国电蚌埠电厂1号冷却塔空气动力涡流调节装置汇总报告.docx
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国电蚌埠电厂1号冷却塔空气动力涡流调节装置汇总报告
国电蚌埠发电有限公司#1冷却水塔安装
空气动力涡流调节装置汇总报告
2012年9月
导言
作为一次能源消耗大户的火力发电厂，如何进一步降低能耗，是所有发电企业所关心的问题。
锅炉、汽轮机、发电机、变压器这四大件本体的效率，由于众多专家长期的深入研究，其技术和效率，都已处于相当高级和非常成熟的程度。
一、项目建设的背景及必要性
不断降低能耗、减少资源消耗、减少环境污染，是我们国电集团确定的长期目标。
为实现该目标，制定了“建设综合经营型、节能环保型、安全和谐型的“三型”电厂的战略；提出了大力实施节能减排，实现低碳排放，保障低碳生活，采用国内外燃煤发电前沿技术，大力推进技术和管理创新，深入开展设计优化，积极推广应用先进成熟的高效节能环保产品，全面实施精细化管理，控制造价，提高质量，建设创新型、效益型工程，努力提高新建项目的市场竞争力的指导意见。
（中国国电《绿色火电厂建设指导意见》）
汽轮机冷端工况对机组效率的影响，正被业内人士日益关注。
采用湿式自然通风逆流冷却塔（以下简称水塔）方式冷却汽轮机乏汽的机组，水塔的效率对凝汽器真空有重大影响。
水塔的冷却效率影响水塔的温降和出塔水温，而出塔水温的高低又直接、稳定、长期的影响发电机组的效率。
文献①认为，水塔的出塔水温降低1℃，将降低凝汽器的背压300-400pa，降低发电煤耗0.79g/kwh。
（在节能减排的大形势面前，如何提高水塔效率，成了火力发电企业越来越关注的课题）
提高水塔的效率，目前有多项技术，白俄罗斯国家科学院发明的发电厂冷却塔空气动力涡流调节装置，能明显地提高水塔效率，降低循环水的温度，从而提高凝汽器真空，达到提高汽轮机组热效率的目的。
白俄罗斯国家科学院具有世界上著名的热工研究机构，成立于1947年。
在前苏联时期，该院取得了大量的世界级的科研成果，包括航天器、核电站、国防军事领域的热科学问题。
该院自20世纪80年代开始研究水塔课题。
该课题组曾经研究海洋中台风的生成、台风的人工控制以及对于陆地和军舰的破坏影响及其防护措施。
基于这些研究成果，根据冷却塔的气流流动情况，并完全基于相似理论建立了世界上第一个专门用于水塔的多通道、变涡流强度的热态试验台。
这个水塔实验装置具有世界顶级水平。
正是在这个平台上，他们完成了冷却塔空气动力涡流调节装置的研究。
在白俄罗斯多座电站上进行应用，取得成功。
根据白俄罗斯多座电站采用水塔空气动力涡流调节装置后的实测数据统计，改造后机组的单位发电煤耗，每千瓦时降低1～1.5g标准煤（有些极端情况，可降低更多）。
该技术适用于新建、扩建、原有发电机组改造等多种形态、多种参数发电厂的湿式逆流式自然通风冷却塔改造项目。
对新建的水塔，在不改变设计规程和技术参数的条件下，在入风口增设空气动力涡流调节装置，达到提高水塔冷却效率的效果。
二、空气动力涡流调节装置技术的由来
水塔是依靠塔内外的空气密度差产生抽力，使塔外空气源源不断地流进塔内，在与热水的接触中完成热和质的交换，降低了冷却水温。
在无风状态下，空气在水塔内部各点的速度是不同的，因而相邻的空气之间的侧压力也是不同的，一旦受到外部自然风波动的影响（也受到塔内配水和喷淋的不均衡影响），塔内的空气就会产生波动，局部部位形成涡旋。
白俄罗斯专家认为，涡旋区可达水塔内部总空间1/3（如图1）甚至更大，影响水塔的冷却效率。
图1自然风对水塔内部空气场的影响图
如何消除或减少塔内的涡旋区？
