（热能工程专业论文）侧风环境下自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统研究.pdf

摘要 摘要 自然通风逆流湿式冷却塔是电站冷端系统的重要设备，其冷却效率的高低 影响凝汽器内的真空，进而影响整个热力系统的循环热效率。冷却塔配水的好 坏与冷却效率的高低密切相关，因此研究侧风环境中冷却塔的配水方式并对其 进行优化，具有十分重要的工程意义。 本文总结了冷却塔尤其是配水系统的发展过程，介绍了国内外关于配水的 研究现状，然后从配水系统的作用、型式、实际运行中存在的问题及原因对冷 却塔的配水系统进行了全面阐述。虹吸式配水方式由于只采用一个中央竖井， 解决了多竖井配水不均的问题，并且能够实现分区配水，使得冷却塔的运行更 加经济，近年来在不少冷却塔中得到应用。 在冷却塔的热力计算中，不少方法都假定出塔空气处于饱和状态。因为出 塔空气可能达到过饱和状态，所以这些方法对分析冷却塔内的传热传质是片面 的。本文引入了能准确求解出塔空气状态的p o p p e 方法，分别针对出塔空气未 饱和或饱和、出塔空气过饱和建立了控制方程。作者通过编写m a t l a b 程序完成 了对该模型的求解，从而为冷却塔传热传质参数的计算奠定了基础。冷却塔内 气水之间的总换热量包括接触换热量和蒸发换热量，蒸发换热是气水换热的主 要方式。 试验研究是科学研究的重要方法之一，本文主要依靠热态试验研究冷却塔 的配水系统，介绍了试验步骤、测量参数及所用仪表。模型试验应满足几何相 似、动力相似、气流流动相似的原则，根据动力相似的原则可以确定热态试验 中风速应为实际风速的l l o ，试验中设定的侧风风速为0 、0 2 、o 4 、o 6 、0 8 州s ， 用于模拟大气环境中常出现的一级到五级风。 在冷却塔的运行中会出现喷溅装置堵塞或损坏从而造成相应的区域出现局 部配水障碍，通过试验对其如何影响冷却塔的冷却性能进行了研究。研究发现， 随着局部配水障碍面积的增大，冷却性能逐渐降低，本文给出了若干工况下冷 却塔的传热量、蒸发水量随局部配水障碍面积的变化曲线，从而对冷却性能受 影响的程度有一个量的认识。 本文在对空气动力场分析的基础上，分析了配水方向对冷却塔冷却性能的 山东大学硕士学位论文 影响，并且考虑环境侧风的影响，提出了配水方向由外向内的一个方案，即环 形中空管式配水，介绍了它的特点。通过热态试验与全塔均匀配水在不同侧风 影响下的冷却性能对比，表明配水方向由外向内能使得配水更好的和空气动力 场相协调，冷却塔的冷却效率提高。 关键词：冷却塔；配水系统；侧风；热态试验；优化 i i a b s t r a c t a b s t r a c t n a “i r a ld r a rc o u n t e 卜n o ww e tc o o l i n gt o w e r 科d w c t ) i st h em a i ne q u i p m e n t o fm ec o l de 1 1 ds y s t e mi np o w e r p l a n t s i t sc o o l i n ge 施c i e n c yi n n u e n c e st h ev a c u u m o fc o n d e n s e r f u n h 锄o r e ，i ta l s oh a se 毹c t so nt h ec y c l et h e 肌a le 伍c i e n c yo ft h e t h e 加a jp o w e rs y s t e m b e c a u s em ee 毹c to fw a t e rd i s t r i b u t i o nh a s s o m e t h i n gt 0d o w i mt l l ec o o l i n ge 伍c i e i l c y ，i ti so fg r e a ti m p o n a n te n 百n e e r i n gi m p l i c a t i o nt os t u d y o nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o nm o d ea n dm a k eo p t i m i z a t i o nu n d e rc r o s sw i n d n d i t i o n s t k sp a p e rs u 衄a r i z e st l l ed e v e l o p m 饥tp r o c e s so ft h en d w c ta sw e l la si t s d i s t r i b u t i o ns y s t 锄e s p e c i a l l y i ti n 仃o d u c e st l l ep r e s e n tc o n d i t i o no fd o m e s t i c 锄d i 1 1 t e m a t i o n a lr e s e a u r c h t h e nt h e 如n c t i o na n dp a t t e n lo fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e i l la r e i n t r o d u c e d i tp o i n t so u tt l l ec u r r e l l tp r o b l e m sa n di t sc a u s ei nt 1 1 e 锄百n e 甜n g p r a 嘶c e r e c e i l t l y s u c t i o nt y p es h a rw a t e rd i s t r i b u t i o nm o d ei s u s e di nm a l l y c o o l i n gt o w e r s ，w m c h0 1 1 l yh a v eo n ev e r t i c a lw e l lf o re a c ho n e c o m p a r c dw i mt 1 1 e c o o l i n gt o w e r w 1 1 i c hh a ss e v e m lv e n i c a lw e l l s ，w a t e rd i s t r i b u t i o ni sm o r eu n i f o r m i t c a nd i v i d em ew a t e rd i s t r i b u t i o nz o n ea i l dm a k et h eo p e r a t i o no fc o o l i n gt o w e r s m o r ee c o n o m i c 1 1 1 廿l et l l e n i l a lp o w e rc a l c u l a t i o no fc o o l i n gt o w m a l l ym e t h o d sa s s u m em a t 廿1 eo u t l e ta i ri ss a m r a t e d i ti su n i l a t e m lt oa n a l y s et l l eh e a ta n dm a s st r a n s f 旨i nt 1 1 e c o o l i n gt o w e rb e c a u s et h eo u t l e ta i rm a yr e a c ht ot h es u p e r s a t u r a t e ds t a t u s i no r d e r t oa s c e n a i nm eo u t l e ta i rs t a t u se x a c t ly ，t l l ep o p p em e t h o di sc i t e di nt h i sp a p w 1 1 i c hs e t s u pm e9 0 v “n ge q u a t i o n s f o ru i l s 删e do rs a t u r a t e d觚d s u p e r s 砷盯a l t e da i rr e s p e c t i v e l y am a t l a bp r 0 伊a mh a sb e e i l 、柑t t e i lb ym ea u t l l o rt o s o l v et l l em o d e l 锄di ti sg o o df o rm ec a l c u l a t i o no fm e p a r a m e t e r sc o n c 锄i n ga _ b o u t t h eh e a ta i l dm a s st r a n s f 打i nc o o l i n gt o w e r s t h et o t a lh e a t 仃a j l s f 醯b e t w e e nw a t e r a n da i ri n c l u d e st h ec o n v e c t i v ea l l dt h ee v a p o r a t i v eh e a tt r a i l s 衙a i l dm el a t t e ri sm e m a i nm o d e e x p 甜m e n t a ls t l l d yi so n eo ft h ei m p o r t a n tw a y o fs c i e l l t i f i cr e s e a r c h t h i sp a p e r m a i n l yd 印e n d so nt h et h e r m a ls t a t u se x p e r i m e n tt os t u d ym ew a t e rd i s t 订b u t i o n s y s t 锄o fn d w c t ni n t r o d u c e s t h ee x p 谢m e n t a lp r o c e d u r ea n dm e a s u r 锄e 1 1 t 山东大学硕士学位论文 p 聪吼酏湘、析m 鹏s l ，0 n d i n g 妇饥珊t s e s p e c i a l l 弘m es i m u l a t i 彻麟p e ：血锄t s h o