海水冷却塔热力阻力研究总报告

浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程

海水二次循环冷却系统海水冷却塔热力阻力研究总报告

赵顺安

一、目的与意义

绝大部分工业生产过程和人们日常生活都要靠冷却水来将废热带向大气或江河湖海。冷却水将热带走的方式有两种，一种是采用直流冷却将废热直接排向江河湖海，另一种是通过冷却塔将废热排向大气的循环冷却，具体又分为干式冷却塔和湿式冷却塔。随着环保工作的深入和节水工作的推进，一部分工业废热必须先经过冷却塔冷却后方可排入海中, 今后辅助冷却塔还会有较大规模的采用。印度等一些国家已经开始实施入海前再用冷却塔进行辅助冷却，台湾的已建电厂已经在考虑增加冷却塔进行辅助冷却。冷却塔的发展方向有：至少是三北缺水地区将更多地采用空冷塔，以达到节水的目的；湿法脱硫电厂将采用烟塔合一的方式或叫排烟冷却塔，内陆有水地区新建电厂亦将采用循环冷却，海边电厂将采用辅助冷却塔，即海水冷却塔。因此，开展大容量机组新型冷却塔的研究、节水措施、提高效率和减少对环境的影响方面的研究，对我国的国民经济和经济建设具有重大意义。

浙江国华宁海发电厂一期工程装机容量为4×600MW 燃煤机组，采用直流冷却，二期工程的装机容量为2×1000MW 燃煤机组。为了减少电厂排水对海域的热污染，保护海洋环境和维持生态，二期工程将采用循环冷却方式。目前，国内配1000MW 大容量机组的冷却塔淋水面积达13000㎡以上，高度超过170m ，如此规模的冷却塔在国内还未有先例，而直接使用海水作为循环水系统补充水（即海水冷却塔）又为冷却塔设计、建设及施工增加了难度。因此，存在很多关键技术需进行深入研究以确保工程建设的质量，同时提高我国冷却塔的设计建造水平。

二、国内外大型海水冷却塔及排烟塔建设发展现状

海水冷却塔是以海水作为冷却介质和补充水的冷却塔，其特点是冷却介质的含盐量较高，具有一定的腐蚀性，提高冷却倍率有一定难度。目前城市用水中约80%是工业用水，工业用水中约80%是工业冷却用水。如果海水冷却塔能较好的

应用，对于节约淡水资源具有重大意义。特别是我国沿海淡水缺乏的城市，更适用采用海水冷却塔。早在上世纪五十年代中期，英国FletWood 电厂就建成了世界上第一个海水冷却塔，至今已有五十年的历史，期间很多国家和地区建成了自然通风、机力通风横流式或逆流式各种冷却塔，应用较多的有美国、日本、德国等，单塔水量已经达到199800m 3/h，塔高达到200m ，用于与百万千瓦级火力发电厂机组配套。他们较好的解决了海水的浓缩倍率、海水腐蚀、海水冷却效率低、微生物及海水飘滴污染等方面的问题。目前浓缩倍率已经达到1.5倍，并开发出了与海水冷却塔相适应的淋水填料、收水器、配水管、水泥、防垢阻蚀药剂及防止海藻微生物技术等。

到目前为止，国内电厂还没有一个工程是采用海水冷却塔工艺的，对海水冷却的研究和探索国内有关单位进行了一些工作。九十年代始我国已经将海水冷却塔技术列入“九五”国家重点科技攻关项目，取得了可喜进展。100m 3/h海水循环冷却工业试验已经完成，现在3500m 3 /h示范工程正在天津碱厂进行。主要研究成果在海水缓蚀剂、阻垢分散剂、菌藻杀生剂和海水冷却塔等关键技术上取得重大突破，填补国内空白。为解决天津大港电厂扩建冷却水问题，华北电力设计研究院对海水冷却塔进行了一些探索，取得的主要成果是关于海水冷却塔的冷却效果与淡水冷却塔的差别，但塔的结构、运行等方面相关问题还有待进一步研究，由于涉及问题较多加之其它方面原因，大港电厂海水冷却塔方案一直未得以工程实施。当时考虑配套的机组容量为300MW 小机组，冷却塔设计建设要解决的仅是冷却介质含盐高而引起的结构、效率、冷却水浓缩倍率及生物等方面的问题。目前国内最大型冷却塔是为600MW 机组配套的自然通风冷却塔，其面积达10000㎡，高度约150m ，而配套1000MW 机组冷却塔面积将超过10000㎡，高度将超过150m ，除前述海水冷却塔遇到的问题需要解决外，还要对大型塔的配水方式、配风要求、冷却塔的淋水填料布置以及冷却塔的结构设计等问题进行研究。

