火电站、核电站冷却塔空气动力涡流装置
2011-06-12 14:45:33| 分类：技术革新 | 标签： |字号大中小订阅
一、综述：
在火电站以及核电站中，冷却塔作为电站循环水冷却系统中的工艺设备，是不可分割的，汽轮发电机组的经济指标在很大程度上取决于设计和运行的冷却设备。在夏季，其他条件相同的条件下，冷却塔使循环冷却水每降低1℃，就会在同等发电量下使燃煤的消耗平均减少1—2克/（千瓦.小时）。
因此，提高冷却塔的工作效率，对于提高火电站汽轮发电机组的热效率、降低煤耗会起到重要的作用。对于现代冷却塔而言，其有效作用的热系数为25—40%。提高冷却塔有效作用的热系数，也就提高了冷却塔的工作效率。采用冷却塔空气动力涡流装置对已建及在建电站的冷却塔进行改造，对于提高冷却塔的工作效率可以起到事半功倍的效果，同时对于减小其排热对环境的有害影响也会起到有效的作用。特别是在全球气候变暖的情况下，通过这种物理手段，降低循环水温度，提高机组效率，降低发电成本，可以说该项目具有节能和环保的双重作用。
利用冷却塔空气动力涡流装置来提高冷却塔的工作效率，目前在国内的火电站中还没有应用，因此对该技术的研究应用不仅可以填补国内在这一领域的空白而且能够创造巨大的经济效益和社会效益。
众所周知，2002年下半年以来，随着经济快速增长和部分地区水文、气候出现异常现象，全国矛盾再度突出，电力供应形势紧张，形成了日益严重的电荒。从表面看，引起电荒是由于电力供需矛盾引起的，但从深层次看，能源供应的日趋紧张是产生电荒的深层次的原因，为此，政府将节约能源与开发新能源作为战略提到议事日程。火电站是能源消耗的直接部门，特别是对煤炭的消耗。将冷却塔空气动力涡流装置应用于火力和核电站的冷却塔上来改善冷却塔的冷却效果，提高冷却塔的工作效率，可以显著地降低煤耗。目前全国现有运行的火力发电站装机容量超过1000MW的电站约为70座（2000年统计），如果包括1000MW以下电站的机组估计冷却塔数量超过300座。据有关学者调查指出，现在运行中的冷却塔绝大多数冷却性能不够好，多数有改造需求。
根据对国内外相关技术的调查，目前该技术在俄罗斯已有5项相关技术专利，并已在俄罗斯电厂的1、3、4号冷却塔、马兹里斯科电站、格罗德涅斯科电站以及博波卢易斯科电站的冷却塔上被应用，其节能效果明显，安全可靠，经济效益明显，深受电厂用户欢迎。
二、技术分析：
冷却塔的作用是将携带废热的冷却水在塔内与空气进行换热，使废热传输给空气并散入大气。冷却塔的工作原理是冷却水进入冷凝器吸收汽轮机排汽所放出的热量后，在一定的压力下，沿压力管送至塔身下部距地面8－10米的高度处，水沿配水槽由塔中心流向四周，再由配水槽下边的滴水管（短瓷管）呈线状流到下面与孔眼同心的溅水碟上溅成细小的水滴，经淋水装置后流入储水池。水流在飞溅下落时，冷空气依靠塔身所形成的吸力，被吸入塔内与水流呈逆向流动，由顶部排入大气，大部分的水由于受到蒸发被冷却，而小部分的水与空气对流传热被冷却。储水池中的冷却水再沿着供水管路由循环水泵送入冷凝器而重复使用。从冷却塔的作用和
原理我们可以看出，塔内各种装置工作性能的好坏，固然影响到冷却塔的换热效率，但冷空气逆向流动的环境和方式，也是换热效率的一个重要因素。
冷却塔内蒸发冷却效力取决于多种因素，首先取决于被吸入冷却塔内冷空气质量流量、冷凝式汽轮机的冷凝器中流出的旋转热水；其次，以下的物理因素也影响冷却塔的冷却效力温度和周围空气的相对湿度，沿冷却塔高度风速的分布等等。通过研究证实，冷却塔内部相对弱风区同无水条件相比流谱发生了改变。在冷却塔底部和上部形成了气体混合环流--大范围停滞涡流区（约占冷却塔径的1/3
