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2014年6月24日 星期二     加入收藏 | 设为主页 | 澳门梦想之城

地下变电站闭式冷却塔系统换热效率分析

来源:null  发布日期:2021-03-10     点击数:6

地下变电站闭式冷却塔系统换热效率分析

孙蒙蒙 黄尔东 袁成

(国网上海市电力公司检修公司,上海 200042

 

  要:本文介绍了上海市静安变电站循环冷却水系统,得出影响冷却塔换热效率的主要因素是污垢热阻和喷淋循环水水温的结论。一方面,对冷却塔污垢形成的机理进行说明,计算出污垢热阻和冷却塔换热效率的关系;另一方面,通过实验和计算说明喷淋循环水温度对冷却塔换热效率的影响。最终对目前运行的设备和即将扩建的设备分别提出参考建议。

关键词:静安变电站  冷却塔  换热效率  污垢热阻  喷淋循环水

 


0引言

超高压输电系统中,核心设备是主变,主变运行产生大量余热,导致温度急剧上升。有研究表明,温度因素约占电气设备损坏原因的55%,振动因素占20%,潮湿占19%,灰尘占6%。配置冷却系统对设备进行冷却,可以防止超高压变电站设备因温度过高而损坏。

地下变电站的主变、电抗器一般都选用水冷散热方式,从主设备带出热量的热水可送至地面安装的冷却塔将热量排出,如因环境或空间不允许装设地面冷却塔时,可考虑户内闭式冷却塔。下面对上海市500kV地下变电站—静安站户内闭式冷却塔的换热效率进行计算分析,并提出相应的改进建议。

1静安站循环冷却水系统介绍

位于上海市中心的静安变电站是国内第一座500kV全地下变电站,其500kV变压器、220kV变压器、66kV电抗器均采用强迫油循环水冷的冷却方式。

冷却水循环系统包括变压器和电抗器的油水热交换器、闭式冷却塔、冷却水循环泵、油循环泵,喷淋水泵及管道等。油泵将设备顶部的热油加压后,进入油水热交换器,油的热量交换到水中,而被升温的水由循环水泵加压进入闭式冷却塔内的盘管中,在闭式冷却塔的内部,由中央进风井输入的室外风及集水盘输入的喷淋水带走冷却水的热量,降温后的冷却水再重新进入油-水热交换器,工艺流程如图1所示。

1  500kV静安变电站变压器水冷示意图

在此热交换过程中,一部分喷淋水蒸发损耗,其余的喷淋水自流到集水盘,由喷淋水泵升压送到冷却塔,喷淋水的蒸发由城市自来水通过补给水泵进行补充。

循环冷却水系统的最初运行和设计方向一致,但是随着运行时间的增加,设备的故障点增多,各个环节之间的配合不再那么紧密。此系统已运行十年左右,出现过水泵漏水漏油、电动阀门不能自动开启、喷淋循环水水温较高、冷却塔盘管严重结垢等问题。后两者严重影响冷却塔的换热效率,进而降低了整个循环冷却水系统的换热效率,下面从冷却塔盘管结垢和循环喷淋水两方面分析计算冷却塔的换热热率,并提出相应的建议措施。

2冷却塔结垢分析

2.1静安站冷却塔污垢分析

静安站闭式冷却塔盘管表面污垢产生的原因主要有两个:第一,由于水质原因在盘管内外壁形成的水垢;另一部分是由于新风中的杂质沉积在喷淋水池中经过循环水喷淋附着在冷却塔盘管外壁。

2.1.1静安站冷却塔水垢形成原因

2010年至2017年,500kV静安变电站使用了一套冷却水补给水处理系统,采用超滤加反渗透除盐处理工艺。按照此设计运行,冷却水的纯度高达99.99%,但是此系统的运行维护成本昂贵,目前已停用许久,直接将上海市政水加装简易过滤器后接入冷却塔喷淋水,随着喷淋水的蒸发,水中的离子浓度逐渐升高, 等离子的浓度升高到一定值时,在喷淋盘管壁沉积。

2.1.2静安站藻类污垢形成原因

为满足冷却塔冷却所需的室外空气设置专门的冷却塔新风系统,冷却塔新风系统的设置与冷却塔的设置对应,变电站每个区域均设置一套冷却塔新风系统。静安站冷却塔新风送风机组过滤器运行10年经历了三种变化:卷绕式无纺布过滤器     固定式铝合金过滤器 固定式铝合金过滤器开缝运行。表1对“三代过滤器”的优缺点进行对比。

