一种多热源的空冷立体配水系统及扇区布置方法

技术领域

本发明涉及冷却水系统，具体涉及一种多热源的空冷立体配水系统及扇区布置方法。

背景技术

火力发电厂需要冷却的设备主要包括主机(通常为两台以上的主机)、小机、辅机以及其他热源，主机、小机冷却系统采用间接空冷系统循环供水系统，每台机组有独立的循环水泵、散热器和循环冷却水管。常规布置方式为每台机采用一座自然通风冷却塔，散热器单层垂直布置在冷却塔外；两台机组配置一座自然通风冷却塔时，两台机组的散热器仍为单层布置，交叉间隔垂直布置在冷却塔外。存在以下不足：辅机冷却系统对冷却水温的要求在非冷季和主机不同，需要采用独立的辅机干冷系统，独立的冷却系统如采用自然通风，受塔型高径比(塔高和底部直径的比值)的限制，风筒高度较低，散热器面积将非常大，经济性很差，一般采用风机供风，常规的布置方式为多段机械通风干冷塔背靠背或呈一字排开布置，如电厂有其他冷却负荷，如烟气降温用冷却水，或电厂附近有其他企业的热源需要冷却时，均和辅机干冷系统类似，分别设多段机械通风干冷塔，风机的噪声和耗电量大。针对电厂的多个需要冷却的热源采用各自单独的冷却设施，各冷却塔之间要留有进风通道，还要避免热风回流。通常，塔间的净距为3～4倍的进风口高度，通常在70m～100m之间，这使得冷却系统在火力发电厂总平面中占地面积大，布置分散，从而增加了管理人员的工作量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中冷却系统的占地面积大、经济性较差的问题，提供一种多热源的空冷立体配水系统及扇区布置方法，能够减少占地面积，提升机组经济性。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种多热源的空冷立体配水系统，包括两种以上热源的冷却系统散热器，各个冷却系统散热器分层上下叠放在同一座自然通风冷却塔外周的进风面；任意热源的冷却系统散热器能够分为若干个扇区，每个扇区的冷却系统散热器设有独立的进水阀、出水阀、排水阀以及排气管，每种热源的冷却系统散热器设置有冷却水热水管以及冷却水冷水管。

作为一种优选方案，任意一种热源的冷却系统散热器分布在同一层或者上下分层叠放。

作为一种优选方案，不同热源的冷却系统散热器能够布置在同一层。

作为一种优选方案，冷却水热水管以及冷却水冷水管连接地下水箱，在地下水箱中设置有输水泵，每种热源的冷却系统散热器对应的地下水箱以及输水泵分别独立设置或者共用一组或多组地下水箱与输水泵。

作为一种优选方案，冷却水热水管以及冷却水冷水管连接膨胀水箱以及循环水泵，每种热源的冷却系统散热器对应的循环水泵各自独立设置，每种热源的冷却系统散热器对应的膨胀水箱各自独立设置。

作为一种优选方案，每种热源的冷却系统散热器独立设置一根冷却水热水管以及一根冷却水冷水管，或者通过联络阀将不同热源的冷却系统散热器的冷却水热水管两两连接，将冷却水冷水管两两连接。

本发明还提供一种多热源的空冷立体配水系统的扇区布置方法，将两种以上热源的冷却系统散热器按照竖向上下分层叠放在同一座自然通风冷却塔外周的进风面。

优选的，辅机冷却系统散热器布置在主机冷却系统散热器的下层，其他热源冷却系统散热器布置在辅机冷却系统散热器的下层，辅机冷却系统散热器、主机冷却系统散热器以及其他热源冷却系统散热器均划分为多个扇区。

