技术原理

在旋流造涡原理的基础上,结合冷却塔实时工况运行数据,进行仿真模拟试验,通过大量的实验研究、数据分析,找到微米级液滴直径径向分布及切向分布与旋流收水器收水率的函数关系、机理及规律,研究湿式冷却塔循环水提效技术,针对不同边界条件设计最优收水器结构尺寸以及依据冷却塔内流场定制排布不同性能新型收水器,增高节、导流环网、除水罩等从而整体实现最优的节水效果。具体原理如下:

(1)新型旋流导叶节水装置

利用旋流碰撞机理,针对冷却塔不同边界条件(直径液滴、风速等)设计最优收水器结构尺寸。由于结构的影响会对流体的流场产生影响,所以对收水器结构的设计,在保证气流阻力不大于波纹板的情况下,使带水滴的蒸汽尽可能地与收水器的壁面产生接触,使水汽中的液滴尽可能多的被回收。通过FLUENT数值模拟软件优化收水器结构,通过对比压降、速度、收水率等数据,确定最佳效果的收水器结构参数(如图1所示)。

图1 新型旋流节水装置结构图

(2)增高节

该增高节装置与新型旋流节水装置结构相似,位于导管内壁上的四个导叶呈圆周状均匀排列在导管内壁上,导叶的形状呈螺旋状向上扭曲。冷却塔内湿热气流通过导管时由四个导叶改变气流方向,形成气流旋涡。套筒外壁直径略大于导管外壁直径,套筒内壁直径与导管外壁直径相当。

增高节装置与新型旋流节水装置上下嵌套使用,形成不同高度的增高节装置,依据冷却塔内空气流场沿径向分布不同而进行排布,从而达到节水目的。

(3)除水罩

采用三维立体织物设计,通过复杂的网状结构和合理的气流导向设计,有效地增加水滴与织物表面的接触面积,使得更多的雾气分子有机会被捕获并凝结成水滴;同时利用超高分子量纤维和大分子量纤维的疏水特性,及除水罩的开口设计,在不改变原有工况的条件下使回收的液滴更容易滴落回冷却塔内,进一步达到节水效果。

(4)导流环网

安装于机械通风冷却塔出风口环流罩网,可以将向外涡流的风机出口改变为向内涡流形式,提高液滴碰撞聚并和回落,从而提高节水率。

(5)冷却塔实时水量监测系统

将通过加载在线流量、温度、湿度、风量、环境温湿度等设备的参数,实时动态监测冷却塔运行信息,接入DCS系统;对目前生产过程中加装仪表存在的安装与通讯问题,将采用超声波流量计采集现场数据,对用水环节自动监控。基于5G通讯、无线网关、计算机、网络通信的集成技术,将实时数局上传云端,实现实时监测、数据统计与分析、取水计划管理与控制,从而落实最严格的水资源管理制度提供技术支撑,促进水资源可持续发展和节约用水。系统主要由:计量、通讯、存储及应用四部分组成。物理架构如图2所示。

图2 物理架构图

关键技术

利用旋流造涡机理,结合实时冷却塔监控系统采集的运行数据,进行仿真模拟试验,研究湿式冷却塔循环水提效技术,针对不同边界条件设计最优收水器结构尺寸以及依据冷却塔内流场定制排布不同性能新型收水器,从而整体实现最优的节水效果。

(1)冷却塔实时水量监测系统的建立;

(2)基于CFD的旋流收水器仿真设计,对不同结构参数收水器对流体动力学条件的影响的模拟及校核;

(3)流体相似理论的实验测试平台搭建;

(4)新型旋流收水器、增高节、导流环网、除水罩等的产品化、可定制化。

主要技术参数

1.较波纹板收水器的节水量提高20%-30%;

2.材料的物理和化学性能优于波纹板收水器;降低设备维修费用和更换频率,使用寿命可达8年以上。

技术产品特点

1.辅助节水装置创新:在新型旋流节水装的基础上,新研发了增高节、除水罩、导流环网等辅助节水装置。

增高节:增高节装置与新型旋流节水装置上下嵌套使用,形成不同高度的增高节装置,依据冷却塔内空气流场沿径向分布不同而进行排布,从而达到节水目的

除水罩:采用三维立体织物设计,通过复杂的网状结构和合理的气流导向设计,能够有效防止机械通风冷却塔风筒出口周围产生羽雾,进一步降低冷却塔水资源的消耗。

导流环网:安装于机械通风冷却塔出风口环流罩网,可以将向外涡流的风机出口改变为向内涡流形式,提高液滴碰撞聚并和回落,从而提高节水率。

2.工艺过程创新:依据塔型、风速、温度、压力等运行工况,可实现定制型的架构设计,实现塔内两相流体的科学运行,形成了有利于提高节水效率的运行环境。

3.冷却塔实时水量监测系统:将流量监测数据、标准发电量与实时耗水量、煤耗、排污水量、工业采水总量等数据进行综合分析;水平衡流量计的精度具有二级表校验,流量计量的准确率达到95%以上,流量变化的实时响应速度在1秒以内。

