Kühltürme: Effizienz wartet auf Umsetzung

Kühltürme dienen als Kühlwasser für die Wärmeaustauschausrüstung von Kraftwerken. Die Aufrechterhaltung einer hervorragenden Systemleistung ist wichtig, da ein Anstieg der Wassertemperatur um ein Grad zu einem Anstieg des Energieverbrauchs um 2 % führen kann. Eine ordnungsgemäße Wartung und einige Upgrades könnten die Effizienz eines Kühlturms verbessern und dabei auch Wasser sparen.

Die kleinste Ineffizienz in einem Kraftwerk kann einen Generator erhebliche Kosten verursachen, und viele Energieerzeuger müssen nur in ihren alternden Kühltürmen suchen, um eine Brutstätte potenzieller Ineffizienzen zu finden, die langsam ihre Gewinne schmälern. Wenn die Effizienz eines Kühlturms nachlässt, steigt die Temperatur im Turm, wodurch der Energieverbrauch der Einheit um bis zu 2 % pro Grad Anstieg steigt. Die gute Nachricht ist, dass es von den Ventilatoren über die Düsen bis hin zu den Füllmedien und sogar dem Wasser selbst zahlreiche Möglichkeiten gibt, die Effizienz eines Kühlturms zu steigern.

Natürlich hat niemand die Absicht, ein ineffizientes System zu bauen, aber viele der heutigen Kühltürme sind Relikte der Vergangenheit, und obwohl sie einst auf dem neuesten Stand der Technik waren, liegen sie weit hinter den heutigen Standards zurück. Einer der Hauptbereiche, in denen ältere Anlagen im Rückstand sind, ist das Füllmaterial. Einige jahrzehntealte Kühltürme, die noch in Betrieb sind, verwenden weiterhin Spritzfüllungen aus Kunststoff, Glasfaser oder Holz. Dieses System positioniert Spritzbalken, um herabfallendes Wasser in Tröpfchen aufzuteilen. Laut SPX Cooling Technologies Inc. eignet sich die Spritzfüllung besser für Querstromtürme, da die Luft problemlos horizontal durch die vertikale Füllung in voller Höhe strömen kann. Neuere Gegenstromtürme können Spritzfüll- oder neuere Filmfüllsysteme integrieren.

Um die 1980er Jahre herum erhielten die Bemühungen zur Effizienz von Kühltürmen durch die Entwicklung leistungsfähigerer Füllmedien einen Aufschwung. „Ein Durchbruch für die Gegenstromabfüllungen der 1980er Jahre war die Einführung von PVC-Folienabfüllpackungen“, sagte Terry Dwyer, Leiter für vor Ort montierte Produkte bei SPX. Diese neuen Fülltypen „vergrößern die Oberfläche der Füllung in einem bestimmten Kubikfuß des Kühlturms, sodass das PVC – die Kunststoff-Füllpackungen – die Oberfläche vergrößert, was die Wärmeübertragung erhöht.“

Tatsächlich besteht laut Dwyer der einfachste Weg, die Effizienz eines Kühlturms schnell zu steigern, darin, das Füllmedium auszutauschen. „Wir haben heute andere Füllungen mit höherer Leistung als vor vielen Jahren“, sagte Dwyer. „Es ist ein bisschen wie bei einem Auto: Der Kraftstoffverbrauch eines Autos ist heute besser als vor 20 Jahren. Ein großer Teil davon ist auf das Motordesign und die Technologie zurückzuführen.“

Heutige Hochleistungsfolienfüllungen bieten eine fast doppelt so hohe Wärmeleistung wie Spritzfüllungen. Filmfüllungen bestehen aus labyrinthartigen Materialstapeln, durch die Wasser und Luft in entgegengesetzte Richtungen strömen. Durch die Filmfüllung wurde die Wasseroberfläche der Luft deutlich stärker ausgesetzt, was zu einer wesentlich effizienteren Wärmeübertragung führte.