相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：类似于辅机冷却这样排热量较小的冷却负荷，通过将多种热源的冷却水系统设置于一座冷却塔内，利用较大排热量的冷却负荷的塔筒高度，可以增加小负荷散热器的通风能力，不仅可以控制散热器的造价，而且取消了风机，没有了风机群噪声和风机的能耗，以一台1000MW机组的辅机冷却需要5台风机，单台风机轴功率按90kW，每年运行5000h计算，每年节约电耗225万度，节能降耗效果显著。将多种热源的冷却水系统设置于一座冷却塔内，不需留出多个冷却塔之间的进风通道，没有热风回流问题，充分利用了间冷塔内外的空地，减少了电厂占地面积，减少了土建工程量。常规的两机一塔的散热器布置形式为两台机组的垂直散热器的扇区互相交叉或某个小散热量的散热器集中布置在一个区域，这种布置形式在环境风较大时，易出现某个部位扇区的散热负荷过大或过小，夏季散热负荷过小，不能满足冷却需求，影响机组经济性，冬季散热负荷过大，则散热器容易发生过冷、冻结；本发明将多种热源的冷却水系统的散热器分层，且沿塔一周布置，适应环境风的影响的能力较强，散热量较大的区域和较小的区域可以相互补偿均衡，能够更好地满足冷却需求和防冻需求。常规的两台机组布置一层散热器，两台机组的散热器交叉布置，甚至于考虑辅机冷却散热器布置在空冷塔内部分区域，当一台机组停运或辅机系统停运，通常会造成冷却塔内的热力场的变化，从而出现冷热不均的现象，影响散热效果和防冻。各热源的散热器分层布置可以克服以上布置形式的问题，一台机组停运，关闭的是一周整层的冷却三角，沿塔周的散热量仍是相对均匀的，有利于散热及防冻。此外，本发明将多种热源的散热器分层布置在冷却塔外，比散热器单层分区域布置，散热器管束根数增多，管束内水流速度小，管束长度缩短，有利于降低水阻，节约循环水泵的能耗。

进一步的，通过多个系统两两之间冷却水管道的联络阀，某一系统停运时循环水泵关停，在非冷季还可以打开联络阀，运行的冷却系统同时利用停运系统的散热器，提高冷却能力，提高机组的经济性；冷季需要防冻时，多个冷却系统对冷却水温的要求趋于一致，可以关闭部分系统的整层散热器，打开联络阀，多个系统合用部分散热器，能够提高防冻的效果。

附图说明

图1本发明多热源的空冷立体配水系统结构示意图；

图2实施例SE风向空冷塔散热器不同扇段散热量比值图；

图3实施例扇段分布图；

图4单层与双层布置不同风向下空冷塔辅机散热量对比图；

图5单层与双层布置不同风向下空冷塔主机散热量对比图；

图6(a)平面分区单层布置静风下纵剖面温度云图；

图6(b)平面分区单层布置静风下横剖面温度云图；

图7(a)平面分区单层布置静风下纵剖面速度线图；

图7(b)平面分区单层布置静风下横剖面速度线图；

图8(a)平面分区单层布置SE风下纵剖面速度线图；

图8(b)平面分区单层布置SE风下横剖面速度线图；

图9(a)平面分区单层布置SE风下纵剖面温度云图；

图9(b)平面分区单层布置SE风下横剖面温度云图；

图10(a)竖向分区双层布置静风下纵剖面温度云图；

图10(b)竖向分区双层布置静风下横剖面温度云图；

图11(a)竖向分区双层布置静风下纵剖面速度线图；

图11(b)竖向分区双层布置静风下横剖面速度线图；

图12(a)竖向分区双层布置SE风下纵剖面速度线图；

图12(b)竖向分区双层布置SE风下横剖面速度线图；

图13(a)竖向分区双层布置SE风下纵剖面温度云图；

图13(b)竖向分区双层布置SE风下横剖面温度云图；

1-辅机冷却系统散热器；2-辅机冷却扇区进水阀；3-辅机冷却扇区出水阀；4-第一辅机冷却扇区排水阀；5-第二辅机冷却扇区排水阀；6-辅机系统冷却水热水管；7-辅机系统冷却水冷水管；8-辅机冷却系统排水母管；9-辅机冷却系统地下水箱；10-辅机冷却系统输水泵；11-辅机冷却系统膨胀水箱；12-辅机冷却系统循环水泵；13-主机冷却系统散热器；14-主机冷却扇区进水阀；15-主机冷却扇区出水阀；16-第一主机冷却扇区排水阀；17-第二主机冷却扇区排水阀；18-主机系统冷却水热水管；19-主机系统冷却水冷水管；20-主机冷却系统排水母管；21-主机冷却系统地下水箱；22-主机冷却系统输水泵；23-主机冷却系统膨胀水箱；24-主机冷却系统循环水泵；25-其他热源冷却系统散热器；26-其他热源冷却扇区进水阀；27-其他热源冷却扇区出水阀；28-第一其他热源冷却扇区排水阀；29-第二其他热源冷却扇区排水阀；30-其他热源系统冷却水热水管；31-其他热源系统冷却水冷水管；32-其他热源冷却系统排水母管；33-其他热源冷却系统地下水箱；34-其他热源冷却系统输水泵；35-其他热源冷却系统膨胀水箱；36-其他热源冷却系统循环水泵；37-冷却系统冷水管联络阀；38-冷却系统热水管联络阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明提出一种多热源的空冷立体配水系统，包括两种以上热源的冷却系统散热器，实施例中有辅机冷却系统散热器1、主机冷却系统散热器13、其他热源冷却系统散热器25，各个冷却系统散热器分层上下叠放在同一座自然通风冷却塔外周的进风面，辅机冷却系统散热器1布置在主机冷却系统散热器13的下层，其他热源冷却系统散热器25布置在辅机冷却系统散热器1的下层，辅机冷却系统散热器1、主机冷却系统散热器13以及其他热源冷却系统散热器25均划分为多个扇区，每个扇区的冷却系统散热器设有独立的进水阀、出水阀、排水阀以及排气管，每种热源的冷却系统散热器设置有冷却水热水管以及冷却水冷水管。冷却水热水管以及冷却水冷水管连接地下水箱，在地下水箱中设置有输水泵，每种热源的冷却系统散热器对应的地下水箱以及输水泵分别独立设置或者共用一组或多组地下水箱与输水泵。冷却水热水管以及冷却水冷水管连接膨胀水箱以及循环水泵，每种热源的冷却系统散热器对应的循环水泵各自独立设置，每种热源的冷却系统散热器对应的膨胀水箱各自独立设置。每种热源的冷却系统散热器独立设置一根冷却水热水管和一根冷却水冷水管，或者通过联络阀将不同热源的冷却系统散热器的冷却水热水管两两连接，将冷却水冷水管两两连接。

