一种火电厂冷水塔换热装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种火电厂冷水塔换热装置，属于冷却塔制造领域。包括塔体，塔体的底部两侧分别设置有进风口，从底部依次向上为进风区、雨区、填料区和配水系统，所述的喷嘴不均匀设置于配水系统下方。一种基于上述的换热装置的三维优化布置方法,(1)采集冷水塔原有的设计参数，包括塔体设计参数和气象参数；(2)采集冷水塔实际运行状况参数；(3)采用Fulent软件平台，输入步骤(1)和步骤(2)的参数，对冷却塔进行热交换动力场建模(4)计算，依据计算结果，确定冷水塔进水不同区域喷嘴口径和填料布置高度。从而进行冷水塔换热装置的三维优化布置，风水匹配得当，大大提高了冷水塔换热效率。
【专利说明】
-种火电厂冷水塔换热装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及冷却塔制造领域，更具体地说，设及一种火电厂冷水塔换热装置。
【背景技术】
[0002] 火力发电厂的冷端系统包括凝汽器、真空累、冷却塔、循环水累及其供水管路。其 作用是向凝汽器提供所需溫度及流量的循环冷却水用W冷却主系统中做完功的乏汽，吸收 乏汽的汽化潜热使其变成凝结水，从而完成循环;另一方面，也对凝汽器真空的形成与保持 提供保证。其中，冷却塔工作性能的优劣，决定了进入凝汽器循环水进水溫度的高低，它对 机组，及至整个电厂安全经济运行有至关重要的影响。
[0003] 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。国家发展 和改革委员会在《节能中长期专项规划》中明确提出宏观节能目标是在2003年~2020年年 平均节能率为3%，形成的节能能力为14亿吨标准煤。国家能源局、财政部关于开展燃煤电 厂综合升级性能优化工作的通知，"十二五"期间，采用成熟可靠，经济适用的先进发电技 术，对在役煤电机组进行综合升级性能优化。对已投运火力发电厂来说，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。目前的 节能技改工作主要集中在机、炉本体性能优化与转机变频性能优化两方面。很少有从冷端 系统方面考虑问题，为响应国家节能减排的号召，降低企业的生产成本，提高企业的竞争 力。
[0004] 目前火电厂自然通风逆流湿式冷却塔设计时采用"单区、一维、均风"模型，该模型 与实际条件有一定偏差，使得冷却塔工作在设计状态下（即冷却能力达到100%时），理论上 仍有近4°C的溫降空间。本技术通过冷水塔换热装置=维优化布置系统，对冷却区域的动力 场=维建模仿真模拟计算，依据计算结果重新布置冷水塔填料，强化换热性能，在原设计换 热能力（100% )的基础上，使冷却塔换热效率提升不低于20%，使出塔水溫再降低达到1.5 ~3〇C。
[0005] 中国专利申请，申请号201210319829.9,【公开日】2013年1月9日，公开了超大型逆流 式自然通风冷却塔工艺设计=维仿真计算方法，本发明公开了超大型逆流式自然通风冷却 塔工艺设计=维仿真计算方法，包括:根据超大型冷却塔的工艺尺寸，建立所述超大型冷却 塔的=维网格模型；计算所述超大型冷却塔的环境空气参数和冷却水参数，将参数导入预 设的环境气象程序;在计算流体力学软件中读入所述=维网格模型，编译所述环境气象程 序;指定水溫标量的计算区域为传热传质区，设定控制参数;对所述计算域进行初始化，进 行计算得到仿真计算结果。本发明运用的CFD技术可视化程度高、可扩展性强，提出的S维 仿真计算方法可W得到在环境气象条件影响下，超大型逆流式自然通风冷却塔内外部的空 气流场W及冷却塔的热力性能参数，评估电厂建筑对超大型自然通风冷却塔热力性能的影 响。但本方案并没有针对不同区域的冷水塔换热装置对应不同区域喷水量进行调整，没有 进行不均匀的针对性设置，并且没有根据动力场的实际情况将填料设置在不同区域，进行 不等高度布置。
【发明内容】
[0006] 1.要解决的技术问题
[0007] 针对现有火电厂冷水塔换热技术中的一维设计、均匀进风的布置方式，冷却效果 差，效率低。本实用新型提供了一种火电厂冷水塔换热装置。它采用的=维优化布置、风水 匹配得当，冷却效果好，效率高。