Allerdings ist die Filmfüllung nicht ohne Nachteile. Wie bereits erwähnt, bricht die Spritzfüllung das Wasser in Tröpfchen auf, indem sie – wie der Name schon sagt – dafür sorgt, dass es von relativ weit auseinander liegenden Stäben innerhalb des Turms abspritzt, während die Folienfüllung das Wasser durch kleine Trichter leitet. Leider und wenig überraschend werden die meisten Kühltürme nicht mit gefiltertem Wasser betrieben. Das in diesen Türmen verwendete Wasser ist im Allgemeinen ziemlich schmutzig und voller mineralischer und biologischer Sedimente, die die Füllung leicht durch mikrobiologisches Wachstum, Verschmutzung oder Ablagerungen verstopfen können.

Während die Spritzfüllung im Hinblick auf die Kühleffizienz im Nachteil gegenüber moderneren Füllarten ist, hat sie auch Vorteile. Die Spritzfüllung ist weniger dicht und verträgt daher schwieriges Wasser besser. Wasser mit hohem Sedimentgehalt kann Folienfüllungen wesentlich leichter verstopfen als Spritzfüllungen, aber im Allgemeinen lohnt sich der Kompromiss nicht, da chemische Behandlungen zur Bewältigung von schwierigem Wasser schnell Fortschritte machen.

Die vier Hauptprobleme bei der Wasserqualität, mit denen Stromerzeuger konfrontiert sind, wenn sie ihre Türme in Topform halten wollen, sind Korrosion, Ablagerungen, Verschmutzung und mikrobiologische Aktivität.

Korrosion entsteht, wenn Chemikalien im Wasser die Komponenten des Kühlturms zerfressen. Dies kann zu einem Verlust der Wärmeübertragung und damit zu einer verminderten Effizienz führen. Korrosion kann auch zu Geräteausfällen führen, was wiederum zu Anlagenstillständen und Kosten für den Austausch der Geräte führen kann.

Unter Ablagerungen versteht man die Ansammlung gelöster Mineralien auf Geräten. Auch dies kann zu einer Verringerung der Wärmeaustauschfähigkeit des Systems führen, da der Kalk als Isolierung wirken kann, was eine effektive Kühlung des Systems erheblich erschwert.

Ähnlich wie bei der Ablagerung handelt es sich beim Fouling um die Ansammlung suspendierter Partikel. Während sich Ablagerungen auf Mineralien beschränken, betrifft Fouling alles, von organischen Stoffen bis hin zu Ölen. Bestenfalls hemmen Verschmutzungen die Wärmeübertragung auf die gleiche Weise wie Ablagerungen, indem sie als Isolator wirken. Im schlimmsten Fall kann die Verschmutzung die Füllung vollständig verstopfen, wodurch die Verdunstungsfläche des Systems verringert wird und die Effizienz des Systems beeinträchtigt wird.

Schließlich bezieht sich die mikrobiologische Aktivität auf die Auswirkungen, die jeder im System lebende Mikroorganismus auf die Pflanze hat. Der Mikroorganismus kann im Wasser schweben oder auf den Oberflächen der Kühlturmausrüstung wachsen, was wiederum aufgrund der Isolierung und Verstopfung des Füllmaterials zu einer verringerten Wärmeübertragung führt.

Kühltürme verbrauchen enorme Mengen an Wasser, daher ist es nicht verwunderlich, dass Kommunen und Staaten in vielen Fällen die Ressourcen mit der niedrigsten Qualität für die Verwendung durch Stromerzeuger delegiert haben. Laut dem jüngsten nationalen Wasserverbrauchsbericht des US Geological Survey machten die Wasserentnahmen für thermoelektrische Energie im Jahr 2010 45 % der Gesamtentnahmen in den Vereinigten Staaten aus. Allerdings sei der Wasserverbrauch für die thermoelektrische Stromerzeugung zurückgegangen (Abbildung 1), heißt es in dem Bericht. Zwischen 2005 und 2010 gingen die Wasserentnahmen in dieser Kategorie um 20 % zurück.

Um Süßwasser zu erhalten, sind in einigen Gebieten des Landes Kühltürme erforderlich, um kommunales Grauwasser zu nutzen oder ihre Kühltürme häufiger zu zirkulieren (siehe „Aufbereitetes Wasser verringert die Belastung der Süßwasserversorgung“ in dieser Ausgabe von POWER). Dies war bei einem Kunden von GE Water & Process Technologies der Fall.