）。这就明显地降低了冷却塔的冷却效率并导致冷却塔储水池的水温提高，图1标示出了冷却塔内部的停滞涡流区。
图1为冷却塔内部气流停滞涡流区
通过对俄罗斯4号电站冷却塔配水槽气流的理论和实验研究表明，冷却塔入口处的初始条件对空气流量大小和配水槽区域空气流量的分布有很大影响。确切地说，观察发现冷却塔入口处切面流入的空气呈不均匀分布，能够发现流入气体的挡板位于入口处的上部。还发现流入空气在喷水设施整个面积上也呈不均匀分布状态。这些因素导致了现有冷却塔制冷效力降低。通过模拟冷却塔热物理和空气过程的综合实验装置（见图2），并借助于电子计算机，应用激光技术，进行流谱显影。
图2---底部带涡流装置的冷却塔实验室模拟外形
由俄方研制的冷却塔空气动力过程实验室进行的模拟试验证明，借助于立式的旋转装置（动力涡流装置）在冷却塔内部建立旋风流，通过强化热质交换过程有效地提高了冷却塔的热交换效率。
图3：冷却塔实验室模拟有效热系数(%)对水（Qw）、空气(Qa)消耗量比例关系的曲线曲线：1-带进入流的涡流器；2-不带进入流涡流器（普通冷却塔的用量）。
传统冷却塔的空气流的总速度由竖向和水平组成，且具有正切的一组分力，由于安装动力涡流装置，在冷却塔内部形成了稳定的旋转上升起流，这使空气流较深地和均匀地穿透水平剖面横截面，扩大了空气流与冷却水介质作用的途径，增加空气流与喷雾冷却水接触的时间，避免了空气流的不均匀分配、出现停滞带、返流现象，有效地提高了冷却塔的热交换率，从而有效地降低了循环水温度，提高了机组的效率。
需要特别指出的是：冷却塔内由于对流换热效率的提高，蒸发散热的比例将有所下降，循环蒸发量得以降低，可减少循环水的补水量，降低对地下水的需要，对像我国这样水资源缺乏的国家具有重要的意义。靠近冷却塔入口，特别是在中强风情况下，能够有效导致流动水温的降低。
一、已达到的效果：
俄方在近几年期间成功地利用空气动力涡流装置技术实施了提高冷却塔冷却效力来改善
核电站和热电站的循环冷却效果。
冷却塔空气动力涡流装置在俄罗斯实际应用后，节能效果显著，在春季、夏季和秋季尤为突出。应用此装置后，塔内冷却水温度平均降低1.3摄氏度，在最热的季节可降低2摄氏度或更多，在寒冷的季节不低于1摄氏度。以汽轮机功率为250MW的电站为例，一个季度可节约标准燃料1500吨，如果电站采用煤作为燃料的话，则一个季度节省1500吨燃料（即1500除以0.8=1875吨煤）即1875吨煤,折算成重油1308吨。在中国的南方应用此项技术节能效果会更好。
根据所用的汽轮机型号和运转状态不同，采用冷却塔空气动力涡流装置后每发1度电能够节省1.3-2.6克标准燃料，同时汽轮机功率提高8%。如果在最热季节，电站可能会出现现有冷却塔冷却效果不好，从而导致机组出力不足的现象，利用空气动力涡流装置对现有冷却塔进行改造，能解决此问题。
俄方研制和发明的空气动力涡流装置应用于俄罗斯国家最大的热电站--第4电站，其装机容量为1000兆瓦，循环水量为30000米3/小时。在1996年完成了对该电站冷却塔的实验室的模拟实验工作，在其基础上确定了空气动力涡流装置外观形态，采用普通金属材料进行了试验性的安装，如图4所示。
图4：被安置在第4电站工业用冷却塔通气窗前（入口处）的试验用涡流装置的竖向挡板。