白俄罗斯研究人员从研究台风的形成和发展机理得到启发，如果在水塔的入风口侧加装导向装置，诱导空气形成类似于台风形成和发展的运动轨迹，使空气在水塔内部形成稳定的（不易受自然风影响）旋转上升气流，从而减少了塔内的涡旋区间。
研究还发现，导向装置还具有使水塔进风量增加，使水塔周向进风均匀的作用。
综上三种因素的作用，提高了水塔效率（如图2），能多降低出塔水温1.0°C以上，从而使发电机组的煤耗降低0.8-1.2g/kwh。
（横坐标：
环境风速单位：
m/s纵坐标：
水塔出口水温修正值单位：
℃）
图2白俄专家参考的自然风对出塔水温影响的曲线
以一台超临界600MW发电机组冷却水塔改造为例，安装空气动力涡流调节装置后，循环水出口水温在不同的温降情况下，给电厂带来的直接经济效益。
（如下表1）
表1：
超临界600MW发电机组冷却水塔出口水温对机组经济性的影响
水温降低值（℃）
1
1.3
1.6
凝汽器背压平均降低值（Kpa）
0.37
0.46
0.56
煤耗减少（g/kwh）
0.9
1.2
1.4
节省标煤量（t/年）：
按90%负荷率计算
4118.16
5127.89
6275.01
按75%负荷率计算
3860.77
4807.39
5882.82
按63%负荷率计算
3243.05
4038.21
4941.57
节省燃料费用（万元/年）：
标煤价格按900元/t的价格计算
按90%负荷率计算
370.63
461.51
564.75
按75%负荷率计算
342.61
432.67
529.45
按63%负荷率计算
291.87
363.44
444.74
注：
每个电厂安装空气动力涡流调节装置后的经济效益要根据电厂的实际数据来计算。
国电集团、国电蚌埠电厂的领导和专家，对“空气动力涡流调节装置技术”进行了长时间的研究和评估，以其远见和卓识，决定在国电蚌埠发电公司#1水塔上引进该技术（如图3）。
2010年10月，蚌埠电厂#1水塔空气动力涡流调节装置开始施工，2011年5月竣工。
图3#1水塔安装空气动力涡流调节装置实效图
在开工前和竣工后，白俄罗斯和国内的专家，先后三次（时间为2010年4月，2010年9月，2011年6月）对#1水塔和#2水塔的运行参数、气象参数同时进行测试；对发电机组的主要运行参数进行收集；并对这些数据进行了分析和评价。
三、项目背景
1、项目规模：
国电蚌埠发电有限公司2×600MW机组工程，配置2座9000平米冷却塔。
本期对#1水塔进行技术优化改造。
2、项目设计条件：
2.1水塔基本情况：
水塔有一个中央竖井，主水槽呈十字正交布置，管式压力配水。
在水塔进风口区设置十字玻璃钢导风墙，十字玻璃钢导风墙规格为5500×1000×30mm。
冷却塔通风筒采用双曲线型现浇钢筋混凝土结构，塔高150.601m，喉部标高119.843m，进风口标高9.80m，塔顶外半径35.986m，喉部中面半径33.0m，进风口中面半径54.210m，塔底部集水池内径121.66m，内底标高-2.0m。
冷却塔通风筒由48对人字柱与基础连接，人字柱采用Φ800mm预制钢筋混凝土结构。
冷却塔基础采用环板基础，现浇钢筋混凝土结构，宽度7.00m，厚度1.50m，人字柱中心线与环板基础顶面交点处半径为57.864m。
塔底设4m宽环形巡视道路。
水塔设计淋水面积9000m2，填料层采用双波纹PVC填料。
#1水塔于2008年底投入运行。
设计冷却水进口温度20℃；设计冷却水量19.4m3/s；冷却水管内设计流速2.18m/s；凝汽器设计压力（真空）凝汽器A4.4KPa（a）、凝汽器B5.4KPa（a）。
2.2.气象条件
（1）气温（℃）
历年平均气温15.5℃
极端最高气温41.2℃
