冷卻塔的布水均勻性對(duì)換熱效率的影響

冷卻水塔的布水均勻性對(duì)水塔換熱效率的影響主要內(nèi)容：通過改進(jìn)噴濺裝置，改善水塔布水的均勻性，提高水塔換熱效率，降低水塔出水溫度，導(dǎo)致凝汽器真空提高，機(jī)組發(fā)電能力增強(qiáng)。王國(guó)春一、 影響水塔運(yùn)行換熱效率的主要因素冷卻水塔的作用與特點(diǎn)冷卻水塔的作用是通過凝汽器內(nèi)乏汽與冷卻水換熱后，將攜帶乏汽廢熱的冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，使廢熱傳輸給空氣并散入大氣。冷卻水塔的特點(diǎn)是空氣與水直接接觸，通過接觸傳熱和蒸發(fā)散熱，把水中的熱量傳輸給空氣，熱交換效率較高，水被冷卻的極限溫度為空氣的濕球溫度（能制冷到大氣溫度以下，濕球溫度以上）。影響水塔運(yùn)行換熱效率的主要因素影響水塔換熱效率的因素與水塔的布水情況、空氣動(dòng)力特性、填料性能等因素有關(guān)，在其它條件不變的情況下，改善水塔的布水情況，將會(huì)提高水塔的換熱效率。一個(gè)運(yùn)行水塔，不考慮設(shè)計(jì)與運(yùn)行因素，影響水塔運(yùn)行換熱效率的主要問題是布水不均勻、填料損壞與坍塌、收水器的變形和填料上存在雜物等。影響水塔運(yùn)行換熱效率的主要問題是布水不均勻，表現(xiàn)在噴濺裝置的淋水均勻性差，在填料上所形成的水膜厚薄相差大，水量較大的部位在薄膜填料中形成的水膜厚，換熱慢，相同落水時(shí)間內(nèi)被空氣帶走的熱量小，當(dāng)達(dá)到臨界水膜厚度時(shí)失去穩(wěn)定，形成波動(dòng)，易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，使氣流阻力增加。資料介紹在對(duì)一種填料的試驗(yàn)過程[4]:當(dāng)風(fēng)速為1.7m/s，淋水密度達(dá)到15m3/hm2時(shí)，氣流阻力突然上升，形成了堵塞現(xiàn)象。水量較小或出現(xiàn)無水區(qū)的部位引起氣流短路，空氣帶走的熱量減少，使水塔換熱效率下降。3.薄膜式塑料填料對(duì)噴濺裝置的要求處于節(jié)能的需要，電廠冷卻水塔填料多改用薄膜式塑料填料，老式的噴濺裝置的特性要求已經(jīng)滿足不了新型填料的最佳運(yùn)行要求，為了提高冷卻效率，要求選擇淋水特性均勻、噴濺范圍大、在填料上無死區(qū)、薄膜填料內(nèi)的水流厚度應(yīng)盡量薄、水體能不斷與空氣摻混交換的噴濺裝置。對(duì)新型噴濺裝置的要求如下：1） 噴濺成的水滴直徑應(yīng)該小，噴灑的冷卻面積應(yīng)該大，冷卻效率高。2） 整個(gè)淋水面上淋水密度均勻，不出現(xiàn)無水區(qū)。3） 冷卻水量在四季流量變化要求范圍內(nèi)，噴灑無明顯惡化。4） 流量系數(shù)大，降低噴嘴水頭。5） 不易堵塞，有污物時(shí)容易清理。6） 噴嘴與濺水設(shè)備對(duì)中，不因運(yùn)行而發(fā)生變化。7） 易于更換和檢修，堅(jiān)固耐用，不掉頭。8） 可根據(jù)配水部位要求而采用不同直徑的噴嘴，以保證配水穩(wěn)定。9） 利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通用性強(qiáng)，可方便于槽式或管式配水系統(tǒng)配套使用。二、 改善水塔的布水均勻性可提高換熱效率的性能分析水塔的冷卻效率主要體現(xiàn)在凝汽器內(nèi)乏汽和冷卻水換熱情況與水塔內(nèi)熱水和空氣的換熱效果，主要應(yīng)分析水塔的冷卻水量與出水溫度。通過改善布水均勻性，如果冷卻水量不變，在相同條件下，出水溫度越低，真空越高，發(fā)電能力也就越高，說明提高了水塔的換熱效率。