三、研究内容及研究方法

1、研究内容

浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水二次循环冷却系统，海水冷却塔热力阻力研究项目包含四个专题:

1) 浓缩海水/淡水冷却塔热力性能差异影响因素研究与试验；

2) 大型海水冷却塔塔型优化研究；

3) 海水冷却塔塔芯材料研究；

4) 大型冷却塔配风配水方案及海水塔热力计算研究。

2、研究方法

1）、浓缩海水/淡水冷却塔热力性能差异影响因素研究与试验

主要目的是了解海水冷却塔与淡水冷却塔具体热力性能差异程度及其影响因素，为宁海电厂海水冷却塔选型与设计提供依据。试验研究的具体内容主要包括以下几个方面：

（1） 不同海水盐度的填料的热力及阻力特性；

（2） 不同海水盐度与其它离子含量冷却介质对填料的热力性能的影响；

（3） 研究造成海水与淡水冷却差异的影响因素和特性机理。

研究方法采用理论分析与试验相结合方式进行。试验在室内模拟试验装置上进行，按设计资料提供的当地海水水质进行循环水的配制。

2）、大型海水冷却塔塔型优化研究

通过理论分析、模型试验、文献参考及已有的工程经验综合来确定和优化冷却塔的塔型。

模型试验主要是给出进风口区域的冷却塔的阻力特性，为进风口高度取值提供依据；理论分析、国外塔型试验成果、相近已经建成的冷却塔的比例关系及国内外规范规定等因素，综合在一起来优化确定冷却塔的各部分的比例关系。所给出的结果具有一定的科学性。

3）、海水冷却塔塔芯材料研究

通过国内外塔芯材料的调研，室内的填料模拟试验及其它性能试验来确定或推荐适合海水冷却塔的塔芯材料。

主要的试验包括：

9 通过调研确定不同填料在以本工程海水为介质的情况下的防垢、抗老化

的能力；

9 通过试验确定不同喷头在以本工程海水为介质的情况下的防堵、抗老化

的能力；

9 优选或改进出收水器收水效率不低于十万分之一，且通风阻力相对较小

的收水器产品；

9 提出适应本工程海水水质的塔芯材料。

4）、大型冷却塔配风配水方案及海水塔热力计算研究

在上述三个项目成果的基础上，通过数值模拟的手段，进行冷却塔内的配水方案、配水喷头口径、淋水填料的布置，通过填料的用量、竖井水位对水泵的运行功率的影响及微增功率来优化布置。计算研究的主要工作内容如下：

(1)、考虑冷却塔雨区对冷却塔热力阻力影响的计算方法对电厂运行工况进行热力计算；

(2)、按轴对称二维计算对冷却塔配风配水进行优化，给出优化后的冷却塔淋水填料布置方式和配水方式；

(3)、根据优化计算结果确定出冷却塔的配水管的布置、管径及喷头的喷咀口径；

(4)、对不同的布水喷咀进行水力比较分析，并推荐本工程最适合的喷咀型式。

3、研究项目设置与成果关系

为保证上述四个专题研究的要求，我们将具有共性的项目单列出作为一个独立单元考虑，成果由其它研究引用。最终形成七个研究报告：

⑴ “浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程浓缩海水/淡水冷却塔热

力性能差异影响因素研究”

⑵ “浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水二次循环冷却系统海

水冷却塔塔型优化研究”