u l ds a t i s 锣i ep 血c i p l eo f9 0 0 m e 时s i m i l a r i 坝d y n 锄i c a la n da i rn o w 姐a l o g i l e a c c o r d i i l gt 0t l l ed y n 锄i c a l 删o g u e ，t i 忙v e l o c i t ) ri i l l ee ) 【p e d m e n ts h o u l d c o r 他s p o n dt 01o o f 1 ea c 删词u e t h ec r o s sw i l l dv e l o c i 够i ss 武r 锱p c 炳v d yt 0 b e0 ，0 2 ，o 4 ，o 6a n d0 8 i i l s ，w h i c hi sl l s e dt os i i n u l a t e l ew i i l d 舶mb 趾d1t 0 b a n d5i nt l l e 锄o s p h e r e 【m et 0t t l eb l o c k a g eo rd 锄a g eo f l es p r a ye q u i p m 伽呜l o c a la i l o m a l i 骼o fw 栅 d i s t r i b u t i o na p p e 盯血n l ec o n 髑p o n d i n gz 叩ed 谢n gn 圮o p e 蒯0 np r o c 豁so f c o o l i r 培t o w 既e x p e r i m e n t a l 咖d yh 鹤b e e nc a 而e do u tt 0l 昀mt 1 0 wt 0 i i l n u i 啪c cm e c o o l i n gp 晌皿姐c e t h er e 跳l tmt l l ef o mo fp h o t 0 孕翟p 恼蛆1 0 w sm a t 、i 廿lt l l e i i l a e 鹪i 1 1 9a r e ao fl o c a j 孤1 0 m a l i e s ，t l l ec o o l i n gp e r f 0 m a n c ed e c 舶朗围嚣粤1 山a l l 弘 t h e r e f o r c ，m ei n n u c eo fl o c a l 啪m a l i 懿0 nt h ec 0 0 l i n gp e r f 0 衄趾c 趾b e l e 锄e dd e 印1 yo nm el c v e lo fq u 枷劬 h l n m c eo fw a t e rd i s 臼 b u t i o nd i r e c d o no nt l l ec o o l i i l gt o w 盯p c r f b m a n c ei s 锄a l y z c d0 n 廿1 eb 撕so f 觚a l y s i so fa i rd y i l 锄i c a l6 e l d c o l l s i d 喇n ga b o u tn 地 i n n u e n c eo f l ec r o s sw i i l d ，o n ep r o j e c tw h o s ew a t 盯d i s t r i b u t i o nd i r e c t i o ni sf 吣m e x t 耐0 rt 0i n t 甜0 ri sp r o p o s e d ，i e t l l ec i r c i u l 盯p i p i l l gd i s 仃i b 嘶o nm o d e 、i t l l o u t w a t 盱i nt l l ece i ：l 仃a 1z 0 咀e a l s o ，i t sc ：h a r a c t e r i s t i c sa i i l 舡d d l l c e di nm i sp a p e l c 咖p a 同t 0m cu n i f o mw a t e rd i s 劬u t i o n 谢t l lm ea i do fm c 彻a l 咖t i l s e x p c 血n e i i t t l l er e 刚th 嬲s h o w i lt l l a tw a t e rd i s t r i b 而o nc 锄h 锄0 n 讫e 诵t ht l l ea i r d y n 缸i l i c a lf i e l da l lt l l eb e t t 盯w l l i l et l l ew a t e rn o wd i r e c t i o ni s 五暇me x t e r i o rt 0 n 甜0 r n m sm ec o o l 访ge 伍c i e i l c yi s 呻v e d k e yw o r d s ：c 0 0 l i n gt o w e r ；w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ；c s sw i n d ；t h e 盯n a ls t 咖s 懿p 洫e n t ；o p t i l l l j z a ：t i o