冷却塔的布水均匀性对换热效率的影响.doc

冷却水塔的布水均匀性对水塔换热效率的影响主要内容：通过改进喷溅装置，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、影响水塔运行换热效率的主要因素1冷却水塔的作用与特点冷却水塔的作用是通过凝汽器内乏汽与冷却水换热后，将携带乏汽废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。 冷却水塔的特点是空气与水直接接触，通过接触传热和蒸发散热，把水中的热量传输给空气，热交换效率较高，水被冷却的极限温度为空气的湿球温度（能制冷到大气温度以下，湿球温度以上）。2影响水塔运行换热效率的主要因素影响水塔换热效率的因素与水塔的布水情况、空气动力特性、填料性能等因素有关，在其它条件不变的情况下，改善水塔的布水情况，将会提高水塔的换热效率。一个运行水塔，不考虑设计与运行因素，影响水塔运行换热效率的主要问题是布水不均匀、填料损坏与坍塌、收水器的变形和填料上存在杂物等。影响水塔运行换热效率的主要问题是布水不均匀，表现在喷溅装置的淋水均匀性差，在填料上所形成的水膜厚薄相差大，水量较大的部位在薄膜填料中形成的水膜厚，换热慢，相同落水时间内被空气带走的热量小，当达到临界水膜厚度时失去稳定，形成波动，易出现堵塞现象，使气流阻力增加。资料介绍在对一种填料的试验过程4：当风速为1.7m/s，淋水密度达到15m3/hm2时，气流阻力突然上升，形成了堵塞现象。水量较小或出现无水区的部位引起气流短路，空气带走的热量减少，使水塔换热效率下降。3薄膜式塑料填料对喷溅装置的要求处于节能的需要，电厂冷却水塔填料多改用薄膜式塑料填料，老式的喷溅装置的特性要求已经满足不了新型填料的最佳运行要求，为了提高冷却效率，要求选择淋水特性均匀、喷溅范围大、在填料上无死区、薄膜填料内的水流厚度应尽量薄、水体能不断与空气掺混交换的喷溅装置。对新型喷溅装置的要求如下： 1）喷溅成的水滴直径应该小，喷洒的冷却面积应该大，冷却效率高。 2）整个淋水面上淋水密度均匀，不出现无水区。 3）冷却水量在四季流量变化要求范围内，喷洒无明显恶化。 4）流量系数大，降低喷嘴水头。 5）不易堵塞，有污物时容易清理。 6）喷嘴与溅水设备对中，不因运行而发生变化。 7）易于更换和检修，坚固耐用，不掉头。 8）可根据配水部位要求而采用不同直径的喷嘴，以保证配水稳定。9）利用标准设计实现通用性强，可方便于槽式或管式配水系统配套使用。二、改善水塔的布水均匀性可提高换热效率的性能分析水塔的冷却效率主要体现在凝汽器内乏汽和冷却水换热情况与水塔内热水和空气的换热效果，主要应分析水塔的冷却水量与出水温度。通过改善布水均匀性，如果冷却水量不变，在相同条件下，出水温度越低，真空越高，发电能力也就越高，说明提高了水塔的换热效率。1凝汽器的特点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，使蒸汽在汽轮机内膨胀到较低的压力，以提高蒸汽的可用焓降，将更多的热量转变为机械功。凝汽器的压力在理想情况下应为蒸汽的饱和压力，由排汽温度来决定。排汽温度为1： tn=t1+t+t （1）式中：tn凝汽器进口蒸汽温度，；t1冷却水入口温度，；t冷却水在凝汽器中温升，；t排汽温度与冷却水出口温度差，称为端差，。tn1tntt11t1Ftttt1湿饱和蒸汽和冷却水温度变化示意图 从公式（1）可见，凝汽器的冷却水入口温度t1就是水塔的出水温度，冷却水在凝汽器中的温升t就是水塔的冷却水温差降。 1）冷却水入口温度t1：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t11，排汽的温度必然降低为tn1，因此在相同负荷和冷却水量下，真空升高，机组热效率提高（见图1）2。2）温升t：冷却水在凝汽器中的温升与冷却水量有很大关系，冷却水量增大，换热加剧，温升t下降，真空提高；如果温升t增加说明冷却水量不足，真空将下降。