CN102374801B - 驭风空冷塔 - Google Patents

Abstract

驭风空冷塔，本发明属于热交换领域，特别涉及以空气为冷却介质的自然通风空冷式发电的空冷塔装置。当地面10米高程风速达到每秒4米以上时，将使空冷塔底部圆周外围的大气压力出现数十帕斯卡的差异，严重破坏了空冷塔圆周方向进风的均匀性，进而严重影响空冷塔冷却效果和空冷式发电经济效益。本发明采用在空冷塔内构造分径向分隔幕、单元格、中心风筒、出气门及出气格结构，对空冷塔内及出口空气流场进行隔风整流，并引入空冷上部塔侧、背风面的负压，改善现行自然通风空冷塔在风环境下，进风严重不均匀且风量减少的状况，以充分利用自然通风空冷塔，不需要动力装置驱动冷却空气的优点，降低空冷式发电的能耗和成本。

Description

驭风空冷塔

技术领域

本发明属于热交换领域，特别涉及以空气为冷却介质的自然通风空冷式发电的空冷塔装置。

背景技术

由于水资源的日益短缺，利用空气通过金属表面直接或间接冷凝汽轮机乏汽，能大幅降低火力电站和核能电站用水量的空冷式发电，正在世界各地尤其是中国日益兴起。

由于自然通风空冷式发电没有机械通风空冷发电的风机电耗，而是利用穿过散热器后温度升高，热空气密度降低产生的升力，不断的抽取散热器前面的冷空气穿过散热器带走散热器散发的热量，具有更好的经济效益，人们从感情上更倾向于自然通风空冷式发电，所以在我国最初引进的空冷式发电装置，大多是自然通风型的空冷电站。

然而由于中国三北地区正好处于北半球西风带上，一年累计吹风时间，有的地区长达数千小时，当地面10米高程风速达到每秒4米以上时，将使直径100余米左右的空冷塔底部圆周外围的大气压力出现数十帕斯卡的差异：迎风面空气压力比无风时高8帕斯卡以上，背风面低于无风时6帕斯卡以上，在空冷塔两侧，由于风速最高，其大气压力更低于无风时的大气压力15帕斯卡以上，使空冷塔沿周方向出现数10帕斯卡以上的不平衡，严重破坏了空冷塔圆周方向进风的均匀性。

在塔内下部，在如图1，图2所示的塔的下部，迎风面的风在高风压的作用下，吹过百叶窗和换热翅片管，在塔内底部形成大范围的平面播散运动，甚至直接吹向空冷塔背风面和侧风面的换热翅片管背面，使塔内压力升高，降低背风面和侧风面散热器的进风压差动力，不仅严重减少冷却空气进入侧风方位和背风方位散热器的流量，大大降低空冷效果；而且由于强制吹进的风，其温升远低于设计值，其密度相对更高，在空冷塔内不能形成应有的抽风能力，又严重降低空冷塔的抽风能力，进而降低整个空冷塔的冷却效果，导致汽机背压升高，为安全计，这时空冷电厂只好降低有时甚至大幅度降低发电负荷，使本来经济效益就不如湿冷发电的空冷式电厂处于效益更不好的运行状态。

在塔顶，大风的出现不仅破坏热空气在塔出口的上升流动，而且由于塔外风的温度通常低于塔内10℃以上，密度大于塔内，致使每秒4米以上风速的空气，在吹越塔顶直径数十米乃至百余米不受阻挡的自由行程内，在塔顶出现下沉流动，甚至是向下流动，进而增加，有时甚至严重增加塔内热空气在塔顶的出口阻力；同时下沉的冷空气与上升的热空气混合，既降低上升热空气的温度，又低热空气的有效高度，进而又降低空冷塔的抽风能力。

由于空气热容低，空冷式发电需要的冷却空气量十分巨大，大中型空冷塔下面周围布置的散热器和空冷塔出口直径通常都在一百米左右的大尺度范围；空冷塔的绝对高度通常必须在一百米以上，否则，热空气在空冷塔产生的抽力就不足以克服冷却空气穿过换热翅片管形成的阻力，驱使设计所需要的巨量冷却空气，来移走汽机排出的蒸汽在翅片管内冷凝而放出的潜热。

由于现行空冷塔巨大的自由出口和内部从塔底到塔顶的巨大自由空间，为自然风从塔顶自由进入和塔底进风在塔内大范围自由流动提供了条件。所以现行的自然通风型空冷塔的热力抽风流场极易受到环境风的破坏，而恶化凝汽式发电机组的冷端效果，严重降低其空冷式发电的经济效益。