„Unsere Kunden wurden gebeten, kommunales Grauwasser zu verwenden. Hierbei handelt es sich um das Abwasser einer kommunalen Anlage. Als sie in Zonen aufgeteilt und in Betrieb genommen wurden, konnten sie kein Frischwasser aus dem Fluss oder See verwenden, und diese Gewässer sind sehr schwer aufzubereiten.“ sagte Peter Macios, leitender Produktmanager des Unternehmens.

GE Water & Process Technologies bietet eine breite Palette anpassbarer chemischer und gerätetechnischer Behandlungsoptionen für Generatoren, die mit schwierigem Wasser zu tun haben. „Wir waren in der Lage, Programme zu entwickeln und zu entwerfen, die es unseren Kunden – erstens – ermöglichten, mit der Nutzung dieses Wassers so effizient wie möglich zu arbeiten und alle Auswirkungen auf … mikrobiologische Kontrollen, Entsorgung und Korrosion zu beseitigen“, sagte Macios.

Die chemische Aufbereitung von Kühlturmwasser ist ein komplexer Balanceakt. Leider wirken sich viele chemische Behandlungen zur Lösung eines Problems negativ auf chemische Behandlungen zur Lösung eines anderen Problems aus. Glücklicherweise glaubt GE, das richtige Gleichgewicht gefunden zu haben und chemische Behandlungen zu entwickeln, die sich nicht negativ auswirken.

„Wenn man bei herkömmlichen Programmen eine Biozid- oder mikrobiologische Kontrolle einstellt, verschlechtert sich dadurch immer die Korrosionshemmung und die Ablagerungskontrolle“, sagte Macios. „Mit anderen Worten, die Programme stehen immer im Widerspruch zueinander. Bei GE sind wir in der Lage, sowohl die mikrobiologische Ablagerungskontrolle als auch die Korrosion unter Kontrolle zu halten, ohne eines der Programme zu beeinträchtigen.“

Die Wasseraufbereitungstechnologie GenGard von GE wirkt über das gesamte pH-Spektrum, um Korrosion zu hemmen, während das mikrobiologische Kontrollmittel Spectrus von GE mikrobielle Arten, einschließlich Bakterien, Algen, Hefen und Pilze, unter Kontrolle hält. Im Gegensatz zu anderen chemischen Behandlungsmöglichkeiten können die beiden Technologien zusammen eingesetzt werden. „Das Schöne an dem Programm ist, dass sie synergetisch wirken. Das Oxidationsmittel [Spectrus] beeinträchtigt das GenGard-Programm nicht. Spectrus hat keinen Einfluss auf das GenGard“, sagte Macios.

Selbst wenn die Füllung eines Kühlturms sauber ist und effizient arbeitet, können dennoch Ineffizienzen lauern. Ein Effizienzaspekt, dem oft wenig Aufmerksamkeit geschenkt wird, ist die Leistung der Sprühdüsen an der Spitze des Turms.

Es ist allgemein anerkannt, dass ein Wasserstrahl die Form eines Regenschirms annimmt, was zu einem kreisförmigen Sprühmuster führt. Das Problem dabei ist, dass es schwierig ist, Kreise anzuordnen, um das Wasser gleichmäßig über eine Oberfläche zu verteilen. Wenn die Kreise so ausgerichtet sind, dass sie sich gerade berühren, bleiben ganze Bereiche des Füllmediums trocken.

Um dieses Problem zu beheben, rücken Turmdesigner die Düsen näher zusammen und überlappen den Sprühstrahl. Dieser Aktionsplan führt jedoch immer noch zu einer ungleichmäßigen Wasserverteilung, wodurch das Füllmedium in den Überlappungsbereichen überflutet wird. Wenn ein Teil der Füllung überflutet ist, kann keine Luft mehr durchströmen, was die Effizienz der Anlage verringert.

„Die Qualität des Luft-Wasser-Gemisches bestimmt die Effizienz dieser Wärmeübertragung. Natürlich denke ich, dass die Industrie das schon immer wusste“, sagte Howard Curtis, Erfinder der Variable-Flow-Düse (VFN, Abbildung 2) von Curtis Technologies.