[000引2.技术方案
[0009] 本实用新型的目的通过W下技术方案实现。
[0010] -种火电厂冷水塔换热装置，包括塔体，塔体的底部两侧分别设置有进风口，从底 部依次向上为进风区、雨区、填料区和配水系统，所述的配水系统底部设置有喷口向下的若 干喷嘴，所述的喷嘴不均匀设置于配水系统下方，配水系统下布置换热效果好的填料层。
[0011] 更进一步的，所述的配水系统包括集水池、进水管和配水管，配水管不均匀设置， 动力场大的部位配水管设置密集，配水管端头与底部的喷嘴连接。
[0012] 更进一步的，所述的喷嘴均匀口径，在动力场大的部位配水管设置密集，动力场小 的部位配水管设置稀疏。
[0013] 更进一步的，所述的喷嘴口径为20-36mm。
[0014] 更进一步的，所述的填料区包括填料支架和填料，填料设置于填料支架，填料高度 不均匀设置，动力场大的部位填料高度高，动力场小的部位填料高度低。
[0015] 更进一步的，所述的填料高度为0.5m-2. Om。
[0016] -种基于上述的一种火电厂冷水塔换热装置的=维优化布置方法，步骤如下：
[0017] (1)采集冷水塔原有的设计参数，包括塔体设计参数和气象参数；
[0018] (2)采集冷水塔实际运行状况参数；
[0019] (3)采用化lent软件平台，运用C抑，即计算流体动力学的方法，输入步骤（1)和步 骤(2)的参数，对冷却塔进行建模，建模W冷却塔底中屯、为原点，半径500m、高900m的空间为 计算域，网格化后生成1000万-1500万个计算点，通过计算得到塔内湿空气与循环水的速度 场、溫度场、压力场、湿度场和动力场；
[0020] (4)依据计算结果，计算出循环水出塔水溫最优值状态对应的配水与填料布置方 案，确定冷水塔进水不同区域喷嘴口径和填料布置高度。
[0021] 更进一步的，所述的步骤（1)中塔体设计参数为塔型、淋水面积、塔总高、进风口 高、喉部直径、顶部直径、设计进塔水量、设计循环水进/出水溫、全年平均进塔量、年平均出 塔量、冷却塔设计溫降，气象参数为:当地大气压、空气干球溫度、空气相对湿度。
[0022] 更进一步的，步骤(2)中冷水塔实际运行状况参数包括循环水量、进水溫度、出水 溫度、气溫。
[0023] 更进一步的，所述的对应湿空气与循环水的动力场大的区域喷嘴口径大和填料布 置高度高，湿空气与循环水的动力场小的区域喷嘴口径小、填料布置高度低。
[0024] 3.有益效果
[0025] 相比于现有技术，本实用新型的优点在于：
[0026] (1)本冷却塔采用了具有针对性的布置方式，针对塔内空气动力场的分布，进行喷 嘴和填料的优化配置，配置针对性好，成本低，冷却效果好；
[0027] (2)本冷却塔采用了具有针对性的布置方式，通过不同的动力场设置，针对喷嘴大 小进行调整，更大的优化了喷嘴的配置，减少了喷嘴设置的成本；
[0028] (3)本冷却塔针对不同动力场下的情况，针对配水管进行了有效的分布，可视性 好，配置针对喷嘴的密集程度对应，效率高；
[0029] (4)本设计方案中基于原冷水塔直接进行改造，针对原塔的效率不高之处针对性 改造，改造部位少，成本低，速度快；
[0030] (5)充分利用冷却塔在S个区域即、雨区、填料区和配水区不同的冷却效率，重点 针对填料区进行改造，改造成本低，效果好；
[0031] (6)通过对冷水塔换热装置=维优化布置，使得换热装置内的风与水交换更为匹 配，充分发挥了原进塔空气的换热能力，优化效果好，不影响原塔的功效；
[0032] (7)出塔空气吸热量的上升，使出塔空气密度减小，由此加大了冷却塔内外空气的 密度差，并最终使冷却塔的进塔空气量增大，使得冷却效率高；
[0033] (8)出塔空气的动能使其具有携带能力：其相对湿度可W超过100%，即空气呈过 饱和状态;充分利用了空气的动力，冷却效率高好；
[0034] (9似600丽机组配套的9000m2冷却塔为例，按常规设计状态进行改造后，换热装 置效率可W提高20% W上，可W降低出冷水塔换热水溫1.8°C W上；
[0035] (10)改造后可W影响发电机凝汽器真空0.75kPa，相当于影响机组发电煤耗近2g/ kW.h。每年可W节约标煤5280吨，减排C〇2不小于13728吨，由此产生的碳排放交易额为70万 元。企业经济效益与社会环保效益都十分显著，投资一般在1年到1.5年可W回收成本。