凝汽器的特點(diǎn)凝汽器的主要作用是在汽輪機(jī)排汽室處建立并維持所需要的真空，使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹到較低的壓力，以提高蒸汽的可用焓降，將更多的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功。凝汽器的壓力在理想情況下應(yīng)為蒸汽的飽和壓力，由排汽溫度來決定。排汽溫度為［1］：tn=t1+At+8t （1）式中：tn一凝汽器進(jìn)口蒸汽溫度，°c；t1—冷卻水入口溫度，c；At一冷卻水在凝汽器中溫升，C；*一排汽溫度與冷卻水出口溫度差，稱為端差，c。從公式（1）可見，凝汽器的冷卻水入口溫度t1就是水塔的出水溫度，冷卻1.濕飽和蒸汽和冷卻水溫度變化示意圖水在凝汽器中的溫升At就是水塔的冷卻水溫差降。 t1.濕飽和蒸汽和冷卻水溫度變化示意圖1）冷卻水入口溫度t1：受水塔散熱情況影響，假設(shè)其它條件不變，如果水塔的出水溫度降低使凝汽器冷卻水入口溫度降低為.，排汽的溫度必然降低為tn1，因此在相同負(fù)荷和冷卻水量下，真空升高，機(jī)組熱效率提高（見圖1）⑵。2）溫升At：冷卻水在凝汽器中的溫升與冷卻水量有很大關(guān)系，冷卻水量增大，換熱加劇，溫升At下降，真空提高；如果溫升At增加說明冷卻水量不足，真空將下降。3）端差St：St增大，說明銅管表面不清潔而換熱系數(shù)減小，真空將下降。2.改善噴濺裝置布水均勻性來提高水塔換熱效率的分析通過改進(jìn)噴濺裝置，改善布水情況，可降低水塔的出水溫度t1或增加冷卻水量來降低水溫差降A(chǔ)t，提高水塔的換熱效率。1）水塔出水溫度t1的影響因素影響運(yùn)行中水塔出水溫度t1的因素有環(huán)境溫度與濕度、多塔作用的氣流場(chǎng)、配水情況和填料損壞情況等。由于電廠多采用塔群布置的運(yùn)行方式，每個(gè)塔的氣流場(chǎng)、填料與配水不同，水塔的出水溫度t1不可能都一樣。從上述分析可見，凝汽器的冷卻水入口溫度t1就是水塔的出水溫度，冷卻水在凝汽器中的溫升At就是水塔的冷卻水溫差降。惟獨(dú)有水塔的出水溫度t1決定冷卻水與空氣進(jìn)行熱交換的情況，而溫升At主要由凝汽器內(nèi)乏汽與冷卻水交換的熱量來決定。在固定大氣環(huán)境下，如果水塔的出水溫度t1不變，由于凝汽器的換熱條件變壞，溫升At增加，真空增大，乏汽放熱量增大，水塔出口空氣所帶走的熱量增大，水塔溫差A(yù)t也增大?？梢?，水塔的出水溫度t1受水塔的散熱情況影響，而水塔冷卻水溫差降A(chǔ)t受凝汽器換熱情況影響。冬季的大氣環(huán)境溫度很低，水塔的出水溫度也很低，真空下降很大，乏汽放熱量減少很多，一般靠減少冷卻水量來提高凝汽器溫升，實(shí)現(xiàn)新的熱平衡；夏季的大氣環(huán)境溫度很高，水塔的出水溫度也很高，真空下降很大，乏汽放熱量很大，一般靠增加冷卻水量來降低凝汽器溫升，實(shí)現(xiàn)新的熱平衡。在相同的大氣環(huán)境和水塔各種條件不變的情況下，如果噴濺裝置改進(jìn)后水塔出水溫度t1下降為t11（見圖1），就說明水塔的換熱效率提高了，改進(jìn)后的噴濺裝置與原來的噴濺裝置相比具有淋水均勻提高、噴濺范圍增大、水淋在填料上實(shí)現(xiàn)無死區(qū)、填料內(nèi)的水流厚度減薄、水體能不斷與空氣摻混交換等特點(diǎn)。