CN1678877A

CN1678877A - 自然通风冷却塔的性能提高

Info

Publication number: CN1678877A
Application number: CNA038204517A
Authority: CN
Inventors: 贾科莫·加斯帕里尼; 乔瓦尼·巴尔别里
Original assignee: Jott Australia Pty Ltd
Current assignee: Jott Australia Pty Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-10-05
Also published as: WO2004018955A1; US20060145367A1; AU2002951017A0; EP1546632A1

Abstract

一种增强已有自然通风冷却塔(13)的操作性能的方法和设备。冷却塔包括限定为具有环形截面敞开顶部的内通道结构(14)，从结构基部的一个或多个入口(16)向上流动空气。所述方法包括在通道(15)内提供叶轮(27)的步骤，当所述叶轮绕中心位于通道中的直立转动轴以特定速度转动时，叶轮适于提高通道轴线的总空气流速并超过在相同操作条件下单独通过自然通风可达到的总空气流速，以及提供用于所述叶轮的支撑装置和能够以特定速度转动所述叶轮的驱动装置的步骤。叶轮(27)通过在冷却塔(13)热传递装置(19)(其可为润湿填充体结构)上方的支撑装置来支撑。

Description

自然通风冷却塔的性能提高

技术领域

本发明涉及一种用于增进自然通风冷却塔性能的方法和设备、具有可变冷却能力的冷却塔和增强配备自然通风冷却塔的发电系统性能的方法。

背景技术

冷却塔是一种广泛用于发电、空调装置等，来抑制低级热传导到大气中的一类热交换器。本发明针对大容量自然通风冷却塔，如用于发电的该类设备。这些设备以非常巨大的尺寸建造，用来降低冷凝器冷却水的温度。已经建造的该类冷却塔具有超过100m的塔高和超过90m的基座直径。该冷却塔可具有定为5-50m³/s或更大的设计冷却水流速。

在用于本申请的自然通风冷却塔中，通过进入塔底的冷空气和由来自被冷却水的热传递所导致的离开塔顶的暖空气之间的密度差将气流引入中空的烟囱状塔中，该气流穿过塔的内部。大多数冷却塔是“湿”式的，其中在被冷却水和流动空气之间存在直接接触，从而使得一部分水蒸发。塔本身通常为中空、具有对称直立轴且为环形截面的增强混凝土敞开顶部的外壳，当从中间截面看时，该外壳壁具有颈状、双曲线形状。位于塔结构基部的开口能够使空气进入。收敛—发散形状有助于引起自然通风。

“干”式自然通风冷却塔也是公知的，其中待冷却的流体保持与冷却空气隔离，同时湿/干混合型也是公知的。

强迫通风冷却塔也是公知的，其中气流由风扇所产生。在该设备中，通常不存在真正类似于大型自然通风冷却塔的敞开顶部外壳的塔结构，这是由于风扇取代了自然通风冷却塔烟囱的效果。

也公知如在自然通风冷却塔中一样装备有双曲线外壳，但是具有强迫通风或增加风扇的自然通风的大型冷却塔。其使用多个高速风扇，并且与简单的自然通风冷却塔相比相对复杂和昂贵。例如见美国专利3,903,212和英国专利1455544。此外，该配置通常不适用于改进已有装置。

一旦自然通风冷却塔被建造，对于给定的大气条件(温度、湿度和风)、水流速和温度，其性能基本固定。冷却塔被设计为在特定的“设计点”条件下获得特定的性能。仅仅物理改变冷却塔的配置将改变其性能特点。例如，改变湿式自然通风冷却塔“填充体(packing)”(即在其基部的大表面积结构，其被待冷却流体所润湿并延长了冷却塔中水的停留时间)，能够在很大程度上影响冷却能力。然而，其作为常规问题并未解决：如果开发改进的填充体设计，那么如果有成本效益就可作为“一次性”改进来执行。通常，经济地改善或改变已有冷却塔性能的选择是非常有限的。

公知改善冷却塔性能(即在给定时间内提取废热的增加量)能够导致增加蒸汽厂的热转化为电力的总效率和/或在特定条件下提高能量输出。需要有成本效益的改进方法，特别是在已有的工厂中。本发明致力于这种期望。相同的考虑可应用于使用自然通风冷却塔的其它工业中。