【附图说明】
[0036] 图1为冷水塔内部结构图；
[0037] 图2为冷却塔实际进风状态；
[0038] 图3位进口气流矢量；
[0039] 图4填料上表面空气流速分布；
[0040] 图5优化前填料顶部空气溫度分布；
[0041 ]图6优化后填料顶部空气溫度分布。
[0042] 附图标号：
[0043] 1、进风区；2、雨区；3、填料区；4、配水系统;5、喷嘴;6、进风口。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合说明书附图和具体的实施例，对本实用新型作详细描述。
[0045] 实施例1
[0046] 目前火电厂自然通风逆流湿式冷却塔设计时采用"单区、一维、均风"模型，该模型 与实际条件有一定偏差，使得冷却塔工作在设计状态下（即冷却能力达到100%时），理论上 仍有近4°C的溫降空间，虽然各科研机构都在探索提高冷水塔换热效率的措施，但是要接近 理论利用值仍然有很大差距。本实用新型提供了一种火电厂冷水塔换热装置，W及通过= 维优化布置冷水塔的系统，它可W实现接近理论利用值的距离，把冷水塔换热装置效率最 大限度的发挥出来。
[0047] 表1冷却塔出塔水溫增加 rc对机组经济性的影响 「nrviQl
[0049] 上表可知，冷却塔出塔水溫增加 rc对机组的损耗巨大。
[0050] 本发明是建立于常规的冷水塔换热装置设计时都认为塔内的风是一维、均匀的，
[0051] 常规方法所W对化热装置配水时要求均匀布水，方案如下：
[0052] 一维：在x-y-z直角系或r-0-z柱座标系中，各计算参量只考虑V'方向的的变化， 而认为V'、V'或V'、"0"方向无影响。
[0053] 均风:冷却空气从冷却塔的底部(沿半径方向非常均匀地)向塔顶方向吹。
[0054] 冷却塔的配水:正因为设计时认为塔内的风是一维、均匀的，所W在配水时要求均 匀布水。运也就是目前看到的冷却塔填料等高布置、均匀布水的原因。
[0055] 双区配水：由于考虑到北方冬季气溫太低，单累运行水量在外区分布太小而会造 成冷却塔外围填料结冰，从而采用所谓的双区配水一一冬季单累运行时，关闭内区配水口， 循环水只在外区进入填料。值得注意的是运种设计虽然是针对北方气候而为，但目前南方 地区的冷却塔也无一例外地采用相同结构一一相同的设计软件。
[0056] 正因为从设计开始就进行了运样的假设，所W传统冷却塔的设计与强化换热改造 均从更均匀地配水方面着手。西安热工研究院、山东电科院、西安交通大学等单位于2001年 做过联合课题一一研究配水不均对冷却塔性能的影响及其计算方法。
[0057] 课题研究的结论为：
[0058] (1)冷却塔换热性能与水分布的均匀程度有关，而与环境参数及水力负荷基本无 关。
[0059] (2)水分布均匀度系数由1(分布均匀）下降至0.75(很不均匀），将影响冷却塔出塔 水溫达4°C。
[0060] 表2传统方法对冷却塔改造前后热力试验结果汇总表 「00611
[0062] 备注:从上表可清楚看出：传统方法冷却塔改造后的冷却能力提升一般不会超过 10%。
[0063] 运也就是目前看到的冷却塔填料等高布置、均匀布水的原因。正因为从设计开始 就进行了运样的假设，所W传统冷却塔的一维设计与=维强化换热均从更均匀地配水方面 着手设计。许多研究机构就冷水塔配水不均对冷却塔性能的影响进行过计算和研究。发现 冷却塔换热性能与水分布的均匀程度有关，而与环境参数及水力负荷基本无关。水分布均 匀度系数由1(分布均匀）下降至0.75(很不均匀），将影响冷却塔出塔水溫达4°C。正因为从 对冷水塔换热装置一维设计，使得冷水塔在实际换热过程中，换热效率没有充分发挥。本实 用新型技术从依据述试验研究结论，从冷水塔换热装置=维优化设计入手，通过=维仿真 模拟计算，根据模拟计算出来换热动力场实际情况，重新设计换热装置。