由于空冷电厂环境自然风的客观存在，和现行空冷塔空冷塔仅仅适合无风或微风环境的结构，导致了这类自然通风的空冷式发电厂仅在我国陕西大同、太原、阳城和内蒙丰镇几个地区，总计建设了9套共计2200Mw装置，还不到我国空冷电厂总量的3％的规模。

发明内容

本发明的目的就是向社会公开一种能克服，现行自然通风空冷塔在自然风环境下，进风严重不均匀缺点的驭风空冷塔，以充分利用自然风的特性和自然通风空冷塔，不需要动力装置驱动冷却空气的优点，降低空冷式发电的能耗和成本。

本发明涉及一种驭风空冷塔，包含散热器、风筒、进风口和顶部出风口，其特征在于：在空冷塔的底部设置中心风筒2，中心风筒2由小隔幕7围成筒形，设置以小隔幕7为起点，以散热器3为终点的径向分隔幕4，将空冷塔内的圆形空间，分隔成若干个使风互不流动的单元格5，径向分隔幕4和小隔幕7的高度是由空冷塔内地面起至风筒1顶部，小隔幕7的数量与单元格5的数量相同，风筒1顶部的每一个单元格5及风筒顶部的中心风筒2被分隔成若干闭合垂直面9构成的出气格6，在出气格6下部的风筒1的上部区域设置出气门I，组成每一个单元格5的小隔幕7的下部设有进风门8。

本案的驭风空冷塔结构特征a是：如附图3所示，在空冷塔的底部设置中心风筒2和设置以小隔幕7为起点，以散热器3为终点的径向分隔幕4，将空冷塔内的圆形空间，分隔成若干个使风互不流动的单元格5，分隔幕4的高度是由地面起至风筒1顶部；

本案的驭风空冷塔结构特征b是：将风筒1顶部的每一个单元格5及中心风筒2再分隔成若干更小的具有闭合垂直面9的出气格6，每个出气格6的通气截面积可在3～10平方米，组成出气格6的闭合垂直面9的高度为出气格6周长的1～2倍。

本案的驭风空冷塔结构特征c是：中心风筒2由数量与单元格5相同的小隔幕7围成筒形，与每一个单元格5之间的小隔幕7的下部设有可以开或闭的进风门8。

本案的驭风空冷塔的结构特征d是：在出气格6下部的风筒1的上部11区域，设置出气门I，出气门的形状可以为附图8所示的上下旋转开闭的门式结构，可以为附图9所示的上下开闭的卷帘门结构，可以为附图10所示的左右开闭的推拉门，或圆门等结构。

本案的驭风空冷塔的结构特征e是：径向分隔幕4和小隔幕7及出气格垂直面9的构造为纤维织物，承载纤维织物的构造为缆索。

本案的驭风空冷塔的结构特征f是：采用上述结构的驭风空冷塔的外形形状可以为圆筒形、双曲线形、椭圆形、腰形、多边形或矩形。

本案的驭风空冷塔的结构特征g是：中心风筒2的面积约空冷塔内面积约为1／13，其的下部设计为扩大结构，其直径为中心风筒的2～3倍，或面积为空冷塔内圆面积的1／13～1／3，用以满足布置烟气脱硫装置的占地需求。扩大部份的高度以能布置其烟气脱硫装置即可，约为散热器高度的30％～130％。

采用具有上述结构的驭风空冷塔的空冷塔具有以下积极效果。

采用上述具有单元格5结构的驭风空冷塔后，一年四季任意方向的强风吹过塔底的散热器3进空冷塔1后，由于塔底分隔幕4的存在，就不可能播散性的吹向分隔幕以外的其它位置的散热器，阻碍其它散热器的冷风吹入，降低其冷却效果。这样，任意方向的进风都只能在分隔幕限定的单元格范围内向上流动。

设置单元格5可有效降低空冷塔迎风面的进风量。空冷塔迎风面风压高，初始动能大，虽有百叶窗10的控制，通常还是会进风多，与散热器接触时间短，其温升相对低，密度大，其热力抽风能力减弱，且不可能挤占其它散热器进风的上升空间和降低其它散热器所进风的温度，只能在自己的单元格里上升，加之阻力与流速的平方关系，所以设置单元格后，迎风面的进风在空冷塔的出口，其动能损失将明显增加，两种削弱进风量因素共同作用，可有削弱低空冷塔迎风面的强制进风量。

设置单元格5有利于侧风方位的散热器增加进风量。空冷塔侧风方位，风沿空冷塔切线流动速度快近一倍，使散热器进风压力低于无风时段，由于分隔幕的存在，没有其它方向进风的干扰。虽然风压低的侧风方位的散热器的进风少，风速低，但塔出口动能损失小，加之流量相对小，在其散热器中滞留时间长，温升相对高，密度低，升力大，两项增加进风量因素的共同作用，其相对抽风能力，将会没有分隔幕明显增加，其冷却效果得到改善。