1997年春、夏、秋季期间进行了冷却塔试验，结果表明，使用涡流装置能使冷却水的水温降低1. 3℃。在此情况下，冷却塔的热效力将提高9，1%。实验证明，在弱风情况下配水槽空间里也产生进入流的正切扭转，该空间甚至贯穿冷却塔中心，而没有象在标准的冷却塔里那样气流直接垂直上升。在进气口处，风流是稳定的，没有气流停滞带存在，同时在进气口上部不存在像在标准冷却塔内观察到的返回气流现象。
研究发现选择涡流装置导向板的最佳安置角度可以使进入冷却塔的空气形成扭转强环流，从而更有效地提高冷却水的制冷效果。通过模拟实验，最终确定了这个最佳角度，并根据这个角度固定了空气动力涡流装置的挡板。图5所示为于2000年正式应用在第4电站4号冷却塔上采用钢筋混凝土构件为原料的固定式空气动力涡流装置。
图4为第4电站4号冷却塔上空气动力涡流装置的工业外形，方向挡板被固定不动并由钢筋混凝土构件加工而成。
目前在俄罗斯的马兹里斯科电站、格罗德涅斯科电站、博波卢易斯科电站的冷却塔均应用了该空气动力涡流装置。
该项目获得了俄罗斯动力技术方面的官方认可。在技术领域获得俄罗斯国家奖。在世界上目前无同类技术，在1996年德国汉诺威国际展览会和1998年葡萄牙的里斯本出口展览会上，该技术引起与会西欧国家动力专家的极大兴趣。
四、实施建议及预期收益：
在保持原有冷却塔内部结构不改变的情况下，依据冷却塔结构数据、环境数据，经过科学家计算，在冷却塔底部的冷空气入口处设计并安装按一定角度均匀旋转的一组机翼形水泥导向板（如图1所示），其高度与人字架相同（如图2所示）。机翼形水泥导向板长约5－6米，安装完毕后，冷却塔底部总直径增加约3米左右。
注：动力涡流装置设计参数不合理，可能会起到适得其反的效果。
冷却塔空气动力涡流装置的实质是根据被改造的冷却塔周边情况，在其通气窗前方自身的基础上安装空气导向板装置，施工时冷却塔无需停止工作。
用动力涡流装置，对冷却塔进行改造，投资只有通流部分改造的十分之一左右，将会给发电企业带来较高的直接经济效益。在通常情况下，循环水的温度每降低1℃，可使机组真空提高400Pa--500Pa，使机组发电煤耗下降1.0--1.5克/千瓦时。就东北地区而言，经初步调查和计算在原有的标准的冷却塔上安装动力涡流装置后，一般可使循环水温度降低3℃以上，可使机组发电煤耗下降3.0 --4.5克/千瓦时，这与100MW机组和200MW机组低压通流部分改造后所取得的经济效益基本相当，但其投资却远小于上述机组通流部分改造的投资，一般仅为机组通流部分改造投资的十分之一左右。在南方，其效果更加明显。
冷却塔空气动力涡流装置具有投资少，见效快，节能效果明显的特点。实践表明，安装冷却塔空气动力涡流装置的周期约为6个月，期间无需电站停产，投资回报期最快为3-4个季度。
此外，空气动力涡流装置降低了冷却循环水的温度从而有效地改善了电站辅助设备（例如汽轮发电机组的油-气体冷却器、辅助的热交换器、抽水设备等）的工作状况。
改造后的冷却塔会带来显著的经济效益和社会效益。根据机组容量、冷却塔的型号、循环水量及其他一系列因素的影响，安装冷却塔动力涡流装置后产生的经济效益会有所不同，详情见下表。
机组
容量
200MW300MW600MW
循环水温降低值
最低
1.3℃
最高
4℃
最低
1.3℃
最高
4℃
最低
1.3℃
最高
4℃
年可节省标煤
2800
吨
8640吨
3980
吨
12250
吨
7488吨
23000
吨
年67.2207万元95.5294180万552万
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