Das VFN von Curtis ermöglicht eine gleichmäßige Wasserverteilung und damit eine bessere Kühleffizienz. „Wir haben eine Düse entwickelt, die ein quadratisches Wassermuster erzeugt und hydraulisch ausbalanciert ist, sodass wir eine bessere Wasserbalance über dem Füllmedium erreichen, was bedeutet, dass Sie einen besseren Luft-Wasser-Kontakt haben“, sagte Curtis. „Am wirtschaftlichsten ist es, die Düsen auszutauschen, um manchmal eine thermische Effizienz von 10 Prozent oder mehr zu erreichen.“

Ein weiteres Gerät, das bei der Suche nach niedrig hängenden Früchten oft übersehen wird, ist der Kühlturmventilator, sagte Dwyer. „Der wichtige Teil der Wärmeübertragung ist die Luftbewegung durch das Füllmedium“, sagte er. „Wenn Sie Ihren Luftstrom durch die Medien erhöhen können, wirkt sich das wirklich sehr direkt auf die Wärmeübertragung aus. Je mehr Luft, desto mehr Kühlung, desto mehr Kühlung, desto effizienter. Wenn Sie einen alten Lüfter nehmen können, der nicht sehr effizient ist.“ Wenn Sie dort ein moderneres Design einbauen, sollten Sie in der Lage sein, Ihren Luftstrom zu erhöhen und mit dem erhöhten Luftstrom eine bessere Kühlung und eine bessere Effizienz zu erzielen.

Wie bei den meisten Dingen im Leben besteht der erste Schritt zur Lösung eines Problems mit der Effizienz eines Kühlturms darin, herauszufinden, wo das Problem liegt. Wenn ein Stromerzeuger die Auswirkungen eines ineffizienten Kühlturms zu spüren bekommt, ist es für die Entwicklung eines effektiven Maßnahmenplans von entscheidender Bedeutung, die Ursache des Problems schnell und genau zu lokalisieren.

Hier kommen Unternehmen wie Quantum Technical Services ins Spiel. Das Unternehmen bietet eine Kühlturm-Effizienzstudie an, die während des Spitzenbetriebs durchgeführt wird, um den thermischen Betriebszustand des Kühlturms zu bestimmen. Bei einem solchen Audit werden der Luft- und Wasserstrom der Einheit, eine Bewertung der Wärmeübertragungsfläche und Infrarot-Wärmescans des Turms untersucht, um mögliche Probleme zu identifizieren.

Wenn möglich, versucht das Unternehmen auch, das ursprüngliche Design des Turms zu berücksichtigen, um festzustellen, ob er wie beabsichtigt funktioniert. „Ich glaube, das ist das Beste“, sagte Paul Chila, ein technischer Berater bei Quantum Technical Services. „Als [der Turm] gebaut wurde, war er darauf ausgelegt, mit einem bestimmten Effizienzprozentsatz zu laufen. Was wir tun, ist, wo immer ich kann, zu versuchen, diese alten Designblätter auszugraben, und sobald wir unser Bild haben, vergleichen wir die gemessene Effizienz mit denen.“ was das Design war, um sie wissen zu lassen, wo sie stehen, und wir vergleichen alles auf den Datenblättern.“

Durch die Berücksichtigung der ursprünglichen Designspezifikationen eines Turms kann das Unternehmen zunächst feststellen, ob die Anlage ordnungsgemäß funktioniert, bevor sie ermittelt, wie gut sie funktionieren könnte. „Wir hatten vor Kurzem einen Fall, bei dem … sie hinsichtlich der Durchflussrate, die dem Turm zugeführt wird, so weit von den Spezifikationen entfernt waren, dass wir ihnen gesagt haben, dass Sie zuerst dieses Problem beheben müssen, und dann können wir zurückkommen und den Turm neu bewerten“, sagte Chila . „Es kann ein Prozess sein, bei dem man sagen muss, man muss sich damit befassen, das ist ein großer Faktor.“

Bei Gegenstromtürmen kann die GamaScan-Technologie des Unternehmens ein hilfreiches Bild davon liefern, was im Füllmaterial passiert. „GamaScan blickt buchstäblich durch die Füllung und liefert uns ein Dichteprofil“, sagte Chila. „Daraus können wir erkennen, ob die Filmfüllung verunreinigt ist und ob die Verunreinigung über die gesamte Zelle hinweg einigermaßen gleichmäßig ist. Das allein, allein schon durch die Menge an Verschmutzung, die wir messen können, wird sich offensichtlich auf die Effizienz von auswirken.“ wie dieser Turm funktioniert.