大型自然通风冷却塔是高投资成本、长寿命的固定建筑物，并且希望可不进行主要变动来获得改进，特别是主要的塔结构。本发明的方法和设备可应用于改进已有的自然通风冷却塔，以及新的冷却塔。对已有塔的改进事实上可以是本发明的主要应用领域。

本发明还提供可得冷却塔性能的一定程度上容易可控的变化。

发明内容

令人惊奇的是，已经发现在合适情况下，通过提供在冷却塔结构内的转动叶轮(风扇)来增加自然通风，经济地增强具有环形截面的大型自然通风冷却塔的性能是可行和值得的，所述叶轮在使用中基本跨越冷却塔的整个内部直径或其大部分。本发明可应用的冷却塔包括，特别是，大尺寸的冷却塔，其曾被认为采用风扇来提供或增加空气通风是不实际的或过于昂贵以致不具有成本效益，尤其是在改进应用中。本发明可用于新的或已有的冷却塔，但尤其提供了不大影响填充体来更新已有冷却塔的可能性，并且在已有结构的内部和外部仅需要相对有限的用于新设备的空间。

根据本发明，在第一方面，为增强已有自然通风冷却塔的操作能力的方法，其中冷却塔：

(a)在自然通风操作中的尺寸和冷却能力方面适于在发电站应用中用作自然通风冷却塔，

(b)包括限定环形截面的内部通道的结构，用来向上对流其中的空气流，所述空气流从位于结构下部或附近的空气入口流向位于结构顶部的出口，和

(c)在所述通道的下部包括用来将热从供应到所述冷却塔的水传递到所述空气的热传递装置，

以及其中所述方法包括以下步骤：

在所述通道内提供叶轮，当所述叶轮在所述塔的特定操作条件下绕位于所述通道中央的直立转动轴以特定速度转动时，其适于提高所述通道中的空气流速，以超越在相同操作条件下单独采用自然通风可获得的总体流速；

提供适于在所述热传递装置上方的所述通道内支撑所述叶轮的支撑装置；和

提供能够以特定转速转动所述叶轮的驱动装置。

在本发明的第二方面中，提供增强自然通风冷却塔性能的设备，所述设备适合于用在冷却塔上，所述冷却塔：

以及所述设备包括：

叶轮，当所述叶轮在所述塔的特定操作条件下绕位于所述通道中央的直立转动轴以特定速度转动转动时，其适于提高所述通道中的空气流速，以超越在相同操作条件下单独采用自然通风可获得的总体流速；