1 “三代”新风过滤装置对比

过滤器

运行时间

优点

缺点

第一代

2

新风质量高,滤网自动卷绕,不用定期清洗

自动化程度高,维修过于频繁

第二代

4

新风质量能满足要求,定期清洗即可

滤孔容易堵塞,新风量不足

第三代

4

新风量足,维修少

新风质量差

目前,静安站的新风过滤使用的是“第三代”过滤装置,新风量虽然满足了,但是进入变电站的新风质量差,不仅有灰尘还有树叶、蚊虫尸体等一起随新风进入系统,这些杂质随空气进入到冷却塔形成冷却塔盘管上的藻类污垢。

2.2污垢对冷却塔换热效率的影响

污垢对冷却塔换热效率的影响主要是污垢热阻的存在使换热器传热系数减小,换热效果变差,严重时会影响电力系统的安全运行。

闭式冷却塔盘管换热的总传热系数包括管内纯水和管内壁的传热系数,管内壁与管外壁的导热系数,管外水膜与管外壁的传热系数以及水膜与空气间的传质系数等,管内和管外污垢热阻整体用 表示。

为了简化分析过程,揭示污垢对传热系数的影响,假设传热过程为稳态传热,圆管总传热系数用下式表示[1]

        1

式中:

= = =

——总传热系数(

——管内热侧换热表面传热系数(

——管外冷侧换热表面传热系数(

——污垢热阻(

——换热材料导热系数(

——换热面的厚度m

管内水的对流传热系数一般 ,管外水的对流传热系数 与管内水相同。查冷却塔设计手册知:冷却塔的盘管侧面积假定为一个总面积A90㎡,d1.5mm,盘管的材料为铜,其导热系数 。把数据代入式1

污垢成分主要为碳酸钙,其导热系数为0.58-6.96 [2],是不锈钢热阻的 1/50 1/3。其污垢系数常使用 [3]取不同的 值,K 的关系如图2所示。

2污垢热阻对传热系数的影响

从图2可知:随着污垢热阻的增加,传热系数越来越小,冷却塔的换热效果变得越来越差。

2.3静安站冷却塔实际运行情况

静安站闭式冷却塔的实际运行情况确实如上所述,拆开冷却塔,其外壁有厚厚的一层污垢,不仅是水垢还有黏黏的藻类。2018年对11号冷却塔进行化学清洗,碳酸钙被清洗后盘管上还有结垢现象,就是藻类污垢。酸洗过后冷却塔的换热效果明显变好,酸洗后已运行两年半,换热效果一点点变差。

静安站“第二代”新风过滤网起初是定期清洗的,清洗过后,新风质量和新风量都能满足要求。由于清洗比较频繁,现在使用“第三代”过滤装置,不再清洗,冷却塔效果不如以前。

从上面理论和实际分析知:为改善换热效果,保证电气设备安全稳定的运行,冷却塔要定期除垢,室外新风入口处的过滤网更要定期清洗,这是从源头防止结垢的措施之一。

3循环喷淋水水温分析

静安站冷却塔冷却水的水温由风冷和水冷共同调节。每台冷却塔出水管设置有温度传感器检测出水温度,并传至变电站辅助工业控制系统[4]。具体控制要求为:

出口母管水温43,提高风机转速;

出口母管水温43,降低风机转速;

出口母管水温17,停喷淋泵;

出口母管水温43,开喷淋泵;

出口母管水温33,开风机;出口母管水温10,停风机。

然而实际运行中,一旦喷淋泵开启,就不会自动关闭,也就是出水母管的水温不会小于17,而且喷淋水循环使用1个小时左右出水母管的水温几乎不再变化。

冷却塔系统20103月运行至今,风机一直处于运行状态,区别在于室外环境温度不同,运行频率不同;但是喷淋水的效果与设计偏离比较大,不仅体现在喷淋水泵的启停方面,而且高温天气喷淋水的换热效果也不太理想。