[0064] 如图1所示，本方案的一种火电厂冷水塔换热装置，包括塔体，塔体的底部两侧分 别设置有进风口 6,从底部依次向上为进风区1、雨区2、填料区3和配水系统4,所述的配水系 统4底部设置有喷口向下的若干喷嘴5,所述的喷嘴5不均匀设置于配水系统4下方。所述的 配水系统4包括集水池、进水管和配水管，配水管不均匀设置，动力场大的部位配水管设置 密集，配水管端头与底部的喷嘴5连接。所述的喷嘴5均匀口径，在动力场大的部位配水管设 置密集，动力场小的部位配水管设置稀疏。所述的填料区3包括填料支架和填料，填料设置 于填料支架，填料高度不均匀设置，动力场大的部位填料高度高，动力场小的部位填料高度 低，填料高度为〇.5m-5m。冷却塔的S个传热区的主要传热效果为，配水区10%，填料区 70%，雨区 20%。
[0065] 如图2-6所示，图2为冷却塔实际进风状态；图3位进口气流矢量；图4填料上表面空 气流速分布；图5优化前填料顶部空气溫度分布；图6优化后填料顶部空气溫度分布，合理布 置塔换热配水系统和填料布置。
[0066] 本发明从对冷水塔换热装置=维优化设计入手，通过=维仿真模拟计算，根据模 拟计算出来换热动力场实际情况，重新设计换热装置，合理布置塔换热配水和填料布置，使 得换热装置内的风与水交换更为匹配，充分发挥了原进塔空气的换热能力；出塔空气吸热 量的上升，使出塔空气密度减小，由此加大了冷却塔内外空气的密度差，并最终使冷却塔的 进塔空气量增大；出塔空气的动能使其具有携带能力，换热装置效率较一维设计提高20% 社。
[0067] 本发明使用于火力发电厂自然通风冷水塔节能改造所属领域或者其它行业有自 然通风冷水塔的直接应用的技术领域。
[0068] -种所述的一种火电厂冷水塔换热装置的=维优化布置方法，步骤如下：
[0069] (1)采集冷水塔原有的设计参数，包括塔体设计参数和气象参数;塔体设计参数为 塔型、塔型为双曲线自然通风逆流式，淋水面积、塔总高、进风口高、喉部直径、顶部直径、设 计进塔水量、设计循环水进/出水溫、全年平均进塔量、年平均出塔量、冷却塔设计溫降，气 象参数为：当地大气压、空气干球溫度、空气相对湿度。
[0070] (2)采集冷水塔实际运行状况参数;包括循环水量、进水溫度、出水溫度、气溫。
[0071] (3)采用化lent软件平台，运用CFD计算流体动力学的方法，输入步骤（1)和步骤 (2)的参数，对冷却塔进行建模，建模W冷却塔底中屯、为原点，半径500m、高900m的空间为计 算域，网格化后生成1000万-1500万个计算点，通过计算得到塔内湿空气与循环水的速度 场、溫度场、压力场、湿度场和动力场；
[0072] (4)依据计算结果，冷水塔内对冷却风换热装置与循环水按湿空气冷却能力进行 配置，找到循环水出塔水溫最优值状态对应的配水与填料布置方案，计算出循环水出塔水 溫最优值状态对应的配水与填料布置方案，确定冷水塔进水不同区域喷嘴口径和填料布置 高度。所述的对应湿空气与循环水的动力场大的区域喷嘴口径大和填料布置高度高，湿空 气与循环水的动力场小的区域喷嘴口径小、填料布置高度低。
[0073] 图5和6为=维优化设计布置前后溫度分布模拟图，从图可W看出，优化前冷水塔 换热装置内部溫度分布非常不均匀，冷水塔进水热量不能很好的被带走。优化后优化前冷 水塔换热装置内部溫度分布相对均匀多了，冷水塔进水热量带走相对多了，换热效率提高 了很多。
[0074] 本实施例设置进水溫度为36.2°C，改造前的出水溫度为27. TC，改造后为25.2°C， 比原先降低1.9 °C。
[0075] =维优化布置方法的特点：
[0076] (1)通过对换热装置=维优化设计计算，重新布置换热装置，充分发挥了原进塔空 气的换热能力；
[0077] (2)=维优化布置使得换热装置热交换动力场趋于均匀，出塔空气吸热量的上升， 使出塔空气密度减小，由此加大了冷却塔内外空气的密度差，并最终使冷却塔的进塔空气 量增大；
[0078] (3)=维优化布置使得出塔空气的动能使其具有携带能力：其相对湿度可W超过 100%，即空气呈过饱和状态；
[0079] (4)换热装置=维优化设计技术的性能优化目标为在设计换热能力（100%)的基 础上，使冷却塔换热效率提升不低于20%，即达到设计值的120% W上，使出塔水溫降低达 至Ij 1.5~3 °C。
[0080] =维优化布置方法改造冷水塔试验比较
[0081]
[0082] 热效率为设计值的效率，采用W=维优化设计方法的冷却塔改造，其冷却能力的 提升均超过20%。与传统"均匀配水"相比有较为明显的提高，冷却塔平均出水溫度下降均 在2度W上。
[0083] 实施例2