支撑装置，其适于在所述热传递装置之上的所述通道内支撑所述叶轮；和

驱动装置，其能够以特定转速转动所述叶轮。

在本发明的第三方面中，提供用来冷却液体并具有由用户控制的可变冷却能力的冷却塔，所述冷却塔：

(b)包括限定环形截面的内部通道的结构，用来向上对流其中的空气流，所述空气流从位于结构下部或附近的空气入口流向位于结构顶部的出口，

(c)在所述通道的下部包括用来将热从供应到所述冷却塔的水传递到所述空气的热传递装置，和

(d)包括在上文和本文中公开的用来在操作中提高所述冷却塔的冷却能力的设备。

在本发明的第四方面中，提供用来增强发电工厂生产力的方法，其中

将蒸汽通过驱动发电机的涡轮机，并且使所述蒸汽在冷凝器中冷凝；

用于所述冷凝器的冷却水循环通过所述冷凝器和自然通风冷却塔；

所述方法包括以下步骤：

添加所述冷却塔设备以增强所述冷却塔的性能，所述设备为在上文或本文中公开的设备；和

操作所述设备。

进一步优选的本发明特征在所附权利要求和以下详述中提出。

附图说明

现在将通过参照附图来详细描述本发明，然而无意限制本发明的范围，其中

图1为简化的发电装置的蒸汽/水环路示意图；

图2为逆流型“双曲线”自然通风冷却塔的侧视图，以垂直截面观察，该截面取自塔结构的对称轴；

图3为逆流型“双曲线”自然通风冷却塔的侧视图，以垂直截面观察，该截面取自塔结构的对称轴；

图4为逆流型“双曲线”自然通风冷却塔的侧视图，以垂直截面观察，该截面取自塔结构的对称轴；

图5为以图4所示形式的可替代形式示例的本发明冷却塔，见图4所示相同类型冷却塔的视图。

图6为以图4所示形式的可替代形式示例的本发明冷却塔，见图4所示相同类型冷却塔的视图。

具体实施方式

图1为大大简化的发电装置的蒸汽/水环路1的示意图。锅炉2产生蒸汽，通过管道3将蒸汽引入驱动发电机5的蒸汽涡轮机4。锅炉2可燃烧化石燃料(如煤或天然气)来提供热，或者热源可以是核反应堆(未示出)。存在于涡轮机4中的湿蒸汽在冷凝器6中冷凝并作为水离开冷凝器6，其可通过进料水泵7作为供应到锅炉2的进料水而循环使用。

通过管道8向冷凝器6提供分离的冷却水供应，并通过管道9以更热的状态离开，其通过冷却水泵10被泵送。在某些装置中，可从湖、河或人造“冷池”获得大量水供应来用作冷却水。然而，当不是这种情况时，冷却水可如图1所示直接循环，在经过管道8返回冷凝器6之前流过冷却塔11以降低其温度。这种安排避免需要大量自然供应的冷却水，仅需要循环中的固定量的冷却水以及相对少量的补充水(通常为冷却水流的1％-2％)以补偿在冷却塔11中的蒸发损失。

应该理解环路1仅为示例目的。在实际的发电装置中，(未示出)将会有额外的部件，如经济器、过热器和(通常)多个锅炉和涡轮机以及配合它们的管道。

可通过降低进入冷凝器的冷却水温度来提高环路1和/或由涡轮机进行的外部工作的总效率。本发明针对通过改进冷却塔11在已有的环路1中来进行上述工作的方法和设备。本发明还可用于新的冷却塔。

冷却塔是这种类型的热交换器，其中液体(在环路1中，冷却水)进入气体(环路1中，空气)流过的空间并且在该空间中通过与更冷的空气接触和部分蒸发而被冷却。为了提供足够长的液体停留时间和气/液界面面积，液体通常被喷洒在所述空间中，向下沉降并溅在位于塔基部的大表面积固定结构(例如所公知的“填充体”)上，最终汇集在填充体下面的池中并从此处离开冷却塔。在用于空调和相似应用的小尺寸冷却塔中，气流一般由风扇产生，其通常与冷却塔本身整合在一起。然而，在最大的冷却塔中，典型的是发电应用中的冷却塔中是靠自然通风来提供空气流。

以下讨论将限制在“湿式”自然通风冷却塔，其中在所述塔中液体将直接暴露在气流中，这是在如发电站的典型的大型冷却塔中所见的最常用的类型。然而应该理解在“干式”或干/湿混和型自然通风冷却塔中应用本发明并不存在障碍。

图2示出逆流型“双曲线”自然通风冷却塔13。在子午线截面可见双曲线型的增强混凝土壁14(如图2)，其限定了空气从环绕壁14的基部沿圆周隔开的开口向上流经的具有环形截面的敞开顶部的通道15。因为由于传递自塔13中水的热导致离开通道15顶部的空气比在底部进入的空气更热以及密度更小，因而引起自然通风，如箭头100所示，而且双曲线形状的壁14增强了该效果。壁14的形状给予通道15一个颈70，此处通道15的内直径为最小。热的进水通过管路系统17引入。在漂浮物清除器18下面，水被向下喷洒或飞溅到填充体19(未示出其细节)上并穿过它，并在塔13基部的凹陷处汇集，最终进入出口管21。同时，在通道15中，向下移动的水通过与向上移动(即逆流)的空气直接接触并部分蒸发而被冷却。

图3示出交叉流动(错流)型的自然通风冷却塔22。这通常类似于逆流型冷却塔13，除了填充体23以环圈状形式位于双曲线壁102的外部并环绕双曲线壁14的基部。待冷却水从管道系统24向下流过填充体23，但是流入塔22的气流通常是水平流过填充体23，如箭头101所示，从而在空气和水之间存在交叉流动型的相互作用。