3.1冷却塔喷淋循环水运行分析

猜测出现上述实际运行与设计偏差较大的原因主要是喷淋水的水质变差。最初设计是当喷淋水的电导率超过500 时,排污阀自动开启,排出污水,而且补水的电导率不超多200 。但是现实中喷淋水补水的电导率远远超过200 ,进风中含有大量灰尘、树叶、飞虫直接掉入冷却塔集水盘水中,喷淋水的电导率一直超过1000 ,这种情况下喷淋水电动排污阀常开,为了防止喷淋水一直排出,造成水资源的巨大浪费,就把排污阀关闭,喷淋水一直循环使用,最终集水盘水和盘管内水温差逐渐变小,相同的水量带走的热量就很少。笔者通过实验验证上述猜测,实验过程与结果如下节所述。

3.2喷淋水温实验

1号主变循环冷却水系统上位机显示图如图3所示:

 

3  1号主变循环冷却水系统

笔者以静安站12号冷却塔为研究对象,做了一个喷淋水循环时间和冷却塔出水母管水温之间关系的实验,共有2组实验,实验流程如图4所示:

4 喷淋水循环时间与水温关系实验流程图

实验数据如表2、表3所示

2冷却塔进/出水母管水温

时间

冷却塔进/出水母管水温(℃)

第一组

第二组

5分钟

42.4/40.2

43.6/41.4

30分钟

42.6/40.8

43.9/42.3

60分钟

  42.7/40.9

44.1/42.0

3冷却塔喷淋水进/出水温

时间

冷却塔喷淋水进/出水温(℃)

第一组

第二组

5分钟

23.9/26.5

23.9/24.7

30分钟

26.5/28.1

24.7/25.4

60分钟

  28.1/28.8

25.4/26.0

实验结果表明:喷淋水一直循环使用时,开启5分钟内冷却效果明显,循环使用30分钟和60分钟喷淋水的冷却效果相差不大;如果排污阀常开,喷淋水直接排走,5分钟内冷却效果明显,30分钟时效果变差,60分钟效果又变好。

出现第一组结果的原因是:随着喷淋水循环时间增长,集水盘的水温越来越高,和盘管中冷却水的温差变小;第二组实验结果是因为:排污阀常开,25分钟后集水盘水位低于设定值,喷淋水泵自动关闭,等集水盘水位到设定值喷淋水泵开启又开始下一个循环,根据实验数据50分钟是一个循环。

3.3 冷却塔内的热量交换

冷却塔喷淋水带走的热量包括显热和潜热两部分。物质在不发生相变和化学反应条件下,因温度的改变而吸收或放出的热叫显热。单位重量纯物质在相变过程中温度不发生变化吸收或放出的热叫潜热[5]

冷却塔盘管热水和喷淋水显热交换的传热公式为     2

其中K ——总传热系数(

A ——换热面积(

——不同温度流体的对数温差(

喷淋水的水温变化时,KA是定的,此时,换热量和对数温差成正比。其中对数温差由式

求出,其中各温度之间的关系由图5所示。

5 对数温差与各温度之间的关系图

分别代表管内冷却水侧介质进出口温度,℃; 分别代表喷淋水侧水流进出口温度,℃。

3.2实验当天室外最高温度28℃,实验时室外温度24~251区冷却装置室室温30.9。实验数据代入3.3中对数平均温差公式计算结果如下表4所示:

4冷却塔盘管和喷淋水的对数平均温差

时间

 对数平均温差(℃)

  第一组

  第二组

5分钟

16.1

18.2

30分钟

14.3

18.0

60分钟

   13.3

17.3

上述第一组实验结果和计算数据说明:夏季冷却塔喷淋水投入使用时,冷却塔热侧和冷侧两边的对数平均温差最开始运行时是循环30分钟后的1.12倍,是循环1小时后的1.2倍,喷淋水循环使用时间越长,冷却效果越差。这是因为循环1小时后集水盘水与盘管内循环水温差变小。因此,要改变循环喷淋水进水温度可以从减少喷淋水的循环次数考虑。

上面第二组实验是减少喷淋水循环次数的一个极限,如果喷淋水改成直排,换热效率至少可以提高1.2倍,但是水资源浪费比较严重。

有研究表明:闭式冷却塔潜热量主要与湿球温度、喷淋水量、换热面积、盘管间距、盘管管径、管材等[6]。对于静安站的冷却塔系统,冷却塔、水泵、风机已定,能够充分进行质量交换的情况下,潜热量只与冷却塔进风的湿球温度,也即是室外环境空气的湿球温度有关。因此,同一时刻室外环境的湿球温度不变,冷却塔潜热换热量不变,循环冷却水温对潜热量没有影响。