n i v 土要符号表 主要符号表 定压比热，l ( j ( k g ) 重力加速度，州s 2 冷却塔的有效抽力高度，m 湿空气的焓，1 ( j l ( g 冷却水的体积流量，u m i n 干空气的质量流量，k s 蒸发水量，k s 填料划分段数 蒸发水量占进塔水量的百 分数， 大气压力，k p a 饱和水蒸气的分压力，p a 总传热量，k w 接触换热量，k w 蒸发换热量，k w 进塔水温， 出塔水温， 风速，州s 希腊字符 平均对流换热系数，k w 平均传质系数，k s 水在摄氏零度时的汽化 潜热，k j i ( g 效率系数 干球温度， 湿球温度， 湿空气的密度，k 咖3 角注 干空气 试验工况 入口 模型 出口 原型 预测值 过饱和湿空气 温度为f 。的饱和湿空气 温度为f 。的饱和湿空气 水蒸气 冷却水 特征数 刘易斯数 含湿量，k 眺g ( 干空气) r 。 雷诺数 相对湿度 气水比 瓦 密度傅氏数 v 口 尬 p 它 甜 慨 穆9 f p j 唧 ， m 。 p 胛 船 脚 v w t q g 以；k 砌 诈 尸 只巧q q q乞矿 一口 一 z 缈 入 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：圭兰至当 日期：兰! ! ! ：! 鲨 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰兰奎宝导师签名： 1 前言 l 前言 自然通风逆流湿式冷却塔是电站中十分重要的热力设备，它的功能是将循 环冷却水在凝汽器内吸收的热量通过水气热质交换释放到周围大气环境中，以 维持凝汽器内必要的真空。实践证明，凝汽器内的真空度提高，则汽轮机的排 汽温度降低，在相同的发电负荷下所消耗的燃料量减少。冷却塔的出水温度降 低，可提高凝汽器内的真空度，而配水的好坏影响塔内填料区水气换热的程度， 即会影响出塔水温以及凝汽器的真空度和电站的耗煤量。“十一五”期间，国家 把节能减排降耗作为国民经济发展的战略重点，研究自然通风冷却塔的配水方 式，对配水进行优化，一方面会为电厂带来非常可观的经济效益，另一方面能 够大大节约我们国家的能源。 1 1 自然通风逆流湿式冷却塔配水系统的发展概况 最早有关冷却塔研究的文章并没说明冷却塔是在何时、何地、怎样产生的， 仅指出用于电站【l 】，这也为冷却塔的突然出现提供了线索。1 8 7 9 年爱迪生发明 了电灯，人类开始进入电气化时代，电站在发电过程中产生了大量的废热，热 力学第一定律和第二定律的发现让人们意识到这些废热很难再进一步被利用。 电站的出现，大量废热消除途径的探讨推动了冷却塔的发展。 早期的冷却塔如图1 所示，热水由输水管送到配水高程流入分水箱，然后 流过一系列的折流板，最后汇于集水池，这就是早期的配水方式。这种冷却塔 的内部结构使得空气产生涡流，气流阻力大，冷却效果差，且材料多为木头， 在潮湿的空气环境中很容易受到腐蚀，使用寿命短。 “烟囱效应”的发现，使得冷却塔在很大程度得到了改进，出现了逆流式的 冷却掣1 | ，如图2 所示。热水送至配水高程后先后流经配水总管、配水管，最 后洒向填料，热水和空气在塔内呈逆向流动，冷却效果增强。 18 9 6 年，沃辛顿( w o n h i n 酉o n ) 冷却塔在美国建成并投入运行【啦】。与以往的 冷却塔相比，该塔的壳体向上延伸形成了风筒，大大增加了塔的抽力，同时空 气和热水逆向流动，冷却效果进一步得到强化，如图3 ，图4 所示。冷却塔形 式得到改进的同时，配水方式也得到了发展。该塔的配水方式为三根管旋 山东大学硕士学位论文 图1 1 早期的冷却塔 图1 2 改进的冷却塔 转布水，一根布水管上开多个出水孔，两边的出水孔方向相反，热水通过竖管 流向布水管，然后从出水孔流出，由于反作用力推动布水管沿相反方向转动， 于是水被周期性地洒向填料。 1 9 2 0 年，两位荷兰工程师f k 赫森( h 删和g 奎珀斯( k u y p 懿) 设计出 了双曲线型冷却塔【i 】，这是冷却塔发展进程中的又一重大突破。这种冷却塔外 形美观，筒壁在垂直方向和水平方向都有曲率，筒壁下半部的应力较小，可以 减小壁厚，节省建筑材料，并且双曲线型筒壁的最小振动频率较高，具有较好 的动态特性。另外，双曲线型冷却塔的设计也充分体现了流体力学、传热学的 原理，具有很好的热力特性。英国最早使用这种冷却塔，2 0 世纪3 0 年代以来 在各国广泛应用，4 0 年代在中国东北抚顺电厂、阜新电厂先后建成双曲线型冷 却塔群，5 0 年代后期美国电力行业开始使用这种冷却塔。直到今天，具有薄壳 2 1 前言 结构的钢筋混凝土双曲线型自然通风冷却塔在全世界的电站中仍被广泛采用， 尽管建造费用较高，但是运行和维护费用低。 图1 3 沃辛顿冷却塔 图1 4 沃辛顿冷却塔的配水系统 近代自然通风逆流湿式冷却塔的配水方式主要有两种：槽式配水和管式 配水。火力发电厂中冷却塔大多采用槽式配水系统，喷溅装置早期多采用分 离式的喷管和溅水碟。溅水碟安装在喷管出口下方o 5 o 6 m ，和喷管对中， 固定在填料上【3 1 。其缺点是产生中空，即溅水碟附近无水，另外经过一段时 间运行后溅水碟位置易变动，和喷嘴不对中，致使喷溅效果大大降低。