应用现状(或与该技术相关领域的能耗现状)及产业化情况

截止2024年底,新型旋流节水技术实现3700㎡的双曲线冷却塔,3372㎡的机械通风冷却塔实施应用,年节水量可达185.6万吨,节水效果明显,新型旋流导叶节水装置回收水量比原节水量提高20%-30%。

应用领域及适用范围

该技术装备适用于火电厂水冷机组双曲线自然通风冷却塔,以及化工、冶金、食品、水泥等的逆流式机械通风冷却塔。

节能减排效果(测算方法及依据)

节约1千克标准煤=减排2.493千克“二氧化碳”=减排0.68千克“碳”

节能量/年(吨标准煤/年)

以霍煤鸿骏“火电厂冷却塔新型节水系统的研制与应用”项目为例,在原有工况不变的情况下,新型旋流导叶节水装置安装后,循环水温度降低1.07℃,按照年运行5000小时计算,以鸿骏铝电150MW机组为例(该机组实际发电负荷为13.5万kw),可节约煤耗:

135000*5000*1.07*(0.3+1.0)/2/1000000=469吨。

碳减排量/年(吨二氧化碳/年)

由于新型节水装备具有节省煤耗的效果,由此对燃煤所产生的颗粒物、废渣排放、二氧化碳及碳排放量也会有相应比例的降低。

根据节约1千克标准煤=减排2.493千克“二氧化碳”=减排0.68千克“碳”的计算公式可以算出:

二氧化碳减排量为:469吨*2.493千克=1169.21吨

碳减排量为:469吨*0.68千克=318.92吨

已实施的典型案例情况

案例名称

火电厂冷却塔新型节水系统的研制与应用

案例地点

内蒙古霍林郭勒市

应用单位

内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司电力分公司

设计单位

内蒙古达智能源科技有限公司

主要设备

新型旋流导叶节水装置、冷却塔实时水量监测系统

技术原理

1.基本原理

新型旋流导叶节水装置内部增加的导叶结构,改变了流出湿空气的流动状态,加速气流的旋转,造成了气体动程上的增加,由层流变为湍流,增大了液滴之间的碰撞几率,使直径较小的液滴快速碰撞融合成直径较大的液滴,打破“临界水”的汽液平衡状态。水蒸气中的水分子及微小液滴(如图3所示的5-50微米的液滴)碰撞集聚成大液滴被新型旋流导叶节水装置收集,由于发生聚并的水分子及微小液滴的直径较小,从而收集到了波纹板无法收集到的水。

图3 液滴直径与新型旋流导叶节水装置收水率关系预拟合曲线

2.结构原理

在收水器结构设计仿真模拟过程中,首先通过参考查阅文献设计了几种结构,其中包括变化外部结构(圆筒形、六棱柱型、其它多边性等)、导叶形状(直形、螺旋型等)、导叶截面形态(翼型及矩形等截面)及数量(单导叶、双导叶等),对每种形状的轴向静压、截面静压、轴向动压、壁面处轴向静压、壁面处轴向动压、横截面速度、竖截面速度等进行模拟。通过实验比较不同形状收水器中心压降、中心速度、切向速度等参数,优选圆柱型收水器,螺旋导叶的结构。该设计原理能够实现节水理论中提出的指标。

图4 模型结构图

2.1液滴轨迹

通过对波纹板及新型旋流收水器内液滴的颗粒轨迹的模拟。饱和湿空气经过波纹板后向上是平直气流状态(如图5);经过新型旋流收水器由于导叶的作用,空气变为旋转的湍流状态,离开收水器后,涡不会立刻消失。

图5 新型旋流收水器及波纹板收水器内液滴颗粒轨迹图

2.2 FLUENT模拟优化

液滴碰撞、破碎直接影响到最终液滴的尺寸和散布,运用FLUENT软件,对涡流涡环境下液滴碰撞机理进行研究,基于涡流环境下液滴聚并机理,指导新型纤维复合材料旋流收水器结构设计,经过模拟优化,考虑压降及速度,同时综合考虑实际安装和制造成本,最终确定旋流收水器的结构。