上述本发明多热源的空冷立体配水系统当中：

(1)各热源散热量可以相同，也可以不相同；

(2)各热源的散热器型式可以相同，也可以不相同；

(3)各热源的散热器垂直高度可以相同，也可以不相同；

(4)任意一种热源的冷却系统散热器分布在同一层或者上下分层叠放；

(5)不同热源的冷却系统散热器可以布置在同一层；

(6)每个扇区的散热器数量可以相同，也可以不相同。

本发明还提出了一种多热源的空冷立体配水系统的扇区布置方法，将两种以上热源的冷却系统散热器按照竖向上下分层叠放在同一座自然通风冷却塔外周的进风面。各冷却系统包括循环水泵、冷却水供水管、冷却水回水管、散热器、储水箱、高位膨胀水箱。任一热源的散热器可以为一个或分为若干个扇区，每个扇区的散热器有独立的进水阀、出水阀、排水阀、排气管；各热源对应的散热器的地下储水箱、充水泵、补水泵可以各自独立，也可以合并共用一组或多组水箱、充水泵和补水泵。各热源的冷却水系统的循环水泵组各自独立，高位膨胀水箱各自独立；每种热源的冷却系统设一根冷却水供水管及一根冷却水回水管，各冷却系统的冷却水供水管、冷却水回水管可以完全独立，也可以两两之间设联络阀；各系统的冷却水供水管和冷却水回水管连接至各对应的设置在冷却塔塔周进风面的散热器。以两台机组的散热器分层垂直叠放布置在冷却塔外周为例，布置形式为一层为1号机组的散热器，二层为2号机组的散热器，一层散热器与1号机组的供、回水管相连，二层散热器与2号机组的供、回水管相连；依此类推，多个热源设置多层的散热器及其对应的循环水供、回水管。本发明的布置方式可将多台需要冷却的主机、辅机冷却水系统以及其他冷却水系统的散热器设置在一座空冷塔内，没有风机的噪音和能耗，不需留出多个冷却塔之间的进风通道，没有热风回流问题。充分利用了间冷塔内外的空地，减少电厂占地面积，减少土建工程量；各热源散热器沿塔周整层布置，适应环境风的影响的能力较强，散热量较大的区域和较小的区域可以相互补偿均衡，满足冷却需求和防冻需求；个别系统的散热器停运，沿塔周的散热量仍是相对均匀的，有利于散热及防冻。且有利于降低水阻，节约循环水泵的能耗。

辅机冷却系统散热器合并布置到主机自然通风冷却塔内，以往工程都采用的是散热器单层布置，辅机冷却系统散热器占用1～2个扇区，集中布置。这种布置形式配水管系统比较简单，但有两个很大的局限性。一是在环境风的影响下，各扇区的散热能力变化很大，以图2为例，在环境风为4m/s时，如果辅机冷却系统散热器集中布置在第一象限的1～3扇区，在SE风向下，散热量只能达到设计值的70％左右，辅机冷却水对水温的要求比较严格，出水温度超过38℃时，会引起辅机报警，甚至停运；在冬季出现NE风时，又会出现过冷，散热量到设计值的130％，如果为了满足夏季的出力加大辅机散热器的配置数量，冬季防冻的难度更大。二是主机和辅机的冷却水流量和冷却温升有差异，各个扇区的空气流量和空气温升差异也很大，在静风和有风时，都会带来塔内气流的不平衡和紊乱，增加冷却塔的阻力。