7 0 年 代开始，研制和生产了用塑料制成的反射型喷嘴、旋流式喷嘴，提高了喷溅 性能【4 1 。目前，在自然通风冷却塔中常选用的喷溅装置有：t p i i 型、反射 型、r c 型及多层流型，材质均为工程塑料( a b s ) 【5 】。随着机组负荷的不断增 大，冷却塔的水流量也越来越大，配水装置的重要性也就更加突出，国外已 广泛采用管式配水系统【4 】，我国也相继建成了带有管式配水系统的冷却塔， 山东大学硕士学位论文 如秦岭电厂的4 0 0 0 m 2 冷却塔，邹县电厂的6 5 0 0 m 2 冷却塔。 1 2 国内外研究现状 在常规能源供应日益紧张的今天，各国研究人员已对锅炉、汽轮机作了大 量深入细致的研究工作，进行了相应的优化调整以提高热效率，保证它们在最 优状态下运行。现在，围绕节能降耗，更多的工作已逐渐转向电站的冷端系统， 主要是降低汽轮机的排汽温度，提高朗肯循环的热效率，有以下两个大的方面： 一是凝汽器的强化传热，提高其真空度；二是研究冷却塔出水温度的降低途径， 提高冷却塔的效率。 配水的好坏直接影响着填料能否被合理有效的利用，空气和热水热质交换 进行的程度，进而影响到出塔水温。斯洛文尼亚卢布尔雅那( 巧u b l j 锄a ) 大学的研 究者们借助遥控机器人测量冷却塔内部的空气温度速度得到塔内空气流场，对 塔内横断面各处的空气分布特性有了清楚的认识，通过合适的配水，使之与配 风相协调，塔横断面各处的气水比趋于一常数，因而传热均匀，减小了熵增， 提高了塔的冷却效率【6 】。 在使用多个竖井时，自然通风逆流湿式冷却塔各竖井水位很难保证在同一 高度，现在趋向采用一个中央竖井【3 1 ，在淋水面积大的塔中主水槽就会很长， 流量一定时，沿槽水面高程变化较大，小流量时槽远端可能无水，同时为了使 冷却水温达到设计值，并节约循环水泵的运行耗电，预防冬季冷却塔结冰，一 般采用内、外分区配水的运行工况，夏季全塔配水( 即内、外区均配水) 运行， 冬季仅外区配水运行，并加大淋水密度，内区不淋水【7 1 。为实现内、外分区配 水，在近年来运行的冷却塔中，主要采用以下四种配水型式：多竖井配水、中 央套筒式竖井配水、中央竖井用启闭机闸板门配水、虹吸式竖井配水。在多竖 井配水方式中，各竖井水位很难保证在同一高度，导致冷却塔配水不均匀，直 接影响冷却塔的冷却效率。中央套筒式竖井配水内、外筒水位也有较大的高度 差，水量调节依靠安装在进塔水管上的闸阀，闸阀井一般设在地面以下，环境 潮湿，电机易受潮，使操作失灵。在中央竖井用启闭机闸板门配水方式中，由 于冷却塔内是高湿热环境，启闭机和闸板门安装不久，就锈蚀失灵，达不到启 闭的目的【引。为了避免前三种配水方式存在的缺陷，中国水利水电科学研究院 冷却水研究所研究出了虹吸式竖井配水，既能保证冷却塔内、外区均匀配水， 4 1 前言 又能根据不同季节冷却塔不同的运行工况，自动完成全塔配水或仅外区配水， 达到经济运行的目的。 1 3 本文的工作 本文总结了自然通风逆流湿式冷却塔尤其是配水系统自冷却塔出现后的发 展进程以及目前国内外的研究现状，对配水系统的组成、作用、优缺点及实际 运行中存在的问题进行了阐述。 利用p o p p e 模型通过编写m a t i a b 计算程序更全面准确的求解出塔空气状态， 进而准确计算冷却塔有关传热传质的参数，从而可以为冷却塔冷却性能的评价 提供理论方面的基础。 侧风环境中出现局部配水障碍后冷却塔的冷却性能受到如何影响，本文通 过热态试验在第四章对这一问题进行了定量的研究。 现有的配水方向存在怎样的问题，如何进行优化以提高侧风影响下冷却塔 的冷却效率? 在分析空气动力场的基础上作者提出了由外向内配水的一个方案 环形中空管式配水，这一优化方式有何特点，冷却效率如何，在本文第五 章通过热态试验的方法对这一方式进行了比较论证。 2 自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统 2 1 概述 2 自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统 自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统主要由进水管( 一般采用焊接钢管) 或 钢筋混凝土压力进水沟、竖井、水槽或配水管、喷溅装置组成。如图2 1 所示， 冷却塔把来自凝汽器的热水先用竖井将热水送到配水高程，然后通过水槽或配 水管将水分布到整个塔的淋水断面上i 再用喷溅装置将水洒向填料。自然通风 逆流湿式冷却塔在我国电力部门使用最多，风筒常采用双曲线形，用钢筋混凝 土浇制。如无特别说明，本文中所指的冷却塔均指自然通风逆流湿式冷却塔。 空气出口 空进口 图2 1 自然通风逆流湿式冷却塔结构示意图 竖井的横断面为矩形或圆形，如图2 2 所示。由于圆形竖井占地面积小，对 多竖井的冷却塔来说，可以适当增大淋水面积，、有利于热水和空气进行热质交 擎 换。在虹吸式配水系统中，中央竖井横断面需要做成矩形，这是为了便于和虹吸 配水罩连接。有关虹吸式配水系统的内容，在本章第四节进行了较为详细的介 绍。 