221000

循环水冷却塔是一种在火力发电厂比较常见的一种大型冷却设备，发电厂冷却塔的作用就是利用从下往上流动的空气冷却从上往下流动的水。冷却后的水通过循环水泵输送到凝汽器从而冷却从汽轮机排出的做过功的蒸汽，从而建立凝汽器的真空，而较低的真空对发电机组又是至关重要的。循环水系统在运行过程中，其冷却塔的填料表面上常常会发生沉积物(污垢)的集积。沉积物不但导热系数低，还会使换热器中冷却水通道的截面积和冷却水的通量变小，且沉积物覆盖于填料表面，为垢下腐蚀创造了必要的条件。所以冷却水系统长时间运行后经常出现循环水系统水塔出现堵塞、填料掉落等情况，造成水塔换热效果下降，导致出口温度升高，影响装置的安全生产运行，增加了无谓的成本消耗，不利于节能降耗。现就循环水冷却器换热效率下降的原因进行分析，并对预防和解决方法进行探讨。为了达到最佳的能效，需要采取一些措施来提高循环水冷却塔的能效。

1.冷却塔工作原理

冷却塔是将循环冷却水在其中喷淋，使之与空气直接接触，通过蒸发和对流把携带的热量散发到大气中去的冷却装置。冷却塔的作用是将挟带热量的冷却水在塔内与空气进行换热，使热量传输给空气并散入大气，冷却塔中水和空气的换热方式是流过水表面的空气与水直接接触，通过接触传热和蒸发散热，把水中的热量传输给空气。所以这种通过空气和水进行换热的冷却塔也称为自然通风冷却塔。

用这种方式冷却的称为湿式冷却塔。缺水地区或在补充水有困难的情况下，也可采用干式冷却塔。干式冷却塔中空气与水的换热是通过由金属管组成的散热器表面传热，将管内水的热量传输给散热器外流动的空气。

2.冷却塔的结构

2.1淋水填料

淋水填料是热水在塔内进行冷却的主要部件，称为“肠胃系统”。需要冷却的热水经多次溅散成水滴或形成水膜，增加水与空气的接触面积和延长接触时间，促使热水与空气进行热交换，使水得到冷却。

2.2 配水系统

配水系统的作用是将热水均匀地分布在整个填料上。热水分布是否均匀，对冷却效果影响很大。如水量分配不均匀，不仅直接降低水的冷却效果，也会造成部分冷却水滴飞溅而飘逸出塔外，增加水量损失。

2.3空气分配装置

空气分配装置是指进风口、百叶窗及导风板等，目的是引导空气均匀地分布于冷却塔的整个截面上，不使空气在塔内产生不均及涡流、回流等，保证水与空气均匀地接触。

2.4塔体

指冷却塔的外壳体，

2.5集水池

设在冷却塔下部（对于中小型塔有的下部设底盘不设集水池），汇集多台塔从淋水填料落下来的冷却水。集水池具有一定的容积，有时还起调节水量的作用。

2.6进、出水管

进水管把热水输送到冷却塔的配水系统，进水管上设阀门，以调节进塔水量。出水管（中小型塔设在底盘下）把冷却水送往用水设备或水池。大型塔下为水池，无出水管。一般是指水泵从水池抽水送至用水设备的输水管。在集水池还有补充水管、排污管、溢流管、放空管等。

3双曲线型电厂冷却塔（见图1）

冷却塔做成双曲线形的原因之一是为了提高冷却的效率，底部有最大的圆周，可以最大限度地进入冷空气，冷空气到达最细部位时，接触热水，这时首先由于管径变小，空气流速加快，可以尽快的带走热水中的热量，其次由于管径变小，冷空气的体积也受到压缩，故压力也有增加，而压力增加流体的含热能力会随之增加，于是在细腰部冷空气可以最大限度的吸收热水的热量从而使热水冷却。到了最上部，管径再次扩大，已携带了大量热量的空气由于速度减慢，压力减小，又将所含的热量释放出来形成白色的水蒸气。

另外一方面，修建双曲冷却塔也是出于对成本控制的考虑。冷却塔的单叶双曲面是一种直纹曲面，这一点可以形象化地简单的理解为把一根直线绕着与它异面的一个轴旋转，这个直线划过的曲面就是一个单叶双曲面。一个建筑如果采用单叶双曲面的造型，那么它的主体可以只由直的钢梁来建造。而生产直的大型钢梁成本远低于生产玩去的大型钢梁，同时安装和运输也更方便。这样既可以减少风的阻力，又可以用最少的材料来维持结构的完整性。

4冷却塔的换热效率影响因素

4.1. 空气湿度：冷却塔通过蒸发的方式降低水温。当空气湿度较低时，水分更容易蒸发，从而提高冷却效果。相反，当空气湿度较高时，水分的蒸发速度减慢，导致换热效率下降。

4.2. 空气流速：冷却塔需要足够的空气流过冷却介质，以带走热量。较高的空气流速可以增加热量传输效率。因此，确保冷却塔周围的空气流通畅通，可以提高换热效率。

4.3. 冷却介质的流速：冷却塔中的水或其他介质的流速也会影响换热效率。较高的流速可以增加热量传递速率，但过高的流速可能会导致冷却效果不均匀或带来其他问题。因此，需要在合适的范围内调整流速以获得最佳效果。

4.4. 冷却介质的温度差：冷却塔的工作原理是通过将热介质与冷介质进行热交换来降低温度。温度差越大，换热效率越高。因此，保持冷却介质的温度尽可能低，以及冷却塔出口的冷介质温度尽可能高，可以提高换热效率。

