0 引言

　　随着全球能源形势的日益严峻，节能已成为各国能源政策的一大主题。对于已投运的火力发电厂来说，在保证机组安全稳定运行的基础上，如何做到节能减排、提高机组运行经济性是火电厂最重要的工作。

　　目前，国内火电机组的节能改造工作主要集中在机、炉本体改造，转机变频改造，疏水系统优化等几方面，很少有从机组冷端系统方面着手研究的。但在实际生产运行中，凝汽器真空度的高低直接关系到机组运行经济性，如何挖掘冷端系统各设备的最佳性能，并在投资最小的前提下获取最有利的运行真空是火电机组运行中的一个急迫问题。

　　1 概述

　　从国内的实际生产情况来看，自然通风逆流式冷却塔普遍依据“单区、一维、均风”模型设计，即冷却塔进风与填料断面垂直(由下向上正吹)，且沿半径方向处处风速、风温相等(换热能力相同)。在这种模型设计下，要求填料等高布置，淋水密度(单位面积配水量)相等;但实际工作情况与此模型存在较大差异，使得真实冷却塔内进风与布水之间并没有真正做到数量与换热能力相匹配。经国内权威机构研究表明，由于真实条件下冷却塔“风-水”不匹配问题导致冷却塔出水温度相对于理论值仍有近4℃的优化空间。国内外对冷却塔进行优化的技术主要有两类：传统技术改造和强化换热技术改造。本文就冷却塔风水匹配强化换热这一技术进行详述。

　　1.1 传统技术改造

　　传统技术改造的技术原理是依据冷却塔的“一维均风”模型,该模型下冷却塔的最佳换热状态被认为是均匀配水的状态，即填料断面各处的淋水密度基本相同，为配合换热，填料也被布置为统一高度;如果淋水装置或填料损坏，肯定会影响到冷却塔的换热能力，使其热效率低于100%。所以传统技术改造的目标是使冷却塔恢复至设计换热能力值。

　　其采用的技术手段是利用机组大修，更换已损坏的填料及喷淋装置的方法，使得冷却塔的换热能力恢复到设计状态。

　　1.2 强化换热技术改造

　　强化换热技术是指能使冷却塔换热能力超过其设计水平的优化技术。冷却塔强制换热技术主要又分为两种流派：针对冷却塔周围的侧风影响，在冷却塔进风口周围加装空气动力涡流装置的“人造龙卷风技术”(国内引入后改进为均匀进风技术，以山东大学的研究为代表)和强调冷却塔充分换热本质，以追求进风与布水最佳匹配性的“风水匹配强化换热技术”。

　　1.2.1 人造龙卷风技术(或均匀进风技术)

　　人造龙卷风技术最初由白俄罗斯国家科学院开发，其基本原理是：利用在冷却塔进风口处加装一个环形具有一定螺旋角的导风墙阵列(见图1)，使冷却塔在侧风条件下的工作条件得以改善(环境风速大于3m/s时)，使原先有害的侧风(会产生“穿堂风”效应从而降低冷却塔换热效率)经导风墙阵列的“文丘里”效应作用，而在塔内产生一个使进风形成螺旋运动的所谓“人造龙卷风”(结果使进风在各方向都趋于均匀)，最终使冷却塔进风“增量、均匀”，从而使得换热能力加强。该改造技术目标是提升冷却塔的换热效率约10%，降低出塔水温0.5～1℃。

　　图 1 均匀进风技术图例

　　人造龙卷风技术引入国内后改进为均匀进风技术，其理论依据是侧风对冷却塔吸入空气的能力存在较大影响。

　　根据山东大学冷却塔研究中心的数据表明，在冷却塔周围存在侧风的情况下，在0～3m/s左右风速时，冷却塔吸入空气的能力下降很快;在3m/s左右风速时，吸入空气量几乎降为理想风速(0m/s)情况下的一半;在3m/s以上时，空气吸入量降低已不大，承略微降低趋势。

　　依此研究结论，通过在冷却塔底部安装翼型导风板和导风管方法，在有侧风的情况下，依靠流体型的导风板减少进入冷却塔空气的阻力，来间接增加风量，并对空气流向产生一定均匀效应;同时，在有侧风情况下，向外张开的导风板还变相的增加了少量进风口面积，也存在一定的效果。

　　1.2.2 风水匹配强化换热技术

　　风水匹配强化换热技术是指采用CFD(计算流体动力学)技术对冷却塔进风在塔内的分布(速度场、温度场及含湿量场等)进行全三维精确计算，根据进风的分布情况重新设计配水系统，使塔内各处的布水与进风做到最佳匹配的技术。该技术的目标是在设计换热能力(100%)的基础上，使冷却塔换热能力值达到110%～120%，使出塔水温降低达到1～2℃。