7 出耋查兰2 圭：竺兰兰 p ， 眵0 t _ p 、一一| 田2 0 ) 争却塔的日形竖井 2 2 配水系统的喷溅装置 2 2 1 喷涪装置的作用 冷却塔内喷溅装置的作用在于依靠冲击力或离心力的作用，水流被细化成 水滴或水膜，从而增大热水和空气的接触面积，有利于水气之间的热质交换 如图23 所示。 一 。 田2 j 喷精装豫水躲田 ：j 筌望墨兽鎏兰奎2 兰兰馨兰銮蚕釜 2 上2 常见喷溅装置的类型 现在在冷却塔中常用如下四种喷溅装置：反射型、t p i i 型、旋喷型及多 层流型，如图24 所示。 r 反射型t p 一型 圈多层流型 田2 4 哽蠢装置 反射型喷溅装置由喷管和上下圊形齿盘组成，喷管出口对准上下齿盘的圆 心，t 齿盘和喷溅装置联为一体，f 齿盘由凹个塑料扁柱粘接崮定在上齿盘上， 上下齿盘间距是影响溉水效果的主要因素。 t p i i 型喷溅装置的喷管和溅水碟用支架连接，自然对中，溅水碟采用半 球形底盘，加大了水流撞击挑水齿的速度，水流被充分溅散成小水滴，然后呈 抛物线型洒向空中，在配水区穿行时间加长，溅水效果良好，同时对冷却有利。 溅水碟采用双排锥形挑水齿，齿间距离增大，这样水流通过挑水蝮时无法形成 水幕，从而降低了通风阻力。与多层流喷溅装置相比，口一型喷溅装置较适 合水质较差的环境下使用【l “。 旋喷型喷溅装置一般用在管式配水，要求水压力较大，由渐缩进永管、旋 转室、喷嘴、支架及挑水齿盘组成。水从进水口进入喷嘴后，过水断面运渐减 山东大学硕士学位论文 小，水流速度逐渐增大，进入旋转室高速旋转，在水压的作用下，水流成旋转 状离开喷头出口，借助离心力的作用向四周洒开，通过挑水齿形成细小的水滴。 多层流型喷溅装置的喷嘴和溅水碟连成一体，制造时一次性注塑成型。图 2 4 中所示为一种三层溅水喷嘴，水流由喷口喷出后，经过三个不同半径的溅水 盘边层的溅散，使水滴韵分布比较均匀。上层到下层的毒流通过盘中间的圆孔 流下，圆孔的犬小可控制下落的水量。最下层盘中心处可开孔也可不开孔，图 2 4 所示不开孔，而是通过一个半球形凸体来达到溅水和防止中空的目的。 2 2 3 运行中存在的问题 在冷却塔酶实际运行申如果由予设计或者配水的水质变塞昏就会对喷溅装 置的正常工作产生不利的影响，冷却塔的冷却能力必然会随之降低。 ( 1 ) 污泥容屋沉积在配水槽底，但喷嘴进豢口和槽底相果，没有高出槽底一 定高度，如图2 灞祈示。配水水质差时喷头就会堵塞严重，配水能力大大降低， 填料未被有效利用。 图2 5 过低的喷嘴进水口圈2 6 过高的喷嘴进水口 ( 2 ) 喷嘴进水管口“过高，如图2 6 所示。水量小时热水不能进入喷嘴，致 使相应的喷嘴未被利用，出现填料局部配不着水的现象，塔的冷却性能降低。 有关局部配水障碍对冷却塔性能的影响，将在第四章中详细讨论。 ( 3 ) 喷嘴被杂质、淤泥堵塞，为喷嘴配套的溅水盘积有水垢，使喷头溅水效 果变差，形成伞状水膜。一是因为冷却水在进入冷却塔前未得到有效的净化处 理，二是因为配水槽容易沉积淤泥，淤泥未得到及时清理，随冷却水进入喷嘴 致使喷嘴堵塞。由于溅水盘积淤，存在“中空现象，即水被溅向四周，喷头下 方形成无水区l l u j 。 l o 2 自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统 2 2 4 对喷溅装置的要求 不同类型的喷溅装置适合不同的配水系统。例如，旋喷型喷溅装置多用在 管式配水系统中，而在槽式配水系统中更多的采用反射型、多层流型、t p i i 型喷溅装置，而且当水质较差时，t p h 型喷溅装置较适合使用。另外，为使 配水与冷却塔内的空气动力场相耦合，配水区不同区域喷溅装置的水流量应不 同，外区淋水密度应增大- 些。 喷嘴进口管段应有合适的高度，确保喷溅装置工作的可靠性。如果喷嘴进 口管段高度比较低，就容易出现淤泥沉积堵塞造成相应的喷溅装置不能正常配 水；反之，如果高度比较高，水流量较小的情况下，相应的喷溅装置就配不着 水。 2 3 配水系统的型式 配水系统的作用在于把热水分布于整个淋水装置的表面上，以充分发挥淋 水装置的作用，延长气水换热的接触时间和增大接触面积。对自然通风逆流湿 式冷却塔而言，它主要可分为两大系统：管式配水系统和槽式配水系统( 虹吸式 配水系统是对槽式配水系统的改进) 。 2 3 1 管式配水系统 管式配水系统即用钢管作配水管把热水分配到冷却塔配水高程断面的各个 位置，采用这种配水系统的优点为管内水流速度高，与槽式配水系统相比，在 水流量相同的情况下管断面小，占用冷却塔内通风面积小，通风阻力也就小， 同时配水均匀，由于管内水压较高，水流通过喷溅装置后形成的水滴细，冷却 效果好，易于保证安装质量，并且管内不易生长藻类。缺点是喷溅装置要求供 水压力较大，对水质要求较高，水质差时会堵塞管道，而且堵塞后不容易清理。 2 3 2 槽式配水系统 槽式配水，目前是国内电站冷却塔中主要的配水方式，如图2 7 所示。分 主水槽、分水槽、配水槽三级配水，水槽断面为矩形，用钢筋混凝土制成。热 山东大学硕士学位论文 水由竖井流到主水槽，然后流向分水槽，再由分水槽流到配水槽，通过安装在 这些水槽底部的喷溅装置将水洒向填料。 图2 7 槽式配水水槽布置圈 槽式配水系统的优点是系统供水压力低，与管式配水相比节约水泵的耗电， 清理较方便。缺点是槽内易淤积及生长藻类，构造复杂，气流阻力大并且在小 流量的情况下配水槽远端常常会出现无水的状况，致使填料不能被充分利用。 