3）端差t：t增大，说明铜管表面不清洁而换热系数减小，真空将下降。2改善喷溅装置布水均匀性来提高水塔换热效率的分析 通过改进喷溅装置，改善布水情况，可降低水塔的出水温度t1或增加冷却水量来降低水温差降t，提高水塔的换热效率。1）水塔出水温度t1的影响因素影响运行中水塔出水温度t1的因素有环境温度与湿度、多塔作用的气流场、配水情况和填料损坏情况等。由于电厂多采用塔群布置的运行方式，每个塔的气流场、填料与配水不同，水塔的出水温度t1不可能都一样。从上述分析可见，凝汽器的冷却水入口温度t1就是水塔的出水温度，冷却水在凝汽器中的温升t就是水塔的冷却水温差降。惟独有水塔的出水温度t1决定冷却水与空气进行热交换的情况，而温升t主要由凝汽器内乏汽与冷却水交换的热量来决定。在固定大气环境下，如果水塔的出水温度t1不变，由于凝汽器的换热条件变坏，温升t增加，真空增大，乏汽放热量增大，水塔出口空气所带走的热量增大，水塔温差t也增大。可见，水塔的出水温度t1受水塔的散热情况影响，而水塔冷却水温差降t受凝汽器换热情况影响。冬季的大气环境温度很低，水塔的出水温度也很低，真空下降很大，乏汽放热量减少很多，一般靠减少冷却水量来提高凝汽器温升，实现新的热平衡；夏季的大气环境温度很高，水塔的出水温度也很高，真空下降很大，乏汽放热量很大，一般靠增加冷却水量来降低凝汽器温升，实现新的热平衡。在相同的大气环境和水塔各种条件不变的情况下，如果喷溅装置改进后水塔出水温度t1下降为t11（见图1），就说明水塔的换热效率提高了，改进后的喷溅装置与原来的喷溅装置相比具有淋水均匀提高、喷溅范围增大、水淋在填料上实现无死区、填料内的水流厚度减薄、水体能不断与空气掺混交换等特点。2）影响水塔冷却水温差降t的因素影响水塔的冷却水温差降t的主要因素是冷却水流量。凝汽器的热平衡方程3：D（ip-in）=DLC（t2-t1）= DLCt （2）式中 D进入凝汽器的蒸汽量； ip排汽焓； in凝结水焓；DL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；t凝汽器出口与进口水温差或水塔的进水与出水温差降。从公式（2）可见，在正常情况下，t变化与水量有直接关系。这是因为凝汽器出口与进口水温升决定水塔的进水与出水水温降，反之不成立。如果DL下降，其它条件不变，t增大。另外乏汽量D下降，真空不变，DLC不变，t也下降；各因素不变，如果t增大，必定导致真空升高；真空下降，tn下降，其它因素不变，t也下降。 水塔的配水一般均按常规条件设计，运行中有一定的节能潜力，在一定的布水压头范围内（对JNX喷溅装置水位能保持在0.8m以上），降低喷溅装置的水流动阻力，可使水泵的运行工作点移动，即压头下降，流量增大，温升t降低。如果增大后的水量不能破坏水膜稳定，不影响进塔空气量，出水温度t1升高的量要低于温降t增加的量，必定提高真空，同时也减少了循环水泵的能耗。三、水塔的换热特点41水塔的换热关系 在水塔中，携带凝汽器乏汽的热水温度高，流过水表面的空气温度低，水将热量传给空气，由空气带走，散到大气中去。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：dQ=（t-）dF+1.61p（1-X）pa x（t-）dF （3）式中：dQ水传给空气的热量接触散热系数 t水的表面温度空气的干球温度dF换热面积p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 1pa 大气压力x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，不变，dF不变，淋水效果变好能使综合散热系数x增加，t-下降，必定使出水温度t1下降。为了研究综合散热系数x的影热响因素，首先要了解水气交面热阻。2水气交面热阻在蒸发及接触散热中，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，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、水体能不断与空气掺混交换，以减低水气交面热阻。