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双曲线型冷却塔的冷却效果、结构设计|双曲线型冷却塔优化改造实施

来源:|发布时间:2018-12-21 10:46:14|浏览

  

不论是核反应堆,还是火电站,冷却塔都是双曲线型的。英国最早使用这种冷却塔。20世纪30年代以来在各国广泛应用,40年代在中国东?#22791;?#39034;电厂、阜新电厂先后建成双曲线型冷却塔群。冷却塔由集水池、支柱、塔身?#22303;?#27700;装置组成。下面贤集网小编为大家全面介绍双曲线型冷却塔的冷却效果、驱动方式、结构设计、优化改造等知识。


双曲线型冷却塔的冷却效果


冷却塔利用简单的烟囱效应带动空气来工作。其实无论什么形状,只要营造出一定垂直坡度的空间,就可以产生烟囱效应。那为什么要双曲面的设计呢?那是因为双曲线形的设计有助于提高冷却的效率,底部有最大的圆周,可以最大限度地进入冷空气,冷空气到达最细部位时,接触热水,这时首先由于管径变小,空气流速加快,可以尽快的带走热水中的热量,其次由于管径变小,冷空气的体积也受到压缩,故压力也有增加,而压力增加流体的含热能力会随之增加,于是在细腰部冷空气可以最大限度的吸收热水的热量从而使热水冷却。到了最上部,管径再次扩大,已携带了大量热量的空气由于速度减慢,压力减小,又将所含的热量?#22836;?#20986;来形成?#21672;?#30340;水蒸气。


双曲线型冷却塔的驱动方式


冷却塔有三种:1)机械通风(风机驱动产生风量);2)自然通风(高高的双曲线烟囱产生风量);3)混合式(以自然通风为主,在侧边加上风机辅助鼓风);前两者应用的非常广泛。核电站偏向于双曲线塔,主要两个原因:1)不需要风机驱动,靠自然力,就避免了电机和机械?#25910;?#30340;风险,要知道,如果风机系统坏掉,循环水冷不下来,对核电站来说,可不是闹着玩的。核电装置,首要考虑是可靠,其次才是效率和技术先进性;2)一般核电站冷却水量巨大,如果采用电力驱动的话,变压装置和供电设施也是巨大的,相对来说风?#31449;?#27604;较高。和第一个原因是一致的。


双曲线型冷却塔的结构设计


我们希望花费最少,建造最容易,而且结构的完整性还有保证,(哪有那么好的事!!),双曲线就是首选!因为在已知底面和顶面是圆形的情况下算连?#29992;?#30340;最小表面积,解欧拉方程会发现连?#29992;?#26159;双曲函数旋转面。因此冷却塔被设计成双曲面的形状带来的最大?#20040;?#26159;:建塔时用的材料最少。

双曲线型冷却塔的冷却效果、结构设计|双曲线型冷却塔优化改造实施

另外呢,冷却塔的单叶双曲面是一种直纹曲面,这一点可以形象化地简单的理解为把一根直线绕着与它异面的一个轴旋转,这个直线划过的曲面就是一个单叶双曲面。这意味着一个建筑,如果有着单叶双曲面的造型,那么它的主体可以只由直的钢梁来建造。毕竟大型钢梁,生产直的会比生产弯的更方便。这样既可以减少风的阻力,又可以用最少的材料来维持结构的完整性。一个最典型的例子是广州塔“小蛮腰?#34180;?/p>


双曲线型冷却塔存在的问题


我公司目前所使用的冷却塔是湿式双曲线自然通风逆流冷却塔,冷却面积750m2。该塔经过多年的运行暴露出结构、填料支撑及配水系统存在诸多不合理之处,极大地降?#22303;?#20919;却塔的出力,已不能满足多机组运行要求,并?#29616;?#30340;影响了汽轮机组在夏季的安全运?#23567;?#35813;塔存在的问题主要有:


1.填料支撑系统风阻大


双曲线自然通风塔是靠塔筒顶部与底部的空气密度差,使塔底冷空气获得上升推动力,从塔的进风口通过高大的双曲线形塔筒被抽向塔顶,从而在冷却塔的填料层面形成一定速度的空气流,与下淋的热水进行热交换,达到热水冷却的目的。因空气流动的动力完全来自塔筒的抽力,因此,自然冷却塔的阻风面积有一定要求。该塔采用容重大的水泥格网填?#24076;?#22635;料支撑系统?#32454;?#26434;,风阻过大。实塔测试表明:塔内的空气流速低于0.5 m/s。


2.槽式配水系统配水不均


该塔采用槽式配水,其缺点是:矩形的硅配水槽体积大,绕流?#22278;睿?#23545;气流的阻力大,由于该塔的中央竖井及主水槽、水分槽、配水槽因施工误差大,其上的出水口各自都不在同一水平面上,存在高低水平的现象,导致低水平位置的配水槽水量大,高水平位置的水量小,甚至呈干涸状态。配水系统的倾斜是自然通风塔配水不均匀的另一原因。