设置单元格5有利于背风方位的散热器增加进风量。空冷塔背风面风压低于迎风面，进风相对少，温升相对高，由于分隔幕的存在，既不能与其它的入塔进风交换热量，降低温度，也没有迎风面吹来的播散风的阻碍，其抽风能力也将比不设单元格强；

所以，在塔底采用径向分隔幕4设置单元格5结构后，有效削弱了穿过散热器的迎风面大风对其它散热器进风的阻碍，能有效提高整个自然通风空冷塔的进风均匀性和进风量，尤其对增加空冷塔在夏天的冷却效果十分有益。

采用上述具有出气格6结构的空冷塔出口结构后，由于出气格6垂直面9的存在，不仅有效阻滞了空冷塔顶部的水平大风，在穿越塔顶时进入空冷塔向下流动的趋势，而且有效消除了空冷塔内上升的热空气，与吹入的冷空气间的的大范围混合，而降低热空气升力的有害作用，保证了空冷塔内热空气的有效高度和抽力；

由于出气格6当量直径小于空冷塔数十倍，热空气在其中的雷诺数也小于原空冷塔热空气上升流动的雷诺数数十倍，因而减小了热空气的内能消耗，同时出气格的分隔作用，还将原空冷塔大尺寸紊乱的空冷塔出气流场，直接整理成了平行上升运动的羽状出气流场，这对在大风环境下运行的空冷塔保证其抽风能力也十分有用。

由于穿越塔出口直径区域的水平风路径长，要吹动的塔出口热空气多，相对阻力大，其风速自然会降低，而穿越空冷塔出口边沿区域的水平风路径短，要吹动的塔出口热空气少，其流速自然快。

由此可知，吹越空冷塔顶部截面的水平风速，是与风向平行的空冷塔出口直径对称分布的，其风速与空冷塔平行风向的直径的垂直距离成正比。由流体力学理论可知，流速越高，垂直于流动方向上的压力就越低，接近空冷塔侧风方向的的塔顶风速高，其垂直于流动风向上的压力就相对更低，在采用了本案出气格结构的空冷塔后，这一低压作用，将有利于减少由空冷塔侧风区域出气格流出的热风阻力，增加侧风区域散热器的进风量，改善其散热器的冷却效果。

中心风筒2结构的设计，进一步改善了侧风方位的进风量和和传统空冷塔中央冷空气下沉的状况。由数量与单元格5相同的小隔幕7围成圆筒形中心风筒2，设计面积与一个单元格相当。

当把与侧风方位相隔的小隔幕7下部可以开闭的进风门8打开后，侧风方位的单元格的温度相对更高的热风就会进入中心风筒，利用中心风筒的上升通道升入塔顶，这不仅使侧风方位的进风有更大的升气截面，使气流速降低，热风在空冷塔出口的动能损失减小，进而增加进风量，改善侧风方位的散热器的冷却效果，而且由于中心风筒出口气温度高，还有效解决了传统空冷塔，顶部冷空气从塔中央下沉流动的难题。

如图5所示，将侧风方位单元格相关的4个小隔幕7下部的进风门8打开后，4个侧风方位的单元格就增加了四分之一的升气截面，理论计算表明，其出口动能消耗将减少36％。

在风筒11区域设置出气门I将实现空冷塔在自然风环境下，空冷塔进风均匀。根据流体绕流圆柱体的流体力学和空气动力学理论及风速随高度变化的统计规律计算，当地面10米高度风速4m／s风速时，由于风速随高度增加的客观规律，将致使塔筒侧风面和背风面上部100米位置的压力将比下部的压力减少69Pa。

由于这一低压值的存在，出气门打开后，将使该单元格从底部升上来的热气从开启的出气门大量迅速流出，由于流体内部压力的传递作用，将使该单元底部的压力明显降低，从而使该单元格的散热器进出口压差和进风量大幅增加，冷却能力效果得到彻底的改善。

由于空冷塔100米高处侧风面、背风面在风环境下的增加的负压值，与散热器在无风环境正常运行的通风阻力大体相当，根据散热器的通风阻力与风量的关系可知，采用在空冷塔上部适当位置开启出气门后，将使其散热器前后的压差大于无风环境的进风压差，一倍左右，增可加风量50％左右，完全超额弥补了侧、背风面的自然风带的进风量减少的不利影响。所以实际操作中，可以通过调节侧风面至背风面不同方位角上单元格散热器进口百叶窗的开度，或空冷塔上部的出气门的开度，来调节对应单元格散热器的进风量，以保证空冷塔的正常运行。