水体是有限的，由于散热使温度降低；而空气量是无限的，其入口参数不因蒸发或接触散热而变化。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。3比较JNX旋转式喷溅装置与XPH喷溅装置的淋水特点 喷溅装置的水流特性主要包括泄流能力、喷溅范围和淋水的均匀性。 1）泄流能力 泄流能力即泄流量，指单个喷头单位时间所排泄的流量，用公式表示为 Q = A（2gH）0.5 （4）式中：Q泄流量， m3/s ； A喷嘴出口处过流面积，m2 ；流量系数；g重力加速度，9.81m/s2 ； H作用在喷嘴出口断面的水头，m。 喷溅装置的喷嘴长度一般不超过出口管径的3.54倍。采用喷嘴，能使管内水流稳定，系数通过试验来确定。喷溅装置的泄流能力由水塔原始设计来决定，一般取8-12m3/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。 XPHJNX图2XPH型喷溅装置与JNX旋转型喷溅装置的喷溅范围对比图XPH型喷溅装置的结构特点是水从进水口切向进入，过水断面逐渐减小，水流速加大，进入旋转室高速旋转，并做90度急转弯流动，然后从出水口向下喷出。采用的是旋转射流原理，其喷溅水流在填料上呈圆锥型覆盖，喷溅范围与喷溅装置到填料的高度H有关。而JNX旋转式喷溅装置具有反射旋转向四周散开的淋水特点，在相同高度H=0.65m的情况下，喷溅范围要远远大于XPH型喷溅装置，试验证明，JNX旋转式喷溅装置的喷溅半径（R1.8m）约是XPH型喷溅装置（R0.7m）的2.5倍以上(见图2)。3）淋水的均匀性 淋水的均匀性是指在喷溅范围内各点的淋水密度是否均匀，用各点均方差来衡量其均匀度： = in（Xi-1）2/n0.5 （5）式中：Xi = qi/qp ； n取喷溅范围的测量点数； qi第I个点的单位时间的接水量；qpn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。图3XPH型喷溅装置与JNX旋转型喷溅装置的淋水均匀性对比图XPHJNXXPH型喷溅装置是在水压的作用下，水流以旋转方式离开喷头出口，在离心力的作用向四周洒开，淋水密度最大的部位是其形成圆锥体的相关线部位（接近淋水量的50%）5，而且落水强度（属于直接强行喷注）很大，形成环状大密度供水，越靠近中间，水的密度将越小，落水强度也越小（见图2.XPH），从而可见，XPH型喷溅装置的喷溅均匀性相对差，主水区热阻大，并且易于在中间形成空气堵塞，影响换热。JNX节能旋转式喷溅装置是以洒水为目的来实现均匀性的（见图2.JNX）。试验证明，JNX旋转式喷溅装置的淋水均匀性（ =0.2）约好于XPH型喷溅装置（ =0.4）的2倍（见图3）。实践表明，表征多个喷溅装置综合作用的淋水均匀性系数 一般取0.20.35之间为最好。4）JNX旋转式喷溅装置的淋水特点如下： 通过试验，JNX旋转式喷溅装置所具备的淋水特点如下：溅水特性一：旋转的溅水碟在水动力的作用下，使射出的分散而大小不等的水滴，均匀地播散到喷溅装置下部的填料上。特点：淋水范围较大。由于旋转溅水碟的匀速旋转，产生大小而又不等的无规则水滴，均匀地无固定轨迹的淋撒在填料上，实现水与空气的均匀接触。特点：淋水密度均匀，交面热阻小，不存在水流下落的固定无水狭缝。在夏季冷却水量大、水头高，喷溅范围将会增大，淋水均匀性将会提高，多个喷头的交叉作用的效果将会更好，使淋水填料的换热面积得到最有效的利用，出水温度相对降低。 在冬季冷却水量减少，水头也将会降低（大于0.5m），如果溅水碟上部喷嘴不出现抽空现象，水靠自由下落将会在导水锥体上产生约1m/s以上的冲击速度，推动溅水碟旋转，水流将继续被喷溅出去，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120mm的溅水碟将水洒向四周，其喷溅范围与均匀性也好于传统的喷溅装置。