3.喷溅装置淋水不匀


通风塔使用的喷溅装置为反射式喷嘴。这些喷溅装置存在着水膜布水中空现象、易堵塞、配水管变形等问题,很难实现淋水的均匀喷洒,再加?#32454;?#22612;配水槽的倾?#20445;?#20351;双曲线自然通风塔布水不匀,导致冷却塔配风不均匀,淋水密?#21364;?#22788;通风阻力大,淋水密度小处通风阻力小,气流形成短路。气水之间不能充?#21482;?#28909;,影响了冷却塔的冷却效果。


4.收水器


通风塔使用的收水器为FRP(?#23435;?#22686;强塑?#24076;?#24359;型板式,收水效率很低,其飘滴损失率高达0.1%,并?#20197;?#36816;行过程中易变形、老化,对通风及飘滴造成更大的影响。更为重要的是FRP为易燃材?#24076;?#22312;安装施工及日常维护过程中,易发生安全事故。


双曲线型冷却塔优化改造实施


鉴于双曲线自然通风塔对阻力的高度敏感,首先应重视对填料的选型,对热力特性和阻力特性要两者兼顾,要特别重视填料本身对进塔风的阻力,有些填料虽然在试验装置中呈现出较高的热力特性,但由于其风阻较大,用在对阻力十?#32622;?#24863;的双曲线自然通风塔内并非最优。经验告诉我们,如果双曲线自然通风塔内的风速达不到1.0~1.2m/s,填料的热力特性再好,也发挥不出填料的优势,没有足够的冷空气,气水的热交换就无法充分进?#23567;?/p>


配水不匀是影响双曲线自然通风冷却塔冷却效果的另一个重要因素。配水系统如果设计不合理,必然导致?#20248;?#27700;管开始就产生配水不均;再者,反射?#22242;?#28107;装置的形式较为落后,存在水膜布水中空等弊端,如果不能使塔内出水口在同一水平面上喷淋,就会加大布水不均及通风阻力。


由于双曲线自然通风塔的风速完全撒于塔体结构,一旦塔体建成投入运行,就难于改变进入塔体的风速。因此只有从改进凉水塔的结构设计入手,尽可能减少塔内每一构件对进塔风的阻力,才能保证进塔风达到最大风速。


针对该塔的现状及存在的问题,进行如下优化改造。


1.尽可能的减小塔内风阻,将原有水泥格网填?#32454;?#25442;为改性PVC薄膜填?#31232;?#35813;填料片厚为0.45mm,比网格填料的阻风面积大大减小,其有效通风表面积约150m2/m3,较水泥格网填料大3倍以上,有效通风面积的增大在减小了风阻的同时增大了凉水塔热交换面积,提高了换热能力。


2.填料选择采用薄膜填料后,其容重极大减轻,因此,填料支撑系统的次梁隔一去一减少一半,总风阻面积可减少7.1%。同时将填料的?#22411;?#25913;为钢管,由于钢管的弧面与填料的接触面很小,并且钢管具有良好的绕流性,可进一步降?#22836;?#38459;?#22242;?#27700;的通流面积。改造前后见图12098。


3.将配水槽两侧配水口全部封死,全部改由槽底配水,确保每一喷头的进水口处于同一水平面,使其每一喷头的水压、出水量相同,彻底解决了由于配水不均带来的不?#21152;?#21709;。改造前后如图2所?#23613;?/p>


4.将现有的反射II?#22242;?#22836;更换为机力通风塔采用的WNⅡ型蜗牛喷头。该喷头喷溅方式为水?#38395;?#28293;,比水膜喷溅方式风阻小,喷淋均匀、无中空,可极大提高喷淋均匀效果。并具有良流性、进出口直径大、无堵塞的特点,非常适用于薄膜填?#31232;?/p>


5.收水器改为MWDP70多波收水器,它具有收水率高、风阻?#25163;?#30340;特点,既降低飘滴损失,又不增大通风阻力。


6.根据气象?#38382;?=32.2℃、τ1=27.8℃、p=99992Pa和工艺?#38382;?=45℃、τ2=34℃,经过热力、空气动力计算,求得该塔的工作点?#38382;?#20026;:设计气水比0.669,进塔空气量247.69万m3/h,单塔冷却水量4522 m3/h。


三、改造效果


我公司共有750M2双曲线自然通风冷却塔2座,改造前,如2001年夏季,两塔共可处理3000 m3/h循环冷却水量,只能满足发电量为12MW、带抽凝的6#机组单独运行,并且夏季最高循环冷却水温为τ1=49℃,τ2=37~38℃,Δt=11~12℃。最多只能满足两台机组运?#23567;?#25913;造后,2002年夏季在1#塔已改造、2#塔未改造情况下,两座冷却塔循环水量共为7400m3/h,4#59W机组,5#7.5MW机组,6#12MW机组(三机组均在纯凝工况下满负荷),可全部投入运行,夏季最高水温为τ1=50℃,τ2=39~40℃,Δt=11~12℃。


平均实测风量1#塔为238.29万m3/h,2#塔(未改造)为207.12万m3/h;改造后发电机组年增加发电量为216万KW•h,若每度电按0.45元计,则增加产值97.2万元。另外,机组真空平均提高0.1%。


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