2）影響水塔冷卻水溫差降左的因素影響水塔的冷卻水溫差降A(chǔ)t的主要因素是冷卻水流量。凝汽器的熱平衡方程［3］：D（i-i）=DtC（t2-t1）=DTCAt （2）pn L21 L式中 D—進(jìn)入凝汽器的蒸汽量；ip一排汽焓；in一凝結(jié)水焓；DL—進(jìn)入凝汽器的冷卻水量；C一凝汽器的換熱系數(shù)t2-t1一凝汽器出口與進(jìn)口水溫或水塔的進(jìn)水與出水溫度；At一凝汽器出口與進(jìn)口水溫差或水塔的進(jìn)水與出水溫差降。從公式（2）可見，在正常情況下，At變化與水量有直接關(guān)系。這是因?yàn)槟鞒隹谂c進(jìn)口水溫升決定水塔的進(jìn)水與出水水溫降，反之不成立。如果dl下降，其它條件不變，At增大。另外乏汽量D下降，真空不變，DlC不變，At也下降；各因素不變，如果At增大，必定導(dǎo)致真空升高；真空下降，tn下降，其它因素不變，At也下降。水塔的配水一般均按常規(guī)條件設(shè)計(jì)，運(yùn)行中有一定的節(jié)能潛力，在一定的布水壓頭范圍內(nèi)（對(duì)JNX噴濺裝置水位能保持在0.8m以上），降低噴濺裝置的水流動(dòng)阻力，可使水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)移動(dòng)，即壓頭下降，流量增大，溫升At降低。如果增大后的水量不能破壞水膜穩(wěn)定，不影響進(jìn)塔空氣量，出水溫度t1升高的量要低于溫降A(chǔ)t增加的量，必定提高真空，同時(shí)也減少了循環(huán)水泵的能耗。三、水塔的換熱特點(diǎn)［4］水塔的換熱關(guān)系在水塔中，攜帶凝汽器乏汽的熱水溫度高，流過水表面的空氣溫度低，水將熱量傳給空氣，由空氣帶走，散到大氣中去。水向空氣散熱有兩種形式：接觸散熱和蒸發(fā)散熱。熱平衡方程：dQ=a（t-0）dF+1.61。（1-X）p邳（t-0）dF （3）式中：dQa一水傳給空氣的熱量 P'Xa一接觸散熱系數(shù)t—水的表面溫度。一空氣的干球溫度dF—換熱面積6p一以含濕差為基準(zhǔn)的蒸發(fā)散熱系數(shù)X一以含濕差為基準(zhǔn)的計(jì)算數(shù)， X<1pa—大氣壓力隊(duì)一綜合散熱系數(shù)從公式（3）可見，水塔是對(duì)水所攜帶的熱量進(jìn)行散熱，如果散出的熱量不變，自然環(huán)境不變，0不變，dF不變，淋水效果變好能使綜合散熱系數(shù)隊(duì)增加，t-0下降，必定使出水溫度t】下降。為了研究綜合散熱系數(shù)隊(duì)的影熱響因素，首先要了解水氣交面熱阻。2.水氣交面熱阻在蒸發(fā)及接觸散熱中，水體表面首先散熱、降溫，水體內(nèi)部溫度高于水表面溫度，形成溫度差，使水體內(nèi)部的熱量，通過熱傳導(dǎo)不斷傳到水面，再通過蒸發(fā)

和接觸散熱到空氣中，這個(gè)熱傳導(dǎo)過程存在著水氣交面熱阻，熱阻越大傳熱越慢。水體內(nèi)部和表面溫差的大小，不但取決于導(dǎo)熱的快慢，還取決于水的流動(dòng)情況，即水層的厚薄及水流發(fā)生摻混的程度等因素，所以，為了提高冷卻效率，填料內(nèi)的水流厚度應(yīng)盡量薄、水體能不斷與空氣摻混交換，以減低水氣交面熱阻。水體是有限的，由于散熱使溫度降低；而空氣量是無限的，其入口參數(shù)不因蒸發(fā)或接觸散熱而變化。所以，如果水膜太厚或其它原因增加了空氣阻力，必定減少空氣量，使對(duì)水體的吸熱量減少，引起水塔出水溫度升高。3.