　　1.2.2.1 改造方法

　　(1)采用Fulent平台，运用CFD(计算流体动力学)方法对冷却塔进行三维传热数值计算，得到塔内湿空气与循环水的速度场、温度场、压力场、湿度场(见下图2)。

　　(2)在充分确认实际冷却塔内吸热侧湿空气和放热侧循环水物理场分布的基础上，重新设计冷却塔配水系统和填料布置方式，找到循环水出塔水温最优值状态对应的配水与填料布置方案。

　　(3)按重新设计的冷却塔改造方案，采用分区布水，更换全部喷淋装置(无中空防水幕喷淋装置，各区域口径不同)，同时对塔内淋水填料按方案要求进行分区不等高布置。

　　(4)进行塔内分区配水调试，修正布水情况和调整填料高度，以达到最佳匹配。

　　1.2.2.2 技术特点

　　(1)因风水匹配状态更佳，能更充分利用原进塔空气的换热能力。

　　(2)出塔空气的吸热量上升，使得出塔空气密度减小，从而加大了冷却塔内外空气密度差，最终使得冷却塔的进塔空气量有一定量增大，提高换热能力。

　　2 两类技术对比情况

　　关于上述两类冷却塔的优化改造技术，在国内小型机组的冷却塔上已有初步研究和试验，其实际情况如下表。

　　调查情况表 风水匹配改造 均匀进风改造

　　项目 云南某电厂 山东某电厂

　　机组容量(MW) 300 135

　　塔高(m) 100.2 90

　　进风口高(m) 7.824 5.6

　　集水池直径(m) 81.926 /

　　喉部内直径(m) 42.38 39.5

　　塔顶出口直径(m) 44.504 43

　　当地平均气压(KPa) 81.05 100.8

　　平均风速(m/s) / 2.6

　　干球温度(℃) 26.2(夏季) 13.4(年平均)

　　湿球温度(℃) 22.2(夏季) /

　　相对湿度(%) / 68

　　进塔水流量(t/h) 35280 /

　　设计进塔水温(℃) 42 /

　　设计出塔水温(℃) 32 /

　　换热面积(m²) 4000 3500

　　结构形式 自然通风逆流式 自然通风逆流式

　　填料形式 S型梯波PVC填料，等高布置，厚1.25米;运行后存在一定盲区、水柱和结垢 陶瓷填料，等高布置

　　喷嘴形式 普通多层流型，26～29，共3824个 普通型

　　循环水质状况 微生物较多，硬度偏高 一般，杂质较多

　　改造年份 2009.11 2010.06

　　改造方式 喷嘴全换、填料换新且总量增加 安装翼型导风墙和导风管

　　改造后喷嘴 TP-II型，全部更换 型式未变化，损坏喷嘴更换

　　改造后填料 S波型，双层布置，由5000m³增加至5900 m³ 未变化，陶瓷式，损坏填料更换

　　配水形式 26、27、28、29的喷嘴，管式配水，按五区布水 未变化，配水渠式

　　其他改造 无 圆周方向布置72块导风板，对称布置8根导风管

　　实际效果 同期同状态比较约降低2℃左右 同期同状态比较约降低1℃左右

　　塔效试验情况 塔效由96%增至123% 未进行试验

　　表 1 风水匹配与均匀进风技术的应用情况对比

　　从上表可以看出，应用两种技术改造后出塔水温均出现了不同程度的降低，而采用风水匹配强化换热技术的一方优于采用均匀进风技术的一方。究其原因，均匀进风技术在存在侧风情况下时，是能起到提升塔效的作用的，但考虑到实际环境中还存在无风或低风速情况，其能起到作用的时间有限;而风水匹配的方案却能一直产生一定的效果，所以均匀进风技术的实际效果一般低于风水匹配技术方案。

　　3 大别山电厂冷却塔情况

　　3.1 设备概况

　　黄冈大别山发电有限责任公司两台超临界600MW级汽轮机采用北京北重汽轮电机有限责任公司生产的引进型机组，型式为一次中间再热、单轴、四缸四排汽、反动式凝汽汽轮机，型号DKY4-4N41B。机组采用模块化设计，汽轮机包括1个反向单流的高压模块，1个分流的中压模块，2个分流的低压模块。机组额定工况主蒸汽流量1691t/h，额定背压4.9KPa，采用对分双流程表面式凝汽器，开、闭式循环水系统;每台机组配置2台凝汽器，每台冷却面积36000m²，总冷却水流量热季60584m³/h，冷季40525m³/h;采用带自然通风冷却塔的扩大单元制供水系统，每台机组配置2台循环水泵、一座淋水面积为9000m²的冷却塔，冷却塔采用管式压力配水系统。