极端最低气温-22.2℃
最热月（7月）平均最高气温32.5℃
最冷月（1月）平均最低气温6.3℃
（2）气压（hPa）
历年平均气压1013.3hpa
（3）湿度
历年平均相对湿度72%
历年最小相对湿度2%
（4）风速、风向及风压
历年平均风速2.7m/s
历年最大风速19.0m/s
五十年一遇离地十米十分钟平均最大风速23.7m/s
五十年一遇平均最大风速23.7m/s时相应基本风压350Pa
历年主导风向E（1980~2001年资料）
历年夏季主导风向E（1980~2001年资料）
历年冬季主导风向E、ESE（1980~2001年资料）
（5）冻土深度
历年最大冻土深度（cm）13
3、原材料、燃料和动力供应：
（1）项目投产后不需增加任何材料、原料。
（2）项目不会改变原有冷却塔的内部结构。
4、项目工程技术方案：
（1）本期对#1水塔进行技术改造，采用空气动力涡流调节装置。
（2）工程方案要求在水塔的入风口人字柱外侧，沿周向布置一定数量的导向板
（如图4，见附录7）。
导向板浇筑在钢筋混凝土基础之上，采用平行四边行或多边行钢筋混凝土结构。
图4#1水塔空气动力涡流调节装置施工大图
（3）导向板基础采用混泥土结构，导向板采用现浇钢筋混泥土结构。
（4）水塔出水口与双孔沟结合处，一般不加设导向板；但这影响装置的效率（约3%）。
（5）导向板的形状和参数与现场环境相关参数相匹配，安装的角度与经过理论分析和模拟实验得出的结论相吻合，研究和分析工作直接由白俄罗斯科学院热值交换研究所进行，包括完成电厂现场数据采集、数据分析和实验室模拟研究、工程设计等相关工作。
（6）技术参数
1）装置外圆最大直径为131157mm。
2）装置内圆最小直径为112516mm。
3）装置的立式导向板设计数量84个。
4）水塔周边立式导向板间距3°45′（集水池直径D=121656mm标准间距t=3980mm）。
5）标准立式导向板外形尺寸：
高9600mm宽9800mm厚200mm。
6）立式导向板的最大的风压3978Kg。
7）相对于进风口平面安装导向板的最佳角度在68°—75°。
8）立式导向板内部的上缘与水塔“帽檐”外缘在一个垂直线上。
5、环境保护：
（1）该项目对电厂和周边环境没有不良影响。
（2）安装空气动力涡流调节装置后，对冷却塔的淋水区、填料区产生的噪音向外传播，有遏制作用，根据实际案件测试，空气动力涡流设计装置内部（装置内沿起0-3米，噪音强度有很大提高；装置外沿起15米外，噪音强度衰减非常快，50米内降至人体可接受正常分贝值。
四、项目实施进度及安排
1、项目实施的各阶段
1.1项目实施管理机构：
（1）由项目法人国电蚌埠有限公司实施管理。
（2）项目分为“参数采集和测试，实验室试验、研究和工程设计，工程施工，考核评价”四个主要阶段。
1.2技术获得：
空气动力涡流调节装置技术，由白俄罗斯科学院热质交换研究所发明研制。
1.3施工准备：
项目施工由葛洲坝集团第二工程有限公司承建。
1.4竣工验收：
建设项目验收，由建设单位组织设计、技术提供单位、施工等单位进行验收。
验收完成后，在一个月内，移交完整的竣工验收报告、竣工决算，技术资料和竣工图。
1.5项目实验进度表：
（1）空气动力涡流调节装置正常实施周期为10个月，分别为：
现场数据采集约2个月
模拟试验和实验室研究约1个月
方案设计和图纸设计约1个月
项目建设工期约6个月
（2）项目实施进度表
表2#1水塔空气动力涡流装置实施进度表（月）
项目名称
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
资料收集
实验室研究
方案设计
工程施工图设计
工程施工