本发明可应用于如图2和3所示(13，22)的交叉流和逆流自然通风冷却塔。通常在大型自然通风冷却塔中的填充体上方的平均空气速度在1.2-1.8m/s的范围内。(见Perry’s Chemical Engneers Handbook，7^th Edition，1997，p12.21。)

图4示出类似于冷却塔13的逆流型冷却塔25，但是本发明已应用于此。在由塔结构125所限定的通道26内，安装有能够绕与通道26共轴的垂直轴线28转动的叶轮27。叶轮27固定在共轴的轴29(未示出)上，轴29通过安装在塔25的水汇集池20a中的基础上的细长支撑塔30中的管33向上延伸。这仅需要改动填充体19a的一小部分。叶轮27具有多个从中心向外辐射状延伸的叶片41。

具有后缀“a”的附图标记对应于图2中具有相同数字但没有该后缀的项。

没有示出支撑塔30的结构细节，可使用任意合适的结构。塔30位于仅仅引起气流最小阻滞的位置(在中轴线28上)上。然而，也关注气流的最小保持和最小阻滞，优选具有平滑外表面(相对于开放式格构状结构)的结构。认为合适的塔30的一种形式(未示出)为直立的管。该管以及其基础被设计为具有足够弯曲强度(即抗横向弯曲)而无需任何外部支撑，或非常细长并且具有沿适合的锚点从一个或多个点向外和向下延伸的牵索。

支撑结构以及其所选定的材料也必须设计为在通道26中的非常潮湿和温暖的条件下具有足够耐腐蚀性。

希望叶轮(如27)的转动轴与通道26共轴，以便在叶轮叶片41上的空气动力负载随时间基本为常数，以避免可能的疲劳负载故障。

在管33的基部为齿轮箱34，由此，轴29被从齿轮箱34水平延伸到塔25外部的电动机36的输入驱动轴35所驱动。轴35与管37共轴并封闭在管37中。电动机36通过轴35、齿轮箱34和轴29驱动叶轮27。通过在固定于齿轮箱34中的管33和37中封闭轴29和35，避免了对进入齿轮箱34的轴29和35的机械密封的需要。需要假定在冷却塔25中具有不利的温度和湿度条件。

在优选实施方案中，电动机36是能够使叶轮27在任意速度范围内转动的驱动配置的一部分，以使塔25的气流速度，即冷却能力能够根据需要变化。

叶轮27显示为在叶轮27的安装高度上具有基本与通道26的内直径相同的扫掠直径，保留合适的小操作间隙。通道26的颈38是用来安装叶轮27的可能位置，因为其能够提供最小可能的叶轮27。而且，因为通道26中的气流平均速度在通道26的颈38处最高，经验指出该位置最适于对空气动力效率进行设计。在图4中叶轮27显示安装在较低高度，以减少支撑30的高度(也就是成本)，虽然是以更大的叶轮为代价，其中通道26基本被完全跨越。

制造基本跨越整个通道26的宽度的叶轮的主要理由是使全部气流能够得到增强并且避免在通道26中气流再循环的潜在问题。此外，叶轮27和双曲线壁125内表面之间的间隔越小，叶轮27可达到的空气动力效率就越大。必须一直提供叶片41和表面39之间合适的操作间隔，以充分保证在任意叶片41和表面39之间不存在接触的实际风险。

然而，在本发明的范围内提供具有比在叶轮垂直位置处的通道26直径明显更小直径的叶轮(未示出)。选择叶轮直径时，一方面要想到叶轮成本、其动力和结构需求之间的平衡，另一方面要想到避免在流动通道(如26)内的再循环和在操作条件的满足范围内获得冷却塔总热动力性能的满意改进的需要。可通过以公知方式在试验设计上进行开发、分析和改进来确定最佳折衷方案。

可使用已建立的设计方法在结构、空气动力和气动弹性方面设计叶轮27。叶轮27可适合具有低强度，具有例如相对高的长宽比(叶片径向长度与前部和尾部边缘之间的平均宽度的比)的3-6片叶片41。即，在某些情况下叶轮27类似于多于农业“风车”(举例)的高强度转子的现代“风力涡轮”。可经常发现3或4叶片的叶轮是合适的选择。然而，在此无意以任何方式将本发明的范围限制为需要特定的叶轮设计。最优叶片设计依赖于特定塔的特定设计参数。