4 提高冷却塔换热效率的措施

4.1目前运行的冷却塔建议措施

通过上面的分析和计算,对于目前运行的冷却塔改进可从以下三方面着手:

1新风过滤网定期清洗,新风质量差主要形成冷却塔盘管上的藻类污垢。此项是最容易操作也是能从源头改善的一项措施。

2减少喷淋水的循环时间,增大喷淋水和盘管内循环冷却水的温差。针对目前实际运行情况,不进行改造可采取人工控制,如果改造可采取自动控制,具体控制策略如表5所示。

5 不同方案下的运行策略

人工控制策略

自动控制策略

a) 若冷却塔出水母管的水温≥45℃,采用喷淋水直排,快速降温,直到冷却塔出水母管的水温<42℃,关闭排污阀,集水盘中的喷淋水循环使用。

b) 若冷却塔出水母管的水温<45℃,集水盘中的喷淋水循环使用。

a) 若集水盘水温≥28℃(暂定),电动排污阀自动打开,直到集水盘水温<26℃(暂定),电动排污阀自动关闭.

b) 若集水盘水温<28℃,电动排污阀关闭,集水盘中的喷淋水循环使用。

 

此措施是人工控制,适用于夏季高温天气,喷淋循环水温高时的临时手段。

此措施可实现自动控制。

排污阀开启更换喷淋循环水不仅能增大喷淋水和盘管内循环冷却水的温差,而且有利于延缓盘管结垢。这是因为随着喷淋水循环时间增长,喷淋水蒸发越多,喷淋水中的离子浓度越高,越容易结垢,开启排污阀有利于排出离子浓度高的循环水。

3)冷却塔定期除垢。用药水洗一台冷却塔不仅费用昂贵,而且药水对盘管有腐蚀,会造成管壁击穿。此措施作为备用手段,但是定期清扫冷却塔集水盘的树叶等杂质是可行的。

4.2即将扩建的冷却塔建议措施    

对即将扩建的3号主变配套的冷却水循环系统可采取如下措施:

1中央进风井过滤器前后装压差传感器和报警装置,压差超过设定值就报警,安排清洗。

2安装普通的软水装置,体积小、费用低、软化率可达95%    

3根据冷却塔集水盘水温自动控制排污阀开关,控制策略如下:

a) 若集水盘水温28(可根据实际变化),电动排污阀自动打开,直到集水盘水温26(可根据实际变化),电动排污阀自动关闭。

b) 若集水盘水温28,电动排污阀关闭,集水盘中的喷淋水循环使用。                                                                                                                                                                                                    

5结论

上述分析是在迎峰度夏初期,室外环境温度都在32以下,静安站的66千伏1号主变1/2/4号低抗投运2号主1/2/3/4号低抗投运,此期间冷却塔回水母管的水温最高是45。当室外环境温度再增高,主变负荷增大,会有不等台量的电抗器需停役,此时冷却塔的负荷会变小。后续可研究室外环境温度,电抗器投运台数,冷却塔回水母管温度三者之间的关系。

 

参考文献  

[1]     杨世铭,陶文栓.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]     GB 50050,工业循环冷却水处理设计规范[S].北京:国家质检总局,2007.

[3]     尾花英郎.换热器设计手册[M].北京:石油工业出版社,1981.

[4]     崔鹏程.500KV静安地下变电站辅助工业监控系统的运行策略分析[J].上海电力,2011,(1):31-35.

[5]     刘乃玲,陈伟等.结构参数对管式蒸发冷却性能的影响[J].建筑热能通风,2007,26(4):37-40.

[6]     房大兵.干盘管与湿盘管组合式闭式冷却塔的结垢设计与性能分析[D].济南:山东建筑大学,2012,12-35.

作者简介

孙蒙蒙(1991.1),女,河南省商丘市人,助理工程师,从事变电运维工作,E-mail529126251@qq.com

黄尔东 1985)男,上海,高级工程师,从事变电运维管理工作。       

袁成(1969),男,上海,高级工程师,从事变电运维管理工作。


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