采用本案设计的驭风空冷塔结构后，由理论分析和计算可知，在3～19m／s风速条件下，将使现有空冷塔的进风不均匀性由±40％以上减少到±5％以下，并同时有效增加空冷塔的进风总量，从而可有效降低汽机背压并减小其波动幅度，有效改善了自然通风空冷凝汽式发电机组的冷端效果，降低其单位kwh能耗、碳排量，增加自然通风空冷式发电的经济效益。

中心风筒2下部采用扩大设计，为烟气脱硫装置布置于驭风空冷塔内提供了条件，使驭风空冷塔能够应用于需要在塔内提供烟气脱硫装置场地的用户。

总之，由于驭风空冷塔在现行的空冷塔内设置了单元格5整理塔底进气流场；出气格6整理塔顶出气流场；中心风筒2防止塔中央冷气倒灌；出气门I将空冷塔上部背、侧背风面负压值引入对应单元格的结构，规范并优化了空冷塔的空气动力学和热力学流场，有效消除了自然风对自然通风空冷塔用于空冷式发电所呈现的缺点。

采用纤维织物和缆索结构构造分隔幕4、小隔幕7及出气格垂直面9，不仅有效实现驭风空冷塔驭风的目标，还由于其质量轻、强度高、环境耐侯性能好、造价低廉，成型及安装施工简单，维护检修方便，从而极大地降低了驭风空冷塔整流其空气流场的成本，为降低

自然通风空冷式发电成本及驭风空冷塔的推广普及创造重要条件。

附图说明

附图1，为现行空冷式发电厂自然通风空冷塔，空冷塔顶部遭受到大风从塔顶进入空冷塔，严重削弱空冷塔抽风能力的立面剖视图。

图中：

1为风筒；

箭头为空气流向。

附图2，为现行空冷式发电厂自然通风空冷塔，自然风在空冷塔底部内、外流动的流场俯视图。

图中：

1为风筒；

3为散热器；

10为百叶窗。

附图3，为采用分隔幕4和小隔幕7，将空冷塔分隔成单元格5和中心风筒2的结构图，

图中：

1为风筒；

2为中心风筒；

3为散热器；

4为将空冷塔分隔成热空气只能在所辖范围内流动的径向分隔幕；

5为本案用于仅限于与所对应的散热器换热后的热风作上升流动的热力抽风单元格；

7为组成中心风筒闭合面的小隔幕；

箭头为空气流向。

附图4，为反映空冷塔顶部出气格及垂直面9结构和中心风筒结构的立面剖视图。

图中：

1为风筒；

2为中心风筒；

6为出气格；

7为组成中心风筒闭合面的小隔幕；

9为组成出气格6的闭合垂直面；

11为在风筒上部设置出气门的区域；

I为出气门放大图位置，具体放大图结构见附图8、附图9、附图10；

A-A剖视见附图5；

B-B剖视见附图7；

箭头为空气流向。

附图5，为反映在吹风环境下运行的，组成中心风筒的小风幕7下部的进风门8处于开启状态的整流空冷塔的A-A视图(即附图4的A-A剖视图)，图中的进气门还可以采用其它有利于进气的开启方式。