2 4 虹吸式竖井配水系统 2 4 1 虹吸式竖井配水的基本原理 在冷却塔中央设一个竖井，只有一条进塔水管或单孔压力沟向竖井供水， 进水管上不设阀门。内外区都由中央竖井供水，主水槽在内区分上下两层，上 层供内区配水，内区的主水槽只通到内外区交界处；下层供外区配水，外区主 水槽从内区主水槽下边由竖井接出，到内外区交界处抬高到内区主水槽的高度， 使二者槽顶同高，并在内区主水槽的沿线上直通到塔壁附近。外区全年配水运 行，下层主水槽进口与竖井直接连接；内区在冬季可停止配水，为使上层主水 槽有供水和停水状况，在其进口加装虹吸装置，如图2 8 所示。 虹吸式竖井配水的四条主水槽在冷却塔内呈“十字形布置，中央竖井内 每条上层主水槽进口处设一个由虹吸罩、虹吸堰及虹吸破坏设备组成的虹吸装 置。当竖井内水位上升，水流流入上槽将虹吸罩内的空气带走时，虹吸罩内形 成负压区，此时全塔配水。当竖井内水位下降低于虹吸堰顶而高于通气孔上缘 1 2 2 自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统 时，虹吸形成，水流仍能流入上层主水槽，此时仍为全塔配水，只不过水流量 有所减少。当竖井内水位降到通气孔上缘以下时，空气进入虹吸罩内，虹吸破 坏，上层主水槽不再进水，变为仅外区配水。 图2 8 虹吸式竖井配水示意图 虹吸破坏设备除通气孔外，还可以在虹吸罩上安装一个带有虹吸破坏阀的 虹吸破坏管，虹吸破坏阀一般可采用d n 7 5 d n l 5 0 电磁阀或电动阀，采用不 锈钢阀体及防水电机，在循环水泵房内( 循环水泵房无人值守时在主控室内控制) 或塔门外远程控制【7 1 。虹吸时阀门闭合，要破坏虹吸时，阀门开启，向虹吸罩 内通气，上层主水槽就不再进水。 2 4 2 运行方式 以一机、一塔、三泵的单元制供水系统简要说明虹吸式竖井配水的运行方 式【8 一，见表2 1 ： ( 1 ) 夏季三台循环水泵相继开启，冷却塔内竖井水位逐渐升高，虹吸罩内形 成负压区，全塔配水。 ( 2 ) 秋季气温降低，关掉一台泵，冷却塔处于虹吸状态运行，全塔配水。 ( 3 ) 进入冬季，为防止冷却塔结冰，冷却塔仅外区配水，可以采用以下三种 办法： 每座冷却塔都有冬季机组启动直接放循环水入集水池的放水管，部分开 山东大学硕士学位论文 启放水管闸阀，减少进塔水量，竖井内水位下降到通气孔，虹吸破坏，上层主 水槽不再进水，冷却塔仅外区配水运行。虹吸破坏后，关闭放水管上的闸阀， 进塔水量增多，尽管竖井水位上升但稳定后的水位低于虹吸堰顶高度，上层主 水槽仍不能进水，冷却塔处于2 台泵开启仅外区配水运行状态。 先关掉一台泵，虹吸破坏后再开启，同中的情况一样，冷却塔处于2 台泵开启仅外区配水运行状态。 开启安装在放气管上的虹吸破坏阀。 ( 4 ) 春季，依靠虹吸作用两台泵全塔配水运行。可开启第三台水泵，待竖井 内水位上升虹吸罩内形成负压去后在关闭该泵，此时竖井内水位下降但仍在通 气孔以上。 ( 5 ) 进入夏季，开启第三台水泵，全塔配水运行。 表2 1 虹吸式配水运行方式 水泵开启台数 季节配水区域虹吸 ( 台) 夏季3全塔配水否 秋季 2 全塔配水是 冬季2外区配水否 春季 2 全塔配水是 文献【7 9 】中均指出，虹吸式竖井配水淋水密度均匀、冷却效率高、运行 灵活便利，经济上节省投资，是一种值得广泛推广的配水型式。 2 5 配水系统存在的问题 配水的好坏影响着冷却塔的出塔水温这一重要参数，关系到电站发电煤耗 率的高低，对配水应从思想上真正重视起来。冷却塔配水系统存在的问题有： ( 1 ) 冷却塔未进行分区配水。冬季水流量小时， 由于设计和运行的差异， 冷却塔内填料外围某些区域可能配不着水，不能充分利用外围空气流量大的特 点，最大程度的发挥冷却塔的冷却性能。 ( 2 ) 喷溅装置的位置及密度受环境侧风的影响，应与侧风影响下冷却塔内的 空气动力场相耦合，以最大程度的增加气水之间的换热，而在设计时未充分考 虑这一问题。 1 4 2 自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统 f 3 忡却塔运行一段时间后，水槽局部积有淤泥，改变丁槽中水流的高度， 严重时出现满水溢流使得对应区域填料负荷加重，填料负荷不均匀，同时也 加剧了对填料的损坏l l q 。淋水填料成块损坏时，要及时进行处理，否则将使冷 却塔运行性能大幅度下降f l “。 ( 4 ) 配水过度不均，小水量时配水槽远端无水，远端喷嘴发挥不了作用，同 时相应的填料区域未得到有效利用并导致塔内空气分布过度不均，如图29 所示。水流的有无和大小基本代表了塔内风的阻力分布，气流很少从淋水密度 太的区域通过，在于区短路，造成有水的地方缺气有气的地方无水，水气不 能充分换热。导致传热效率低，塔的冷却能力衰减。 ( 5 ) 在虹吸式配水系统中虹吸有时建立不起来。可能的原因有：一是竖井 水位没有高出溢流堰项一定的高度，致使虹吸管内的空气不能被水流带走，自 然也就形成不了虹吸；二是关掉一台水泵后，竖井内水位下降到起破坏虹吸作 用的通气孔以下；三是上槽进水后，竖井内水位会下降，如果下降到通气孔以 下，虹吸也不能形成；四是制作虹吸帽的材料强度不够【l ，在冷却塔配水工 况转变过程中，因虹吸装置内部的压力变化并形成真空大气压对虹吸帽施加 压力瞬间将虹吸帽破坏。