以辅机冷却系统散热器合并布置到主机自然通风冷却塔内的布置形式为例，考虑散热器按竖向上、下分层布置，其中主机小机冷却三角布置在上层，辅机冷却三角布置在下层。该种布置方式可以有效地缓解环境风对综合散热性能的影响和散热量差异对塔内流场的影响。

针对不同冷却系统的散热器按平面分区单层布置和竖向分区双层布置进行初步的数值模拟分析对比。

空冷塔散热器平面分区单层布置：辅机冷却系统散热器位置为1号扇段到3号扇段，共3个扇段；主机及小机散热器位置为4号扇段到12号扇段，共9个扇段。

空冷塔散热器竖向分区双层布置：散热器分为两层，下层为辅机，上层为主机。上下两层分别分为12个扇段。

具体扇段的命名如图3所示。

散热量比值为不同风向下空冷塔总散热量与平均总散热量的比值，不同风向下空冷塔辅机散热量对比计算结果见图4，不同风向下空冷塔主机散热量对比计算结果见图5。

从图4可以看出，不同冷却系统的散热器按竖向上下分层布置时，在不同风向下，散热量较大的扇段和散热量较小的扇段相互补偿，各风向总的散热能力非常接近；而不同冷却系统的散热器按平面分区单层布置时，受环境风的影响非常大，综合散热量在0.8～1.15之间变化，辅机冷却水对出水温度的要求比较严格，在风向为SE和W、S风时，需加大散热器配置数量，才能满足要求，在冬季出现NE、NW、E风向时，散热量又过大，增加冻害的风险。

从图5可以看出，不同冷却系统的散热器按竖向上下分层布置时，在不同风向下，散热量较大的扇段和散热量较小的扇段相互补偿，各风向总的散热能力非常接近；而不同冷却系统的散热器按平面分区单层布置时，受环境风的影响非常大，综合散热量在0.8～1.15之间变化，在风向为NE和N风时，这个区间迎风侧没有布置主机的冷却扇区，综合冷却性能下降得非常多，需要增加其他扇区的散热面积，才能满足基本的冷却要求，在冬季出现E、S、SW、W风向时，散热量又过大，增加冻害的风险。

不同冷却系统的散热器按平面分区单层布置,风向为SE和W、S风时，辅机冷却系统的散热不能达到要求，在风向为NE和N风时，主机冷却系统的散热不能达到要求，如果不增加散热器的配置规模，对主机运行的经济性和辅机运行的安全性影响很大。如果加大散热器配置规模，在冬季出现NE、NW、E风向时，辅机散热器的防冻难度加大，在冬季出现E、S、SW、W风向时，主机散热器的防冻难度加大。不同冷却系统的散热器按竖向分区,可以很好地解决这个矛盾。

空冷塔流场的对比：平面分区单层布置方案计算云图中，纵剖面为NE方向，穿过辅机2号扇段；横剖面为5米高度处平面。计算结果见图6(a)，图6(b)，图7(a)，图7(b)，图8(a)，图8(b)，图9(a)，图9(b)。竖向分区双层布置方案计算云图，纵剖面为NE方向，穿过2号扇段；横剖面为5米高度处平面。计算结果见图10(a)，图10(b)，图11(a)，图11(b)，图12(a)，图12(b)，图13(a)，图13(b)。

从以上计算云图可以看出：

不同冷却系统的散热器按平面分区单层布置时，不论在静风条件下还是在有风的情况下，塔内的温度场和速度场都呈现非常大的差异，气流紊乱失衡，对烟气排放扩散也非常不利。

不同冷却系统的散热器按竖向分区双层布置时，不论在静风条件下还是在有风的情况下，在冷却塔内进风口区域，空气进行混合整流后，塔内的温度场和速度场都呈现较好的均匀性和对称性，塔出口气流向上，利于烟气排放扩散。

以上初步计算分析了静风和4m/s风速时不同扇区的散热器性能和塔内流场的变化情况，就可以看出不同冷却系统的散热器按竖向分区双层布置比按平面分区单层布置适应不同环境风向的能力较强，不需额外增加散热面积，也利于冬季防冻运行，塔内的温度场和速度场的均匀性和对称性好，可降低塔内阻力，利于烟气排放扩散。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围之内。