　　3.2 冷却塔数据

　　3.2.1 冷却塔尺寸

　　淋水面积 9000m2

　　贮水池水面标高 -0.3m

　　进风口高 10.0m

　　塔筒进风口中心半径 54.767m

　　填料搁置梁顶标高 10.9m

　　填料搁置梁顶塔筒中面半径 54.468m

　　配水管中心标高 13.2m

　　喷头出口标高 12.9m

　　喉部标高 119.843m

　　喉部半径 32.88m

　　塔筒顶部标高 150.0m

　　顶部中面半径 34.99m

　　表 2 冷却塔尺寸

　　3.2.2 配水管与喷头布置

　　配水管采用PVC塑料管，设计压力不小于0.60MPa，管中心距为2.0米，中心线标高13.20米。配水管外径为Ф400、Ф355、Ф315和Ф250四种。喷头采用TP-II喷头，安装于配水管下两侧，间距为1.0米，各距管中心0.50米。喷头布置分为四个区,出口直径为36mm和38mm两种。

　　除水器为PVC塑料挤塑成型，采用除水效率较高的弧形除水器,除水器组装块长2.0m,弧片高度160mm，片间距45mm，搁置在钢筋混凝土制做的除水器梁上。

　　3.2.3 淋水填料及其布置

　　冷却塔淋水填料采用S波PVC塑料淋水填料，组装片尺寸1000x500x0.4mm，淋水填料采用等高布置方式，填料安装高度为1m，填料采用玻璃钢托架支撑。

　　4 对目标冷却塔的三维数值模拟分析

　　按照原塔设计结构参数，对自然通风冷却塔进行三维建模，三维建模并完全用结构化网格构建，填料层进行加密处理，壁面采用边界层加密，下图2给出了三维建模及网格示意图。

　　图 2 自然通风塔三维模型及网格示意图

　　其中对填料区从中心到塔壁细分为A、B(等分B1/B2/B3/B4)、C(等分C1/C2)和D(等分D1/D2)四个大区域(九块小区域)，如下图3所示，各区域的面积等具体数据在后续分析中。

　　图3 自然通风冷却塔填料层细分区域示意图

　　以冷却塔的工艺数值为输入值，在计算机数值模拟计算软件中，计算冷却塔内的质量、能量和动量平衡方程，分析塔内流场具体分布情况。首先，对比填料和喷淋(均布、低压降)情况下、非均匀填料和布水(非均布、高压降)情况下的流场对比。下面几组云图对比，没给出色标，仅仅用于趋势分析，量化数据在后续分析中给出。

　　填料和喷淋(均布、低压降)与非均匀填料和布水(非均布、高压降)

　　图 4自然通风冷却塔纵剖面压力分布示意图

　　从压力分布图可以看出，当压力降较低时，即填料层薄、喷淋密度低，入塔风分布极其不均匀，整个冷却塔的压力降基本集中在填料区和雨区。

　　填料和喷淋(均布、低压降)与非均匀填料和布水(非均布、高压降)

　　图 5 自然通风冷却塔纵剖面速度分布示意图

　　速度分布图可以看出，随着压力降的增大，填料层内速度分布逐渐均匀化。由于淋水区的阻力作用，填料层下部塔中心很难有空气进入，这个区域也是竖井的位置，该区域基本不发生传质交换。

　　填料和喷淋(均布、低压降)与非均匀填料和布水(非均布、高压降)

　　图6 自然通风冷却塔填料层(中)速度分布示意图

　　在填料层的速度分布类似一个凹形火山，从图6中可以明显看出随着非均匀化布置之后压力降的增大“火山”高趋于平缓。

　　图7 自然通风冷却塔填料层(中线)速度随径向的分布示意图

　　取填料标高中心轴线的速度并经过处理后，绘制下图7，可以明显看到速度的马鞍形逐渐变化分布的趋势。

　　为了更准确的获得各个分区的风量及填料面积的权重(喷淋密度)等数据，进行数值模拟计算后情况如下表。

　　自然通风冷却塔数值模拟 填料和喷淋 非均匀填料和布水

　　(均布、低压降) (非均布、高压降)