比較JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置與XPH噴濺裝置的淋水特點(diǎn)噴濺裝置的水流特性主要包括泄流能力、噴濺范圍和淋水的均勻性。1).泄流能力泄流能力即泄流量，指單個(gè)噴頭單位時(shí)間所排泄的流量，用公式表示為(4)Q=uA(2gH(4)式中：Q 泄流量，m3/s；A——噴嘴出口處過流面積，m2；u 流量系數(shù);g 重力加速度，9.81m/s2；H——作用在噴嘴出口斷面的水頭，m。噴濺裝置的噴嘴長(zhǎng)度一般不超過出口管徑的3.5—4倍。采用噴嘴，能使管內(nèi)水流穩(wěn)定，系數(shù)u通過試驗(yàn)來確定。噴濺裝置的泄流能力由水塔原始設(shè)計(jì)來決JNXXPHJNX旋轉(zhuǎn)式m的情況下j-濺裝置的噴,嚇見圖2)。：射流原理i度H有關(guān)濺范圍是指水流濺散，內(nèi)水流穩(wěn)定，系數(shù)u通過試驗(yàn)來確定。噴濺裝置的泄流能力由水塔原始設(shè)計(jì)來決JNXXPHJNX旋轉(zhuǎn)式m的情況下j-濺裝置的噴,嚇見圖2)。：射流原理i度H有關(guān)濺范圍是指水流濺散，H型噴濺裝置的結(jié)加大，進(jìn)入：采用的是旋3置到填料的圓在圖2.XPH型噴濺裝置與JNX旋轉(zhuǎn)型噴濺裝置的噴濺范圍對(duì)比圖定，一般取8-12ms/hm2之間。2).噴濺范圍，噴濺范圍，由試驗(yàn)來確定。斷面逐漸減小，蹈3)?淋水的均勻性淋水的均勻性是指在噴濺范圍內(nèi)各點(diǎn)的淋水密度是否均勻，來衡量其均勻度： ■-=[E.n(X.-1)2/n]0.5 .'_式中：X產(chǎn)q./qp；用各點(diǎn)均方差。(5)用各點(diǎn)均方差。(5)%—第I個(gè)點(diǎn)的單位時(shí)間的接水量；qp—n個(gè)點(diǎn)的平均接水量。噴濺裝置的淋水特性好壞是通過試驗(yàn)與使用來綜合驗(yàn)證的。XPH型噴濺裝置是在水壓的作用下，水流以旋轉(zhuǎn)方式離開噴頭出口，在離心力的作用向四周灑開，淋水密度最大的部位是其形成圓錐體的相關(guān)線部位（接近淋水量的50%）［5］，而且落水強(qiáng)度（屬于直接強(qiáng)行噴注）很大，形成環(huán)狀大密度供水，越靠近中間，水的密度將越小，落水強(qiáng)度也越?。ㄒ妶D2.XPH），從而可見，XPH型噴濺裝置的噴濺均勻性相對(duì)差，主水區(qū)熱阻大，并且易于在中間形成空氣堵塞，影響換熱。JNX節(jié)能旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置是以灑水為目的來實(shí)現(xiàn)均勻性的（見圖2.JNX）。試驗(yàn)證明，JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置的淋水均勻性（。=0.2）約好于XPH型噴濺裝置（。=0.4）的2倍（見圖3）。實(shí)踐表明，表征多個(gè)噴濺裝置綜合作用的淋水均勻性系數(shù)。一般取0.2—0.35之間為最好。圖3.XPH型噴濺裝置與JNX旋轉(zhuǎn)型噴濺裝置的淋水均勻性對(duì)比圖4） JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置的淋水特點(diǎn)如下：通過試驗(yàn)，JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置所具備的淋水特點(diǎn)如下：濺水特性一：旋轉(zhuǎn)的濺水碟在水動(dòng)力的作用下，使射出的分散而大小不等的水滴，均勻地播散到噴濺裝置下部的填料上。