工程测试评价
工程竣工验收
五、项目竣工后测试数据分析
1.水塔冷却效率对比评价的基本思路
影响水塔冷却效率的因素较多，归纳起来有运行因素、气象因素、设计施工因素、环境因素。
对两座处于同一个区域（如同一电厂院内），具有相同设计参数、相互间距离符合规范要求且同期建设的水塔而言，可以认为它们具有基本相同或相近的设计、气象、环境条件。
（我们将具有基本相同或相近的设计、气象、环境条件这一前提称为——基本条件）。
在此前提下，直接对比和分析两台机组及相应水塔的运行参数，能直观地观察水塔的基本运行及冷却能力状况，并得出基本的客观的评价结论。
当两座水塔（假设为A、B塔）满足基本条件，且它们还满足：
进入水塔的冷却水流量相等
进入水塔的冷却水温度相等
如果A、B塔的冷却能力也相等，
那么，A、B塔的出口水温也将相等，
因而，A、B塔的入口水温与出口水温的差——我们定义为——温降也应该相等。
蚌埠电厂2010年4月实测和收集的1#和2#水塔的运行数据，经分析得出的两座水塔的冷却能力基本相等的结论，（见附录3“2010年4月测试数据及分析表”就是这样一种情况。
当两座水塔（假设为A、B塔）满足基本条件，且它们还满足：
进入水塔的冷却水流量相等
进入水塔的初始的冷却水温度相等
但，如果A、B塔的冷却能力不相等，比如，A塔的冷却能力高于B塔，那么，A、B塔的出口水温也将不相等。
在初始阶段，A塔的出口水温比B塔低，相应的进入A凝汽器的冷却水温比B凝汽器低，假设此时两台机组排放热负荷相等，则A凝汽器的背压将比B凝汽器低,排汽温度也会相应的降低。
这样，A凝汽器冷却水带走的热量也相应的降低，A凝汽器冷却水出口水温也相应降低，A塔入口水温也相应降低。
经过一段时间，这个过程稳定后，A塔的入口、出口水温都将低于B塔；A塔的温降值也小于B塔的温降值。
白俄罗斯方面研究发现，水塔冷却水的入口温度，影响水塔的温降和水塔的效率。
在一定程度上，它们呈线性关系。
可表达为：
⊿t=at1+b……………
（1）
⊿t——温降
a——系数（斜率）
b——常数
t1——入塔水温
依据这一关系式，我们可以将A、B塔由于入口水温不相等而引起的对温降的变化的影响进行修正。
修正后的温降，可直接进行比较。
其中较大者，水塔的冷却能力较高，冷却效率也较高。
当两座水塔（假设为A、B塔）满足基本条件，但进入水塔的冷却水流量不相等时，也需要对流量值进行修正。
修正的方法见附录。
2．测试数据及分析
2011年6月26日19点至7月3日24点，同时对#1、#2水塔的出入口水温、流量、水塔附近的环境空气温度、湿度、大气压力、风速、风向进行了测试；对#1、#2发电机组的主要运行参数进行收集。
每小时一组，共173组数据。
依据“对比评价的基本思路”的条件，对173值数据进行甄别、剔除两机发电负荷差的绝对值大于35.5MW（负荷差小于额定值的6%）数据，取得140组有效数据。
140组有效数据的主要参数平均值如下：
环境温度（℃）29.74℃
环境湿度（%RH）76.77%RH
湿球温度（℃）26.54℃
气压（HPa）999.63HPa
10分钟平均风速（m/s）1.90m/s
机组平均发电功率（MW）558.86MW
#1、#2发电机组平均发电功率差（MW）3.47MW
（为额定发电负荷的0.6%）
#1水塔平均入口水温（℃）41.96℃
#1水塔平均出口水温（℃）31.49℃
#1水塔平均温降（℃）10.47℃
#2水塔平均入口水温（℃）39.33℃
#2水塔平均出口水温（℃）31.83℃
#2水塔平均温降（℃）7.49℃
#1水塔与#2水塔的温降差（℃）2.98℃
详见附录1“2011年6月测试数据及分析表”。