溅水特性二：导水锥体是固定不动的，溅水碟在水动力作用下是旋转的，二者之间有一定的间隙，水流通过此间隙落到旋转的溅水碟的支撑筋上而撕裂水流，从而实现无中空现象。溅水特性三：在特殊情况下（如异物卡死）造成溅水碟不旋转，由于溅水碟上面有多个很薄的齿片，也会将高速水撕碎而喷向四周，动静间的狭缝也会消除中空，其水流特性也等同于其它喷溅装置，这在试验中也得到了对比观察试验的结果。可见，在同等条件下，JNX旋转式喷溅装置的淋水特点要比XPH型喷溅装置的淋水特点局部水膜薄，水气交面热阻小，综合散热系数x大，所以，水塔的出水温度相对会降低。4影响填料散热系数x的因素填料的散热系数x一般表示为：x=Bqmgn（t22/t2）-P （6）式中：x散热系数B、m、n、p为试验常数q淋水密度g空气的重量风速文献介绍4：散热系数x在特定的填料形式、体积、水温和气候条件条件下，大气湿球温度变化影响很小，可忽略不计。散热系数x主要取决于淋水密度q、空气的重量风速g和进水温度t2有关，q合理增大，g合理增大，散热系数x增大，可使出水温度降低。如果水塔的进水温度t2升高为t22，且（t22/t2）与-P属于负指数关系，散热系数x要变小，冷却温差降增大，如果水塔的出水温度不变，凝汽器内换热量必增大，使温差继续增大，导致水塔出水温度略有提高（由于x变小，使t11-t1小于t22-t2），直到新的热平衡，此时，虽然空气的入口温度不变，空气的出塔温度提高，带走的热量增大。 5水塔出水温度t1与水温降t的关系根据上述分析，由于凝汽器的换热条件恶化，冷却水量不变，真空降低，乏汽换热量增大，温升t增大。如果水塔内换热条件不变，根据公式（6）推算可见，散热系数x变小的影响量要低于乏汽换热量增大的影响量，冷却水温降也同步增大，水塔的出水温度t1略有升高；另外，由于水体的在水塔内自由落程固定，冷却时间固定，过高的进水温度，可能引起水体的冷却时间不够而提高了出水温度。这些情况的影响结果有待于以后通过试验来确定。四喷溅装置改进后提高换热效率的评定方法通过上述论证，在相同条件下测定水塔的出水温度，如果改造后出水温度降低了，说明充分利用进塔空气的吸热能力，提高了换热效率。方法一：试验法，以锦州电厂3500m2水泥网格填料槽式配水的#1塔为例，在一个冷却塔上做试验，一半用原喷溅装置，一半用JNX旋转式喷溅装置，在同样工况、同样进水温度、同样冷却水量、同样气象条件的情况下进行试验，测得使用JNX旋转式喷溅装置侧出水温度比另一侧降低0.8。方法二：统计观察对比法，以石嘴山电厂4500m2塑料填料管式配水的#2塔为例7，在#2塔上安装JNX旋转式喷溅装置，观察安装前后相近冷却水流量、相同大气温度下的出水温度。如果大气温度变化很大或冷却水量变化，可进行综合分析，分析另一个安装原喷溅装置的水塔（#1塔）与本水塔进行改造前后综合比较，确定在相同大气温度下比较水塔的出水温度（粗略对比）。通过改造前一周与改造后一周的统计数据分析，#2机组小修改造后水塔出水温度平均为17与修前相比降低了。由于气候的变化和运行方式的改变，#2机与相同条件下其它三台机组小修前后同期相近负荷相比较：比#1机组降低了0.98，比#3机组降低了2.31，比#4机组降低了0.99。可见#2机组水塔在相同工况下与#1机组相比较相当于降低循环水温度0.98以上。同时进行真空情况比较，通过统计数据分析，#2机组小修后真空平均值为83.027kpa与修前相比真空提高了。由于气候的变化和运行方式的改变，#2机与相同的条件下其它三台机组小修前后同期相近负荷相比：比#1机组提高了0.897kpa，比#3机组提高了1.016kpa，比#4机组提高了1.258kpa。可见#2机组在相同工况下相当于提高机组真空0.897kpa以上。五、结论 影响水塔出水温度的因素很多，如何正确评价改善布水均匀性后的效果很难，最好的方法是试验法。1水塔依靠空气散掉冷却水的固定热量，而冷却水所携带的热量来源于凝汽器内乏汽所需要的换热量，以保证最佳真空。通过动态变化最后在一定的条件下实现平衡。凝汽器的运行真空往