如叶片41的具有可观的长度和细长度的叶片现在可使用现代材料和设计来设计与建造。材料或表面处理需要抗潮湿、腐蚀环境，尤其是水滴的影响。

图4所示的叶片41仅在叶轮轴心42获得支撑。然而，在本发明的范围内也对如图5所示每个叶片提供一个或多个中间支撑。图5示出与冷却塔25相同的冷却塔105，其保留从由叶轮46的轴心45向上延伸的柱44(与中心45共轴并布置为随其转动)向外和向下延伸的拉线43。将每条拉线43固定到叶轮46的叶片47之一上。甚至可以在其外端通过运行在附加于壁106的内表面的环形轨道(未示出)上的小滑轮(未示出)来提供对每片叶片(如41或47)的支撑。

图6示出具有通过水平轴铰链52安装在轴心51的叶片50的叶轮49的冷却塔48(相似于冷却塔25)，从而叶片50可从其操作点向下移动到更接近直立的位置(以假想线显示)，反之亦然。每个铰链径向内侧的每片叶片的合适配重(未示出)可使叶片50平衡，从而使得在正常使用中叶片将基本水平延伸，从而当叶轮49不转动时其会转动到更低的位置。按照这种布置，当叶轮49不需使用或不可用时，对纯粹气流对流的抵抗性(即自然通风)更低。当叶片处于更低位置时，这种布置还可以提供从支撑53更好地进入叶片50来检查或维护。作为对叶片50的配重的替代，可方便地提供机械装置(未示出)来根据需要主动升高或降低叶片。

当不需叶轮27、46或49操作时，减少对自然通风的阻力的另一可能为提供在低于正常速度下对叶轮27、46或49的驱动，从而最小化流动损失并且仅需限制输入叶轮驱动系统的动力。再另一种可能为当需要时通过公知方法提供活动叶片(41、47或50)。

在应用本发明时，必须保证汇集在叶轮叶片(如41、47或50)上的水以及从其顶端向外离心甩出的水不会对塔内表面(如39或40)的相邻部件造成损坏。一种避免损坏(未示出)的方法是用合适的保护外壳来包覆或以其它方式保护内表面(如39或40)的相关部件。例如，外壳的合适材料包括不锈钢或橡胶。该包覆还可以提供对塔结构的保护，以防止由于转子叶片故障所导致的损坏。另一可能(未示出)为在叶片的外端提供端板或类似结构，以挡住水并使其转而向下。

可以作出保留在本发明的精神和范围之内的许多变动。以冷却塔25作为例子，对叶轮27的驱动不需为所示的纯电力。可以为水力，在支撑体30的顶部或基部具有水力发动机以及在塔外部具有电力驱动的泵(未示出)。取消轴35。

还可以在冷却塔内提供几个叶轮，如果需要的话。例如，每个叶轮可与其它的叶轮共轴安装，如果需要的话，一种布置可以使每个叶轮完全跨越通道26(未示出)。

另一可能(未示出)是不在或不仅仅在支撑体，如支撑塔30上支撑叶轮，而是从塔结构125(这由结构可行确定)或甚至从部分位于塔上方的分离结构(未示出)来支撑。后一可能对于系统安装来说可能需要更少的停工期。

Claims

1.一种增强已有的自然通风冷却塔操作性能的方法，其中所述冷却塔：

以及其中所述方法包括以下步骤：

在所述通道内提供叶轮，当所述叶轮在所述塔的特定操作条件下绕位于所述通道中央的直立转动轴线以特定速度转动时，其适于提高所述通道中的空气流速，以超越在相同操作条件下单独采用自然通风可获得的总体流速；

提供能够以所述特定速度转动所述叶轮的驱动装置。

2.根据权利要求1的方法，其中所述热传递装置包括表面外部被所述水润湿的填充体结构，从而通过蒸发一定比例的所述水使热从所述水传递到所述空气中。

3.根据权利要求1或2的方法，其中当所述叶轮以所述特定速度转动时，在所述叶轮的圆周高度上基本跨越所述通道的全部直径，在所述叶轮和所述通道的内表面之间保留合适的操作径向间隔。