对两塔入口水温及流量不相等所引起的影响进行修正
由于两塔入口水温不相等，#1水塔的入口水温平均高出#2水塔2.62℃，按照式
（1）进行修正，平均修正值为1.04℃。
由于两塔的流量不相等，也进行了修正，平均修正值为0.32℃。
④修正后的两塔温降差
#1水塔与#2水塔的温降差，直接用运行数据运算=2.98℃。
经入口水温和流量双因素修正后，两者相差1.62℃。
这个数据，基本上反映了两塔的冷却能力差距。
六、综合测试数据及分析
1.冷却效率分析
水塔冷却效率的概念
μ=
%
μ——冷却水塔的冷却效率（系数）
t1——冷却水入塔水温
t2——冷却水塔出口水温
t0——环境湿球温度
冷却效率与水塔的运行工况、环境参数有关。
在流量一定的条件下，入塔水温越高，环境温度越高，水塔冷却效率（系数）越高。
因此，在不同时间段对同一座水塔进行冷却效率测试和比较，应在保证流量基本相等的前提下，尽可能在相近的环境温度条件下进行。
如果对两座相同参数的水塔进行冷却效率系数进行测试，能直观的判断它们的冷却效率的差异。
竣工后#1、#2水塔冷却效率及差异计算
从2011年6月26日19点到2011年7月3日24点，同时对#1、#2水塔的出入口水温、流量、水塔附近的环境空气温度、湿球温度、大气压力、风速、风向进行了测试；对#1、#2发电机组的主要运行参数进行收集。
共173组数据。
按照以下两个条件对以上数据进行筛选：
A、两机的发电负荷基本相等、最大负荷差不大于21MW。
平均3.73MW，小于额定负荷的1%。
B、两塔的流量基本相等、最大流量差不大于1000m3/h,即不大于额定负荷的1.5%。
共16组数据满足要求。
经计算：
（见附录2“2011年6月气象数据及冷却效率分析表”）
#1水塔的冷却效率系数：
70.224%
#2水塔的冷却效率系数：
60.987%
#1水塔的冷却效率比#2水塔的冷却效率高：
9.24%
2.项目实施前后同期相关数据的对比分析
表3不同时间段两座水塔运行参数对比
从表（3）可以看出：
2010年4月，两座水塔的冷却效率基本相等，（冷却效率为46%左右，比2011年6月的数值低，这是由当时环境温度比较低、入口水温比较低造成的）；两座水塔在流量和热负荷基本相等的条件下，出入口温差基本相等。
两座水塔的冷却效果基本相等。
详见附录3“2010年4月测试数据及分析表”。
2010年6月，两座水塔的流量和入口水温都不相等。
#1水塔流量较低，入塔水温较高。
因而进行了必要的修正。
流量修正是参考2011年6月同期的两塔流量差进行估算并进行修正的。
入口温差的修正系数根据同期数据进行数值分析后获得。
（详见附录4“2010年6月测试数据及分析表”和附录5“关于两座水塔入口水温不同引起的修正系数的说明”。
）
此时的两塔的出入口温差有0.17℃的差异。
如果考虑流量估算值（而并非实际测量值）的可能的误差，将两塔的冷却能力、冷却效率评价为基本相等。
2011年6月的数据表明，两座水塔的冷却效率有显著的差异。
#1水塔的冷却效率达到70%，比2#水塔高出9.24%。
经修正后的温降比#2水塔高1.62℃。
（详见附录1“2011年6月测试数据及分析表”和附录2“2011年6月气象数据及冷却效率分析表”）。
说明安装空气动力涡流调节装置后，#1水塔的冷却效率提高、冷却能力增强。
3.项目实施前后同期相关数据的对比曲线
#1水塔安装空气动力涡流调节装置前后水塔温降对比曲线
横坐标：
冷却水入塔水温（℃）
纵坐标：
水塔出入口温差——温降（℃）
时间：
蓝色——2010年6月安装前
红色——2011年6月安装后
#1水塔安装空气动力涡流调节装置前后水塔出口水温对比曲线
横坐标：