2.3监测系统原理

冷却塔内为湿热环境,本技术采用无线独立分布式监测节点,配置具有防水、防湿、防腐蚀性能的多种类型传感器,监测塔内环境参数以及水量参数,采集数据通过无线传输方式传送到系统平台。根据关键测点的实时数据、历史数据、关联数据等搭建环境监测与水量监测系统,使之具备实时监测、数据存储、数据分析等功能。

3.关键技术

(1)提出收集临界态5-50微米的液滴的方法,基于漩涡环境里,通过研究液滴大小对其运动的影响及其相互碰撞所产生的变化以及得到的液滴直径、风速与涡流大小三者之间的关系,进而改变气液两相流体的运动状态,提高液滴的聚并几率加大液滴动程来达到收集容易随风逃逸的5-50微米的临界态液滴。

(2)收水材料配比创新,采用玻璃纤维增强聚丙烯复合材料,减小了收水器重量,提高了装置的抗弯强度、拉伸强度,增加了抗静电能力、导热性能、提高吸水性。克服传统PVC材质的易老化破损的缺点,延长更换周期;

(3)新型旋流导叶节水装置的结构采用直径为400mm,高度为200 mm,导叶宽度为150mm,4个导叶有利于涡流环境下液滴聚并,单体采用组态化设计,便于调压、泄流和安装。

(4)依据塔型、风速、温度、压力等运行工况,可实现定制型的架构设计,实现塔内两相流体的科学运行,形成了有利于提高节水效率的运行环境。

(5)开发了基于5G+智慧电厂实时动态水平衡系统,实现冷却塔节水和工况监测。

4.工艺流程

4.1 材料配比

为克服传统材料的耐热性差、易损坏、寿命短等缺点,考虑使用比重小、比强度和比模量大的复合材料。本设备采用耐热性、耐湿性、耐有机溶剂性、耐腐蚀性更具优势,而且质量更轻的聚丙烯树脂作为基体,选用玻璃纤维作为增强体,材料的抗冲击强度和热变形温度等参数更优,能够有效增加强度及延长更换周期。

图6原料(粒料)预热及干燥

4.2 注塑成型

由于金属材料抗腐蚀性普遍较低、密度相对较大不满足重量要求,传统PVC材料力学性能及刚度一般,考虑到收水装置的形状、实际加工性、产品数量及效率等因素,本项目采用短切玻璃纤维增强聚丙烯基体对收水器进行注塑复合。新型旋流导叶节水装置采用注塑模具一体成型技术,保证收水器力学强度足够。注塑成型首先根据抑菌试验、力学性能等试验的要求,将原料及配料按比例进行混合。注塑成型加工的过程包括加料、加热塑化、合模、加压注射、保压、冷却定型、开模、脱模(制品取出),加工过程示意如下图。

图7 加工注塑过程示意图

4.3 模块组装

在收水器安装区域要安装几千个新型复合材料收水器。为了便于施工操作,对单个收水器之间的连接部位进行结构设计,在保证基本力学性能的基础上,收水器结构上进行了如下设置:

(1)加自适应卡扣用来进行收水器之间的固定;

(2)立柱式连接挡板则承担纵向的弯曲受力;

(3)为进一步保证连接,收水器间加装了一定直径的螺丝,保证收水器连接的整体效果;

(4)底部铺设玻璃钢托架保证设备的强度。

如图8所示为新型旋流导叶节水装置连接示意图。图9所示为玻璃托架及收水器安装图。

图8 连接模型示意图

图9 玻璃托架及收水器安装

4.4水监测系统的设计

循环水监测及数据分析系统包括塔内环境监测子系统:包含2路无线温度采集节点,2路无线大气压强采集节点及2路无线风速采集节点。该子系统只有在接受到发送指令后,LoRa单元才进入发射高电流状态。考虑到后续产品续航升级,本子系统电池全部采用外挂,以便于更换电池,而不影响设备运行。进水、回水及补水水量监测子系统:其中,进水、回水管,运行期间,水量都为满管状态,考虑到现场施工条件,提高施工便利性,采用外夹式超声波流量计,检测水的流动速度,辅助温度探头对流速进行修正,本地微控制完成节点上的流速,流量累计存储,并接收来自上位机的指令,完成数据上传。对于补水管,由于存在非满管情况,采用多普勒流量计,完成流量测量和采集,本节点具有本地微控制器,辅助水温探头完成数据修正。