图中：

1为风筒；

3为散热器；

4为将空冷塔分隔成热空气只能在所辖范围内流动的分隔幕；

5为本案用于仅限于与所对应的散热器换热后的热风，作上升流动的热力抽风单元格；

7为组成中心风筒闭合面的小隔幕；

8为开启状态的进风门；

箭头为空气流向。

附图6，为反映空冷塔顶部出气格结构的整流空冷塔俯视图。

图中；

1为风筒；

4为将空冷塔分隔成热空气只能在所辖范围内流动的分隔幕；

6为出气格；

7为组成中心风筒闭合面的小隔幕；

9为组成出气格6的闭合垂直面。

附图7，为附图4中的B-B剖视图，表示在自然风环境下由于空冷塔上部风速大，侧风面、背风面负压程度高，塔底背风面散热器外的进风将从塔上部大量流出的示意图。

箭头为空气流向。

附图8，为附图4中采用门轴旋转开闭结构的出气门I的放大图，。

图中：

1为风筒；

12为出气门门框；

13门轴；

14可以开闭的风门。

附图9，为附图4中采用卷帘开闭结构的出气门I的放大图。

图中：

1为风筒；

12为出气门门框；

]5卷帘轴；

16阻隔空气进出的风帘

17张紧风帘并可以在门框中上下滑动的坠条。

附图10，为附图4中采用左右水平推拉开闭结构的出气门I的放大图。

11为在风筒上部设置出气门的区域；

18为出气门洞；

19可以左右推拉阻隔空气进出的风门

C为风筒出气门区域以上风筒壁；

d为风筒出气门区域以下风筒壁。

附图11为中心风筒2下部采用直径扩大设计结构的示意图。

图中：

1为风筒；

2为中心风筒；

3为散热器

6为出气格；

7为组成中心风筒闭合面的小隔幕；

9为组成出气格6的闭合垂直面；

11为在风筒上部设置出气门的区域；

20中心风筒2的扩大设计示意

I为出气门放大图位置，具体放大图结构见附图8、附图9、附图10；

A-A剖视见附图5；

B-B剖视见附图7；

箭头为空气流向。

具体实施方式

1，将涤纶布(本实施例纤维织物采用涤纶布)固定在能承载相应重量的缆索上，并连接成具有径向分隔幕宽度(散热器与中心风筒间的径向距离)和空冷塔高度的的分隔幕。分隔幕数量与所要分隔的单元格相同，其数量本实施例为12个；

2，将涤纶布固定在缆索上，并连接成具有中心风筒直径和空冷塔高度的中心风筒；在其中心风筒的下部圆周的涤纶布上，再布置可以控制空气进入或不能进入的进风门，进风门的宽与相连的单元格端同宽，进风门的高度与分隔幕的宽度尺寸相同，其进风门数量与单元格相同；

3，将能承载出气格涤纶布重量的缆索编结成六边形出气口尺寸的网格，其网格总平面的尺寸与单元格水平截面面尺寸相同。

4，将构造出气格垂直面的涤纶布固定在六边形网格上；

5，将设计数量为12条承载分隔幕的缆索的一端与承载中心风筒的缆索连接后，再将固定了出气格的六边形网格布满每个单元格，最后将中心风筒的出气端连接上六边形出气格网。使之成为具有升气单元格、中心风筒和出气格构造的物件。

6，将12条承载分隔幕的缆索的另一端分别固定在已做好的空冷塔顶端的相应位置，将分隔幕下端固定在地面相应位置上，将分隔幕与空冷塔壁相近的边沿固定在塔壁上；中心风下端固定在地面上相应位置上。

7，出气门I组件在风筒布置于风筒1的11区域安装后，采用遥控方式控制出气门的空气流通截面积，来调节出气门的开启度或开关并与塔底同一单元格的百叶窗配合，实现对侧、背风面散热器冷却风量的控制。

通过以上方式操作实施，即完成了驭风空冷塔的整流驭风构件结构的成型与安装。使在风环境下运行的空冷塔实现了驭风空冷塔的目的。

Claims (9)

1.驭风空冷塔，包含散热器、风筒、进风口和顶部出风口，其特征在于：在空冷塔的底部设置中心风筒(2)，中心风筒(2)由小隔幕(7)围成筒形，设置以小隔幕(7)为起点，以散热器(3)为终点的径向分隔幕(4)，将空冷塔内的圆形空间，分隔成若干个使风互不流动的单元格(5)，径向分隔幕(4)和小隔幕(7)的高度是由空冷塔内地面起至风筒(1)顶部，小隔幕(7)的数量与单元格(5)的数量相同，风筒(1)顶部的每一个单元格(5)及风筒顶部的中心风筒(2)被分隔成若干闭合垂直面(9)构成的出气格(6)，在出气格(6)下部的风筒(1)的上部区域设置出气门(I)，组成每一个单元格(5)的小隔幕(7)的下部设有进风门(8)。

2.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，中心风筒(2)的出气截面积与一个单元格(5)出气截面积之比为～1.0。

3.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，出气门结构为上下旋转开闭的门式结构、或卷帘门结构、或左右开闭的推拉门。

4.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，每个出气格(6)的通气截面积为3～10平方米，组成出气格(6)的闭合垂直面(9)的高度为一个出气格(6)周边总长的1～2倍。

5.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，径向分隔幕(4)和小隔幕(7)构造为纤维织物，承载纤维织物的构造为缆索。

6.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，出气格(6)的闭合垂直面(9)构造为纤维织物，承载纤维织物的构造为缆索。

7.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，驭风空冷塔的外形形状为圆筒形、或双曲面圆筒形、或椭圆筒形。

8.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，单元格(5)的数量为4～20个。

9.根据权利要求1所述的驭风空冷塔，其特征在于，中心风筒(2)的下部为扩大结构(20)，扩大结构的面积为空冷塔面积的1／13～1／3，扩大结构(20)高度为散热器高度的30％～130％。

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