4.5. 冷却塔的设计和维护：冷却塔的设计和维护也会对换热效率产生影响。例如，合理的塔型设计和填料选择可以增加表面积，提高换热效率。定期清洁和维护冷却塔，以防止堵塞或腐蚀等问题，也是保持高效换热的关键。

5提高冷却塔换热效率的途径

5.1增加换热管的数量。增加换热管的数量相当于是增加介质与喷淋水的接触面积，水分子充分吸收介质中的热量，将介质冷却降温，提升了传导散热效率；

5.2增加换热管中介质停留时间。介质停留时间长，单位时间里流过介质的水分子相对增加，水分子带走的热量相对增多，从而提升了传导散热效率；

5.3提高空气流动速率。通过空气流通带走溢出的水分子，减少其流回水中的可能性和数量，从而使蒸发过程不断进行，逐渐提高蒸发散热效率。

5.4需注意维护水塔的清洁。由于塔内水的循环，水塔内部在使用过程中会产生水垢、污垢、藻类等沉积物，这些沉积物会降低水塔的换热效率并耗费更多的能源。因此，需要定期清理水塔内的污垢，清除污垢的方法包括机械清洗、化学清洗等，只有保持水塔的清洁，才能5.5需要调整水塔的运行参数。正常情况下水塔的进水和出水温差应该在5℃左右，但如果差值太大会使得水塔的性能下降，从而影响循环水冷却塔的能效，因此需要根据实际情况调整进出水温差。另外，水塔的流量也需要调整，适当增加流量，既可以提高冷却效果，又可以节约运行时间和能源。

5.6使用高转速的循环水泵可以大大提高循环水冷却塔的能效。选择高效的水泵和电机，可以减少水塔的能源消耗，并延长设备的使用寿命。可以根据实际需要转速高且电流小的流体循环泵，有效地提高设备的运转效率，从而更好地实现节能减排的目标。

5.7需要增加水塔的通风强度。水塔内部温度高，通过增加通风孔的数量或使用通风扇，可以增加水塔的换热面积，提高水塔的效率，同时也可以减轻电站的负担。

5.8 采用一机双塔。采用循环水联络管的系统，如果单台机组运行，可以采用一机双塔的运行的方式，可以明显改善真空状况。

6.1塔内优化技术

6.1.1塔内空气导流装置：在水塔喷淋层上部增加导流装置，可以明显改善塔内通风阻力，增加进风量，整体上提高淋水区，填料区，喷淋区的热交换性能，可以单独使用，亦可与塔外进风口导流装置配合使用，效果更佳。

6.1.2中心区优化技术

6.1.2.1加装中心区空气调整装置：在水塔淋水区，由于气液间的热质交换和相互作用力，空气温度和湿度沿径向由外向内逐渐升高，速度逐渐降低，塔内中心处空气的温度较高，湿度大，速度低。所以，中心区域温度高，冷却效果就差。针对这种状况，拆除部分填料，加装中心区空气调整装置，使得填料中心区的阻力降低，通过淋水区的已经升高温度和湿度的空气，不再滞留在水塔水平圆心附件的填料中心区下部空间和填料空间，而是在调节装置的作用下，在低阻力的状态下，较快地上升到填料层上侧，中心区较高温度和湿度且冷却能力较差的空气被快速排除，从而使塔外新鲜空气在不改变原水塔入口通风面积和通道的条件下，较快进入水塔中心区。这个过程一是提高水塔填料断面各部分冷却效果的均匀性，二是增加了进风量，水塔整体性能得到改善。

6.1.2.3水塔中心区加装导管引流装置：在水塔进风口周向加装数根空气导管，导管沿径向水平布置在集水池水平面上侧，导管一端固定在集水池边沿上部，便于进风口的空气进入导管，另一端布置在水塔集水池圆心附近的水平面上部，这样进入冷水塔的空气就分为两路，主要部分沿传统通道进入水塔，另外一部分沿导流管直接进入过淋水区中心附近，从而亦可改善中心区域换热效果。

6.1.3选择效率高的喷淋装置。比如GX型离心式高效喷溅装置，NXJ内旋式高效节能旋转型喷溅装置、新型TPX-1旋转型喷溅装置。

6.1.4 填料优化 填料是冷却塔最重要的冷却部件，选择合适的技术成熟、冷却数高、不易堵塞、耐用的填料亦能有效提高换热效率。

6.1.5布置优化：采用能够充分强化换热的配水和填料布置。采用“风水匹配强化换热技术”，根据二维或三维计算对水塔内的空气和水的流动场及换热状况进行模拟，进而求得提高水塔性能的预期。

6.2塔外优化技术

6.2.1科学布置水塔位置和空间，保证空气的正常流动。国外研究发现采用水塔空气动力涡流调节装置技术，可有效稳定增加水塔进风量和增加进风的均匀性。同时，由于空气路径的延长，增加了空气与水的接触面积，从而提高汽水热交换的程度。

6.2.2塔顶优化：在水塔出风口加装一个外套，降低塔内阻力，降低塔顶自然风的不利因素，稳定水塔运行，明显增加进风量。

总之，采取上述措施可以提高循环水冷却塔的能效，从而达到节能减排的目的。水塔的定期维护，调整水塔的运行参数，使用高效水泵和电机以及增加水塔的通风强度都可以使得水塔在实际生产中达到最佳的能效。随着科技的不断进步，相信循环水冷却塔的能效将不断得到提高，为工业生产带来更大的效益。

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