⑶ “浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水二次循环冷却系统海

水冷却塔塔芯材料研究”

⑷ “浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水塔配风配水方案及热

力计算研究”

⑸ “浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水冷却塔淋水填料热力

阻力性能试验研究”

⑹ “浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水二次循环冷却系统海

水冷却塔进风口区域的模型试验研究”

⑺ “浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水冷却塔喷溅装置水力

试验研究”

七个报告之间相互联系，报告5、6、7为报告1、2、3、4提供所需的试验研究成果。

四、研究工作的主要结论

1、“浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程浓缩海水/淡水冷却塔热力性能差异影响因素研究”

经过对浓缩海水与淡水冷却塔理论分析与室内试验研究，得出以下结论：

（1）、海水冷却塔与淡水冷却塔比热力特性有所降低，主要影响因素为：

9 海水的比热比淡水低，降低了海水的纳热能力；

9 海水的蒸汽压力低于淡水，蒸发量变小，散热能力变低；

9 海水的导热系数比淡水低，影响了接触传热。

（2）、海水冷却塔的热力特性的折减可以通过理论分析方法求得；

（3）、试验结果给出了以含盐量约21000ppm 为标准海水浓度的海水冷却塔折减系数计算公式。

2、“浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程二次循环冷却系统海水冷却塔塔型优化研究”

通过对浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程二次循环冷却系统海水冷却塔塔型优化研究，可得以下结论：

（1）、冷却塔塔壳体型线应符合理论比例关系；

（2）、冷却塔出口流态有三种，自然通风式冷却塔出口流态宜为收缩型出流流态，出口弗氏数不应小于0.6；

（3）、模型试验结果与经济分析计算表明，进风口高度以12m 为宜；

（4）、宁海电厂二期13000㎡冷却塔与初步设计塔型比，高度降低了6m ，进风口降低了2m 。塔型尺寸有理论、试验、国内外经验及结构设计计算为基础，与同类塔比有一定的科学性和先进性；

（5）、推荐宁海电厂二期工程13000㎡冷却塔优化推荐尺寸为：

冷却塔总高度：177.15m 进风口高度：12.00m

塔体底壳直径：133.36m 喉总高度：141.72m

喉部直径：77.94m 出口直径：79.32m

3、“浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水二次循环冷却系统海水冷却塔塔芯材料研究”

经过对国内外塔芯材料的分析比较，选择出适合宁海二期扩建工程海水冷却塔的塔芯材料。

（1）、通过国内外淋水填料的性能、结构与尺寸的比较分析及室内模拟试验，认为国内常用的几种填料S 波、双斜波、斜折波及双向波都可作为海水塔淋水填料，但宜适当改进。

（2）、根据喷溅装置水力试验结果，反射型喷溅装置的配水均匀性较好，推荐TP-II 型与RC 型喷溅装置作为海水冷却塔的喷溅装置。

（3）、收水器采用PVC 材质的波160-45型收水器或加筋波型收水器的收水效率可以达到国外收水器收水率水平，可在宁海二期工程海水冷却塔中使用。

4、“浙江国华宁海电厂二期2×1000MW 扩建工程海水塔配风配水方案及热力计算研究”

通过对宁海扩建工程逆流式自然通风冷却塔进行二维优化设计计算表明，二维数值模拟计算考虑了塔内气流的二维运动，与一维及拟二维比更科学、合理，用于大型冷却塔优化设计计算是可行的。经过优化，冷却塔出塔水温可降低0.68℃, 配风配水优化结果为：

（1）、配水装置选择反射型喷头，配水分区按方案2，内外区喷头口径选30mm/34mm组合，配水管间距1200mm 。

（2）、淋水填料推荐S 波填料，填料布置以33m 半径分为内外两个区，内区填料高1.25m ，外区填料高1.50m 。

（3）、填料支撑梁顶面标高为12.88m ，喷头出水口标高为15.03m ，配水管中心标高为15.47m ，配水槽内顶标高为15.97m ，两种运行工况的竖井水位分别为16.70m （流量为98022t/h）和15.96m （流量为58813t/h）。