特點(diǎn)：淋水范圍較大。由于旋轉(zhuǎn)濺水碟的勻速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大小而又不等的無規(guī)則水滴，均勻地?zé)o固定軌跡的淋撒在填料上，實(shí)現(xiàn)水與空氣的均勻接觸。特點(diǎn)：淋水密度均勻，交面熱阻小，不存在水流下落的固定無水狹縫。在夏季冷卻水量大、水頭高，噴濺范圍將會(huì)增大，淋水均勻性將會(huì)提高，多個(gè)噴頭的交叉作用的效果將會(huì)更好，使淋水填料的換熱面積得到最有效的利用，出水溫度相對(duì)降低。在冬季冷卻水量減少，水頭也將會(huì)降低（大于0.5m），如果濺水碟上部噴嘴不出現(xiàn)抽空現(xiàn)象，水靠自由下落將會(huì)在導(dǎo)水錐體上產(chǎn)生約1m/s以上的沖擊速度，推動(dòng)濺水碟旋轉(zhuǎn)，水流將繼續(xù)被噴濺出去，灑水效果將不會(huì)惡化，在最差的情況下，濺水碟不轉(zhuǎn)，水流將會(huì)通過①120mm的濺水碟將水灑向四周，其噴濺范圍與均勻性也好于傳統(tǒng)的噴濺裝置。濺水特性二：導(dǎo)水錐體是固定不動(dòng)的，濺水碟在水動(dòng)力作用下是旋轉(zhuǎn)的，二者之間有一定的間隙，水流通過此間隙落到旋轉(zhuǎn)的濺水碟的支撐筋上而撕裂水流，從而實(shí)現(xiàn)無中空現(xiàn)象。濺水特性三：在特殊情況下（如異物卡死）造成濺水碟不旋轉(zhuǎn)，由于濺水碟上面有多個(gè)很薄的齒片，也會(huì)將高速水撕碎而噴向四周，動(dòng)靜間的狹縫也會(huì)消除中空，其水流特性也等同于其它噴濺裝置，這在試驗(yàn)中也得到了對(duì)比觀察試驗(yàn)的結(jié)果。可見，在同等條件下，JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置的淋水特點(diǎn)要比XPH型噴濺裝置的淋水特點(diǎn)局部水膜薄，水氣交面熱阻小，綜合散熱系數(shù)B大，所以，水x塔的出水溫度相對(duì)會(huì)降低。影響填料散熱系數(shù)&的因素填料的散熱系數(shù)隊(duì)一般表示為：Px=Bqmgn（t22/t2）-P （6）式中：6x一散熱系數(shù)B、m、n、p—為試驗(yàn)常數(shù)q—淋水密度g一空氣的重量風(fēng)速文獻(xiàn)介紹［4］：散熱系數(shù)隊(duì)在特定的填料形式、體積、水溫和氣候條件條件下，大氣濕球溫度變化影響很小，可忽略不計(jì)。散熱系數(shù)隊(duì)主要取決于淋水密度q、空氣的重量風(fēng)速g和進(jìn)水溫度t2有關(guān)，q合理增大，g合理增大，散熱系數(shù)隊(duì)增大，可使出水溫度降低。如果水塔的進(jìn)水溫度t2升高為t22,且（t22/t2）與-P屬于負(fù)指數(shù)關(guān)系，散熱系數(shù)隊(duì)要變小，冷卻溫差降增大，如果水塔的出水溫度不變，凝汽器內(nèi)換熱量必增大，使溫差繼續(xù)增大，導(dǎo)致水塔出水溫度略有提高（由于隊(duì)變小，使t11-t1小于t22-t2），直到新的熱平衡，此時(shí)，雖然空氣的入口溫度不變，空氣的出塔溫度提高，帶走的熱量增大。水塔出水溫度t1與水溫降^t的關(guān)系根據(jù)上述分析，由于凝汽器的換熱條件惡化，冷卻水量不變，真空降低，乏汽換熱量增大，溫升At增大。