[0084] 实施例2基本与实施例1相同，不同之处在于，所述的喷嘴5 口径为不等大小的口 径，口径为20-36mm。对喷嘴内部喷管口径进行调整，分布设计为d = 25、27、28、30mm等几种 口径，动力场大、填料高度高的部位采用大口径喷管，动力场小、填料高度低的部位采用小 口径喷管。设置更加具有针对性，效率高、成本低。对应的淋雨密度，P为5000-13000kg/ (m2 ? h)，对应化5000kg/Xm2 ? h)使用25mm口径喷嘴，对应化为13000kg/(m2 ? h)使用相应 30mm口径，并且密度为5000k/(m2 . h)对应密度的(252/5000)/(30^/13000) - 1.8倍。
[0085] 实施例3
[0086] 实施例3基本与实施例1相同，对冷水塔填料采用不等高布置，动力场大的部位增 加填料高度，动力场小的部位减少填料高度，如60万机组9000m 2冷水塔填料布置最高处h = 2米，最低处0.5米。塔内的风速S = 1.0-4. Om/s，对应的调料高度为对应速度的0.5倍，目化= s*0.5。
[0087] 实施例4
[0088] W600MW机组配套的9000m2冷却塔为例，采用本技术对冷水塔换热装置进行=维 优化布置系统后，比较常规设计状态进行改造后，可降低出塔水溫2°C左右;影响机组真空 0.75kPa;相当于影响机组发电煤耗近2g/kW.h。年节约标煤5280吨，减排C02不小于13728 吨，由此产生的碳排放交易额为70万元，企业经济效益与社会环保效益都十分显著，投资1 年到1.5年可W回收本。
[0089] W上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不 背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够W其他的具体形式实现本发明。附图中所 示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附 图标记不应限制所设及的权利要求。所W，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离 本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应 属于本专利的保护范围。此外，"包括"一词不排除其他元件或步骤，在元件前的"一个"一词 不排除包括"多个"该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可W由一个元件通过软件或 者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
【主权项】
1. 一种火电厂冷水塔换热装置，包括塔体，其特征在于:塔体的底部两侧分别设置有进 风口（6)，从底部依次向上为进风区（1)、雨区（2)、填料区（3)和配水系统(4)，所述的配水系 统（4)底部设置有喷口向下的若干喷嘴（5)，所述的喷嘴（5)不均匀设置于配水系统（4)下 方。2. 根据权利要求1所述的一种火电厂冷水塔换热装置，其特征在于：所述的配水系统 (4)包括集水池、进水管和配水管，配水管不均匀设置，动力场大的部位配水管设置密集，配 水管端头与底部的喷嘴(5)连接。3. 根据权利要求1所述的一种火电厂冷水塔换热装置，其特征在于:所述的喷嘴（5)均 匀口径，在动力场大的部位配水管设置密集，动力场小的部位配水管设置稀疏。4. 根据权利要求1或2所述的一种火电厂冷水塔换热装置，其特征在于:所述的喷嘴(5) 口径为 20-36mm。5. 根据权利要求1所述的一种火电厂冷水塔换热装置，其特征在于:所述的填料区（3) 包括填料支架和填料，填料设置于填料支架，填料高度不均匀设置，动力场大的部位填料高 度高，动力场小的部位填料高度低。6. 根据权利要求5所述的一种火电厂冷水塔换热装置，其特征在于:所述的填料高度为 0.5m-2.Om〇
【文档编号】F28F25/06GK205448747SQ201620202491
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】张玄, 张新燕, 李亚子, 许超, 顾运磊
【申请人】安徽皖苏电力运检科技有限公司