4.根据权利要求1-3的其中任意一项的方法，包括以下步骤：将所述支撑装置固定到所述冷却塔的所述填充体结构的基础或支撑结构的至少之一上。

5.根据权利要求1-4的其中任意一项的方法，其中在所述通道中仅提供一个所述叶轮。

6.根据权利要求1-5的其中任意一项的方法，其中所述叶轮在所述通道中至少大约对应于所述通道的最小截面积的高度上通过所述支撑装置支撑。

7.根据权利要求1-4的其中任意一项的方法，其中所述叶轮在所述通道中低于所述通道具有最小截面积的高度上通过所述支撑装置支撑。

8.一种增强自然通风冷却塔性能的设备，所述设备适用于冷却塔，所述冷却塔：

以及所述设备包括：

叶轮，当所述叶轮在所述塔的特定操作条件下绕位于所述通道中央的直立转动轴线以特定速度转动时，其适于提高所述通道中的空气流速，以超越在相同操作条件下单独采用自然通风可获得的总体流速；

支撑装置，其适于在所述热传递装置上方的所述通道内支撑所述叶轮；和驱动装置，其能够以所述特定速度转动所述叶轮。

9.根据权利要求8的设备，其中当所述叶轮以所述特定速度转动时，在所述叶轮的圆周高度上基本跨越所述通道的全部直径，在所述叶轮和所述通道的内表面之间保留合适的操作径向间隔。

10.根据权利要求8或9的设备，其中将所述支撑装置固定到所述冷却塔的所述热传递装置的基础或支撑结构的至少之一上。

11.根据权利要求10的设备，其中所述热传递装置包括表面外部被所述水润湿的填充体结构，从而通过蒸发一定比例的所述水使热从所述水传递到所述空气中。

12.根据权利要求8-11的任意一项的设备，仅具有一个叶轮。

13.根据权利要求8-12的任意一项的设备，其中所述支撑装置适于在所述通道中至少大约对应于所述通道的最小截面积的高度上支撑所述叶轮。

14.根据权利要求8-13的任意一项的设备，其中所述支撑装置适于在所述通道中低于所述通道具有最小截面积的高度上支撑所述叶轮。

15.根据权利要求8-14的任意一项的设备，其中所述叶轮具有轴心以及固定到轴心的多个叶片，并且使用时通常从所述轴心径向延伸。

16.根据权利要求15的设备，其中所述叶片通过枢轴装置固定到所述轴心上，从而每片叶片能够在假设当所述叶轮以所述特定速度转动时的操作位置和另一位置之间转动，在所述另一位置中所述叶片外端更低并且当所述叶片处于所述操作位置时，被所述外端所占据的位置沿径向内移。

17.根据权利要求16的设备，包括当所述叶轮静止时，由其使每片叶片呈现所述另一位置的装置。

18.根据权利要求15-17的其中任意一项的设备，还包括可固定在所述通道的内表面位置上的保护装置，从而当所述叶轮以所述特定速度转动时，所述保护装置与每片所述叶片的外端相邻并且适于限制由于从所述叶片甩出的水所引起的对所述内表面的损害。

19.根据权利要求15-18的其中任意一项的设备，其中每片所述叶片具有位于所述叶片径向外端的结构，当所述叶轮处于所述操作位置时，其适于限制汇集在所述叶片上的水甩到所述通道的内表面上。

20.根据权利要求8-19的其中任意一项的设备，其中所述驱动装置包括电动机。

21.根据权利要求20的设备，其中所述电动机位于所述冷却塔结构的外部并且安排通过封闭在所述冷却塔结构壳体内的齿轮组来转动所述叶轮。

22.根据权利要求20或21的设备，其中所述电动机在需要时可操作为发电机，从而如果所述叶轮通过所述冷却塔内的自然通风而转动，则可从所述发电机得到能量。

23.一种用于冷却液体并具有由用户控制的可变冷却能力的冷却塔，所述冷却塔：

(d)包括根据权利要求8-22的任意一项的设备，用来在操作时提高所述冷却塔的冷却能力。

23.一种增强发电厂能力的方法，其中：

使蒸汽通过驱动发电机的涡轮机，并且使所述蒸汽在冷凝器中冷凝；

所述方法包括以下步骤：

向所述冷却塔添加设备以增强所述冷却塔的性能，所述设备为根据权利要求8-22的任意一项的设备；和

操作所述设备。