基于该监测平台的建立,能够实时监测现有工况、收水数据,为评价系统工作状态及节水效率提供可靠的数据依据。通过以上功能可以实现循环水流量的实时调节。

图10系统实际运行界面

主要节能技术参数

1.较波纹板收水器的节水量提高了20%-30%;

2.材料的物理和化学性能优于波纹板收水器;降低设备维修费用和更换频率,使用寿命可达8年以上;

3.可实现循环水系统降温0.5-1℃,良好的降温能够达到节煤降碳的效果。

以内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司电力分公司150MW汽轮发电机组的双曲线冷却塔(淋水面积1850㎡)为例,#5冷却塔和#6冷却塔规格一致,#5冷却塔进行新型旋流节水系统改造,#6冷却塔仍采用旧式波纹板收水器,经过现场实测,节水对比如下:

现场对2个冷却塔分别采用容量为1000ml的标准量杯测量水样采集桶的收集节水量。试验持续时间为6小时。水样采集桶测量数据整理结果见表1和表2(按机组年运行8000小时折算)。

表1 指定点水样采集桶收收水量

表2 随机点水样采集桶收收水量

案例特点

冷却塔内安装收水器的目的是为了降低水损失。该厂收水器为PVC材料生产制作的波纹板收水器,该收水器在实际运行环境中维护成本高、收水效率较低、材料易损坏脱落,造成水资源的大量浪费;缺乏冷却塔循环水运行数据监测设备、监测精度低,主要依靠经验数据的方式缺乏一定的科学性。未从整体能耗角度对水冷塔运行情况进行数据监测与挖掘。

应用效果(年节能减排效果及经济效益)

该厂#5自然通风湿式冷却塔安装新型旋流节水装备后,与未安装前对比,年增加节水量23.85万吨,按照当地的综合水价4.7元/吨,每年节水收益112万元。

新型旋流节水器形成的特殊气液两相流,有利于气液两相流粒子的碰撞、聚合,尽可能的聚集了大液滴,使得参与换热的水量增加,从而提升塔内换热效果,对该厂冷却塔循环水降温经厂内运行一年数据统计,降低了0.5℃以上的循环水端差,发电煤耗能够降低0.5g/kw•h(根据煤耗标准公式,循环水温度每降低1℃,每发电1kw.h,系统可降低煤耗1g),按照年运行5000小时计算,该机组135000*5000*1.07*(0.3+1.0)/2/1000000=一年可节近469吨标煤,按照煤炭480元/吨计算,使用新型节水系统一年预计可节省约469吨*480元/吨=225120元。

其使用寿命至少比波纹板延长两倍以上,能够保证8年免维护(传统波纹板收水器受材质影响,2年内基本失效),因此节约相应更换及维护费用约10万元/年。具体成本组成见表3。

表3 投资静态回收周期计算表

综上,采用新型节水系统每年直接产生经济效益约140万元。项目整体投资回报周期为3年。

装备采用新型玻璃纤维增强聚丙烯材料代替传统PVC,并添加抑菌因子,采用注塑工艺制作,拉伸、抗弯曲性及湿热老化性能极大增强,满足了冷却塔内湿热环境对收水器材料性能的要求,克服传统PVC材质的易老化破损的缺点,增加强度及延长更换周期,添加抑菌因子可提高循环水水质。

在收水过程中流体状态变为涡流,小液滴在聚并为大液滴时释放热量,故而大液滴回落到冷却塔内水温降低。在火电厂双曲线冷却塔中使用,循环水出水温度降低,可间接降低机组的发电煤耗,达到节煤效果;在机械通风冷却塔中使用,降低循环水温度,进而调控风机电机频率,间接节省电能。

综上所述,在提高节水效率、提高使用寿命、节煤节电、改善水质等方面具有较为明显的优势。

下图为施工前后对比图:

施工前

施工后

适用范围/应用对象

该技术装备适用于火电厂水冷机组双曲线自然通风冷却塔,以及化工、冶金、食品、水泥等的逆流式机械通风冷却塔。

目前已实施案例数量

18

其他案例

国内案例：山东京博众诚清洁能源有限公司节水系统改造项目

项目地点：山东京博石油化工有限公司

省内案例：东兴化工水汽车间PVC循环水冷却塔新型旋流节水系统改造项目

项目地点：伊东集团东兴化工有限责任公司