　　区域 面积率% 流量分配% 流量/面积权重 流量分配% 流量/面积权重

　　A 2.18 -0.02 -0.01057 -0.03 -0.015

　　B 9.96 0.16 0.01606 0.16 0.01606

　　C 36.48 0.65 0.01782 0.50 0.01371

　　D 51.38 0.18 0.00350 0.32 0.00623

　　B1 2.49 0.04 0.01437 0.04 0.01488

　　B2 2.49 0.04 0.01437 0.04 0.01487

　　B3 2.49 0.04 0.01436 0.04 0.01488

　　B4 2.49 0.04 0.01421 0.04 0.01489

　　C1 18.24 0.33 0.01794 0.25 0.01375

　　C2 18.24 0.32 0.0178 0.25 0.01374

　　D1 25.69 0.09 0.00361 0.16 0.00618

　　D2 25.69 0.09 0.00348 0.16 0.00618

　　表 3 自然通风冷却塔数值模拟计算值

　　可以看出由于填料层和喷淋、雨区的阻力作用，对各个区域的风量重新布置优化，每个区域内部基本是沿径向对称的。A区的下部是竖井，且居于塔中心，风流向和其他区域相反，带来传质传热的负作用，但量值很小。B区和C区承担最多的传质传热任务，但是权重不同，喷淋密度必须分区不同对待。D区是靠近塔壁的区域，面积最大，填料体积最多，但是权重偏低，需要区别对待，设置不同的喷淋密度和喷嘴方案。

　　图8 自然通风冷却塔填料层优化风水配比效果图

　　通过合理的分区配置最佳风水配比，最终达到整个冷却塔填料层的工作均匀最优。下图给出了自然通风冷却塔中，对比了优化前后的风水配比情况。可见优化后，风水配比趋于均匀，整个塔内均匀一致性好，使得冷却效果提升。

　　5 大别山风水匹配改造方案

　　根据冷却塔实际情况及上述三维建模分析研究结果，最终确定大别山电厂冷却塔风水匹配方案如下表。

　　半径 0~9m 9~24m 24~34m 34~40m 40~46m 46~51m 51~53.8m

　　区域 1区 2区 3区 4区 5区 6区 7区

　　高度 0.5m 1.25m 1.5m 1.25m 1.5m 1.25m 1m

　　层数 1层 2层 3层 2层 3层 2层 2层

　　喷嘴形式 旋转式 旋转式 无旋转 旋转式 无旋转 无旋转 无旋转

　　表 4 大别山冷却塔风水匹配实施方案

　　该方案中，填料根据需求，共分七个区域和三个层次布置，填料由原来的9000M3增加到约11000 M3;喷水装置重新设计，采用新型GX型旋转喷头(见下图9)和TP-Ⅱ型无旋转喷头共6种规格;从旧填料的拆除到新填料的粘接、上塔安装，以及喷嘴的全部拆除和更换，工程历时25天。

　　图9 GX型旋转喷头

　　6 改造后塔效情况

　　改造后公司邀请西安热工研究院对目标冷却塔进行了塔效试验，经试验冷却能力值为117.9%;在夏季频率10%气象条件下，计算出塔水温为32.05℃，比设计出塔水温32.8℃低0.75℃。此后，公司将改造方案提供给西安热工院后(因为机密的原因，之前未提供)，西安院进行了相应的补充说明，修正后得到改造后出塔水温为31.64℃，较设计出塔水温32.8℃低1.16℃。

　　根据大别山汽轮机性能考核试验报告和制造厂的修正曲线，得到排汽压力每变化1KPa，影响供电煤耗率为2.33g/KWh。按饱和温度和饱和压力对应曲线，设计排汽压力(4.9KPa)附近区间的饱和温度每变化1℃时，饱和压力变化0.32KPa。而依据循环水量不变，凝汽器端差不变(仅适用于变化量较少时)等原则，相当于说明在设计循环水温度附近，冷却塔出口水温度每变化1℃时，排汽压力变化0.32 KPa，则供电煤耗变化量为(1.16×0.32×2.33)=0.865g/KWh。

　　按600MW机组年平均利用小时数5000小时计算，则年发电量为30亿千瓦时;而冷却塔优化改造后对煤耗影响系数按0.75计算(根据西安热工院冷却塔研究人员意见，在冷季冷却塔对机组煤耗影响已较低，系数为0.75更为准确)，则可年节约标煤T= 0.865×30×108×10-6×0.75 =1946.25吨。

　　按公司标煤平均采购价格550元/吨计算，则M= 1946.25×550 =107万元

　　即，年可节约资金107万元。

　　本项目实际投资441万元(三维建模、优化方案设计和施工费用等417万元，塔效试验等费用24万元)，那么预计收回成本需用N=(441÷107)=4.12年。

　　图 11 西安热工院报告

　　7 结论

　　7.1 本文详细阐述了运用CFD技术对9000m²左右的自然通风逆流湿式冷却塔进行全三维数值计算后的风水匹配强化换热技术，其结果表明冷却塔冷却能力值有了明显提升，证明了风水匹配强化换热技术在大型冷却塔上的有效性。

　　7.2 目标冷却塔在优化改造后凝汽器入口水温大幅降低，发电煤耗降低，经济效益明显。

　　7.3 风水匹配强化换热技术对于挖掘冷端系统设备潜能具有很强的指导作用，代表了今后冷却塔的设计、施工和改造的方向，对火电厂节能降耗具有良好的现实意义，值得借鉴推广。