冷却水入塔水温（℃）
纵坐标：
冷却水出塔水温（℃）
时间：
蓝色——2010年6月安装前
红色——2011年6月安装后
#1、#2水塔安装空气动力涡流调节装置前水塔出口水温对比曲线
横坐标：
冷却水入塔水温（℃）
纵坐标：
冷却水出塔水温（℃）
时间：
蓝色——2010年4月#1水塔出口水温（℃）
红色——2010年4月#2水塔出口水温（℃）
#1水塔安装空气动力涡流调节装置后,#1、#2水塔出口水温对比曲线
横坐标：
冷却水入塔水温（℃）
纵坐标：
冷却水出塔水温（℃）
时间：
蓝色——2011年6月#1水塔出口水温（℃）
红色——2011年6月#2水塔出口水温（℃）
4．关于塔内不均匀性问题的建议
水塔填料的不等高布置，是一项新的技术，有利于提高水塔的冷却效率。
蚌埠#1、#2水塔都采用了这种技术，应该说是一种进步。
填料不等高布置的目的，是提高水塔内部的热交换强度均匀性。
力求水塔填料层、填料层上下，都具有比较均匀的热交换过程，它可以通过测量填料层（或收水器）上部的风速和温度的均匀性来观察和评价。
测试发现，#1和#2水塔的填料层热交换过程呈现相当程度的不均匀性。
建议在采用“中心区空气调节装置技术”的同时，一起解决这一问题。
下图5为塔内温度分布曲线。
横坐标：
水塔配水槽上部直径方向的测点位置
纵坐标：
水塔配水槽上部2米测点的温度
红色的曲线为#2水塔塔内温度分布（平均）曲线。
图5塔内温度分布曲线
根据实测数据分析：
#2水塔塔内最高温度34.55℃，最低温度27.85℃，平均32.18℃。
标准差1.49℃，极差6.7℃。
5．水塔温降结论
从测试的结果看，冷却水塔空气动力涡流调节装置，具有降低水塔冷却水出口水温的作用。
对水塔冷却效率的评价有多种方法，其中，对两座具有相同设计参数和相近运行参数的水塔进行比较，可以比较它们的出入口温差（温降）值，简单可行。
但需要对两座水塔的入口水温和流量进行必要的修正。
根据2011年6月的测试数据分析，蚌埠电厂#1水塔（安装空气动力涡流调节装置后）与#2水塔相比，出入口温差相差2.98℃，将两塔流量和入口温度不同而发生地影响进行修正，在两塔的流量与入口水温基本相等的条件下，#1水塔的出入口温差（温降）比#2水塔增加1.62℃。
综合以上数据分析，加装空气动力涡流调节装置后，使1号冷却塔循环水出塔水温夏期（4-10月）平均多降低1.5℃。
七、投资与收益
1.技术经济指标
表4技术经济指标表（注①、注②）
技术指标
生产规模
#1水塔冷却面积为9000平米
寿命
与发电机组同寿命（30年）
降低温差（测试值）
平均降低1.5℃
运行维护费用
后期运行维护费用为0元
注①：
文献：
李秀云、林万超、林俊杰，（西安交通大学，西安710046），水塔的节能潜力分析，《中国电力》，1997年第10期.P34-36；600MW的数据根据300MW亚临界机组测算。
注②：
节煤量按西安热工研究院提供的计算方法计算，热耗值取多台同类机组测试热耗中间值7700KJ/Kwh，测试值比设计值平均高2%。
2.项目总投资
2.1固定资产投资总额：
固定资产投资总额为780万元。
2.2运行维护费用：
后期运行维护费用为0元。
3.效益分析
3.1经济效益分析
按照目前入厂标准煤单价为550元/吨（含采购费、运输费、储煤场卸货费、制粉及燃烧、灰渣处理等工序的过程费用）计算，负荷率按75%计算，水塔出口水温平均降低1.3℃，在80%热负荷状况下一年将节省标准煤4800吨，则每年减少燃料成本264万元。
相应的还会减少粉煤灰、二氧化硫
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