基于上述原因虹吸式配水系统只有在严格按设计 采用的喷溅装置型号、规格及喷嘴直径分区进行选购、安装、施工才能确保 虹吸式竖井配水成功保证冷却塔在各种工况下安全、稳定、经济运行l 】”。 圈2 9 远无承的配椭 针对上述存在的问题，在设计过程中应考虑配水与侧风影响下冷却塔内的 空气动力场相耦合，合理分布喷溅装置的位置及密度，同时在现有技术条件下， 除加强水质净化外，还应及时靖理水槽，采用流量系数适合的喷头，及时更换 已损坏的喷头：对虹吸式配水系统，虹吸头部分应正确的设计。进行水力试验， 在上槽利用虹吸作用进水时，应保证竖井内的水位始终在通气孔以上，确保虹 山东大学硕士学位论文 吸作用的可靠性，以真正达到节约水泵耗电并预防冬季冷却塔结冰的目的。 2 6 本章小结 本章首先介绍了冷却塔配水系统的组成部分，对电站冷却塔中常用的四种 喷溅装置的类型及各自的结构特点做了描述，随后介绍了管式配水系统和槽式 配水系统的优缺点。虹吸式配水系统是在槽式配水系统的基础上通过在竖井内 加装虹吸装置及改进主水槽得到的，仍属于槽式配水系统的范畴，但是减少了 竖井，只采用一个中央竖井，克服了多竖井配水中各竖井水位很难在同一高度 而引起的冷却塔配水不均的问题，实现了分区配水，对虹吸式竖井配水的基本 原理和运行方式作了详细的介绍。最后列出了配水系统存在的一些问题并对原 因进行了分析，指出了应采取的一些措施。 1 6 3 冷却塔的传热传质计算 3 1 引言 3 冷却塔的传热传质计算 自然通风逆流湿式冷却塔内的工质流动为水气两相流。如图2 1 所示，热 水被送到配水高程后通过喷溅装置洒到填料上，经填料后成雨状落入集水池； 空气从进风口进入塔体，穿过填料下的雨区向上流动，和热水流动成相反方向 流过填料和配水区，通过收水器回收空气携带的水滴( 称为风吹损失) 后，最后 从塔筒出口排出。 塔外冷空气进入冷却塔后，吸收由热水蒸发和接触散失的热量，温度升高， 湿度变大，密度变小。由于塔内、外空气密度差异，在进风口内外产生压差， 使得塔外空气源源不断的流进冷却塔。热水和空气逆向流动的同时，二者之间 的传热和传质过程同时进行。冷却塔内水的散热方式主要靠接触散热与蒸发散 热，辐射散热量很小，可以忽略。 本章首先介绍湿空气的一些性质，为冷却塔的传热传质计算打下基础，重 点讲述了能准确求解出配水区空气状态的p o p p e 方法，从而可以方便求解冷却 塔总的传热传质量，实现整体上对冷却塔的冷却性能进行评价，给出了其计算 机求解程序流程，最后对冷却塔的一些传热传质特征参数的计算作了说明。 3 2 湿空气的性质 冷却塔中作为冷却介质的湿空气由两部分组成：一部分是不含水蒸气的空 气，称为干空气，占空气的绝大部分；另一部分是水蒸气，一般处于过热状态。 湿空气中的水蒸气，由于其含量不同( 表现为水蒸气分压力的高低) 以及温度不 同，或者处于过热状态，或者处于饱和状态，因而湿空气有未饱和与饱和之分。 干空气和过热水蒸气组成的是未饱和湿空气，和饱和水蒸气组成的是饱和湿空 气。湿空气在某温度下达到饱和后，若仍被加热同时有水蒸气进入，达到新的 饱和状态，多余的水蒸气将会凝结成小水滴分布在湿空气中，使其呈现雾态， 称这时的湿空气为过饱和湿空气。 1 湿空气的温度 山东大学硕士学位论文 以标准玻璃棒水银温度计测得的空气温度，称为干球温度，用0 表示。而 空气的湿球温度f 用湿度计测量：用两支相同的温度计，其中一支用两层纱布 紧紧包裹，下端置于盛满蒸馏水( 以免用普通水污染纱布) 的瓶中。未包纱布者 所测得的为干球温度，包纱布者为湿球温度。 2 饱和水蒸气压力 空气中水蒸气分子的最大含量称为饱和含量，这时的水蒸气分压力为饱和 水蒸气压力，以p ：表示，文献【1 4 】给出了p ：的表达式，即 p ：= 1o 2 p a ( 3 1 ) z = 1 0 7 9 5 8 6 ( 1 2 7 3 1 6 r ) + 5 0 2 8 0 8 l o g l o ( 2 7 3 1 6 r ) + 1 5 0 4 7 4 1 0 ，m f 1 1o 一8 2 9 2 ( r 7 2 7 3 1 6 卜1 ) 1 + 4 2 8 7 3 10 - 4n0 4 7 的5 5 ( 1 2 7 3 1 6 7 n 1 1 + 2 7 8 61l8 312 、 7 由上面两式可知饱和水蒸气压力p ：只和空气温度t ( 单位：k ) 有关。 3 相对湿度 1 立方米的湿空气中所含水蒸气的质量( 称为绝对湿度) ，与同温度下的最大 水蒸气含量之比，以符号妒表示。对于阿斯曼湿度计，空气的相对湿度可表示 为： 9 = 趔一 b 3 ， 上式中，岛”、露分别是干球温度0 和湿球温度f 对应的饱和水蒸气压力，见 是大气压力。 4 含湿量 含有lk g 干空气的湿空气中所含有的水蒸气的质量，以x 表示，则 z = 旦= o 6 2 2 j l = o 6 2 2 旦 ( 3 4 ) m 4p o p vp 4 9 p v 、 可见，大气压力一定时，湿空气的含湿量z 只取决于水蒸气的分压力风，并 且随着a 的升降而增减。 空气达到饱和时，即相对湿度9 = l 时，含湿量以符号z ”表示：