如果水塔內(nèi)換熱條件不變，根據(jù)公式（6）推算可見，散熱系數(shù)隊(duì)變小的影響量要低于乏汽換熱量增大的影響量，冷卻水溫降也同步增大，水塔的出水溫度t1略有升高；另外，由于水體的在水塔內(nèi)自由落程固定，冷卻時(shí)間固定，過高的進(jìn)水溫度，可能引起水體的冷卻時(shí)間不夠而提高了出水溫度。這些情況的影響結(jié)果有待于以后通過試驗(yàn)來確定。噴濺裝置改進(jìn)后提高換熱效率的評(píng)定方法通過上述論證，在相同條件下測(cè)定水塔的出水溫度，如果改造后出水溫度降低了，說明充分利用進(jìn)塔空氣的吸熱能力，提高了換熱效率。方法一：試驗(yàn)法，以錦州電廠3500m2水泥網(wǎng)格填料槽式配水的#1塔為例，在一個(gè)冷卻塔上做試驗(yàn)，一半用原噴濺裝置，一半用JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置，在同樣工況、同樣進(jìn)水溫度、同樣冷卻水量、同樣氣象條件的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得使用JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置側(cè)出水溫度比另一側(cè)降低0.8°C。方法二：統(tǒng)計(jì)觀察對(duì)比法，以石嘴山電廠4500m2塑料填料管式配水的#2塔為例［7］在#2塔上安裝JNX旋轉(zhuǎn)式噴濺裝置，觀察安裝前后相近冷卻水流量、相同大氣溫度下的出水溫度。如果大氣溫度變化很大或冷卻水量變化，可進(jìn)行綜合分析，分析另一個(gè)安裝原噴濺裝置的水塔（#1塔）與本水塔進(jìn)行改造前后綜合比較，確定在相同大氣溫度下比較水塔的出水溫度（粗略對(duì)比）。通過改造前一周與改造后一周的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，#2機(jī)組小修改造后水塔出水溫度平均為17C與修前相比降低了。由于氣候的變化和運(yùn)行方式的改變，#2機(jī)與相同條件下其它三臺(tái)機(jī)組小修前后同期相近負(fù)荷相比較：比#1機(jī)組降低了0.98C，比#3機(jī)組降低了2.31C，比#4機(jī)組降低了0.99C?？梢?2機(jī)組水塔在相同工況下與#1機(jī)組相比較相當(dāng)于降低循環(huán)水溫度0.98C以上。同時(shí)進(jìn)行真空情況比較，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，#2機(jī)組小修后真空平均值為83.027kpa與修前相比真空提高了。由于氣候的變化和運(yùn)行方式的改變，#2機(jī)與相同的條件下其它三臺(tái)機(jī)組小修前后同期相近負(fù)荷相比：比#1機(jī)組提高了0.897kpa，比#3機(jī)組提高了1.016kpa,比#4機(jī)組提高了1.258kpa?？梢?2機(jī)組在相同工況下相當(dāng)于提高機(jī)組真空0.897kpa以上。五、結(jié)論影響水塔出水溫度的因素很多，如何正確評(píng)價(jià)改善布水均勻性后的效果很難，最好的方法是試驗(yàn)法。水塔依靠空氣散掉冷卻水的固定熱量，而冷卻水所攜帶的熱量來源于凝汽器內(nèi)乏汽所需要的換熱量，以保證最佳真空。通過動(dòng)態(tài)變化最后在一定的條件下實(shí)現(xiàn)平衡。凝汽器的運(yùn)行