Durch die regelmäßige Beurteilung der Kühlturmleistung, unabhängig davon, wie alt oder neu die Ausrüstung ist, kann der Betreiber feststellen, ob seine Behandlungsprogramme funktionieren. „Ich habe einige im neueren Stil – mit Filmfüllung –, die in den letzten zwei bis drei Jahren gebaut wurden, und sie haben uns einfach rausgeholt und gesagt: ‚Kommt und holt euch die Grundlinie‘“, sagte Chila . Durch die Festlegung einer solchen Basislinie kann ein Bediener leichter feststellen, ob sein Turm zu schleifen beginnt.

GE bietet außerdem eine regelmäßige Wartung und Überwachung seiner Behandlungsprogramme an. Mit einem Wasserüberwachungssystem namens InSight kann GE in Echtzeit verfolgen, was im Kühlturm eines Kunden passiert. Das Produkt ermöglicht Kunden eine schnelle Reaktion auf auftretende Probleme. Bevor eine solche Echtzeit-Tracking-Technologie verfügbar wurde, waren Betreiber gezwungen, reaktiv statt proaktiv zu reagieren, wenn Probleme die Effizienz ihrer Masten beeinträchtigten. „Wenn man darüber nachdenkt, wenn man es manuell macht, ist es immer ein Blick in den Rückspiegel. Man erhält die Daten, man wertet sie aus, und schon ist es vorbei“, sagte Macios. „Die Idee ist: Kann ich die Daten abrufen, die Analyse durchführen und wissen, was jetzt in meinem System vor sich geht?“

Zwar gibt es viele Optionen für die Aufrüstung von Kühltürmen, um die Effizienz zu verbessern, aber irgendwann ist es vielleicht an der Zeit, Ihren Querstromkühler von 1975 gegen ein glänzendes neues Gegenstrommodell einzutauschen. Der Austausch von Kühltürmen ist natürlich keine leichtfertige Entscheidung, aber wenn ein Turm so stark beschädigt oder ineffizient wird, dass das Risiko besteht, dass der Generator abgeschaltet wird oder, noch schlimmer, einstürzt, überwiegen möglicherweise die Vorteile.

Während sich die Technologie und das Design von Kühltürmen in den letzten Jahren erheblich verbessert haben, haben sich viele Generatoren dafür entschieden, ihre älteren Türme zu modernisieren, anstatt bei Null anzufangen. „Es gibt Tausende von Kühlturmzellen, die in den 60er und 70er Jahren gebaut wurden und bei denen es sich um Kühltürme älterer Bauart handelte, hauptsächlich Querstromkühltürme mit Schwallfüllung“, sagte Dwyer.

Der Austausch eines Kühlturms bedeutet nicht immer, dass das Ganze von Grund auf erneuert werden muss. Es besteht die Möglichkeit, einen Querstromturm zu entkernen und in eine Gegenstromanlage umzuwandeln. „Das kann eine kleine Herausforderung sein, denn manchmal ist es schwierig, den Gegenstrom-Kühlturm auf derselben Grundfläche unterzubringen, und man muss eine Reihe von Rohrleitungsmodifikationen vornehmen, aber selbst wenn man einen alten Gegenstrom-Kühlturm hatte, kann man ihn ersetzen.“ „Die Füllung … mit einem moderneren Wärmeübertragungsmedium“, sagte Dwyer.

Wenn einem Generator jedoch klar wird, dass sein alter, ineffizienter Kühlturm gehen muss, sind die Optionen für den Austausch nicht mehr so ​​belastend wie früher. SPX bietet eine Reihe werkseitig montierter Kühltürme an, die weitgehend komplett an den Standort geliefert werden können. Die kleinere Linie, die NC Everest (Abbildung 3), kann in nur wenigen Stücken überall im Land verschickt werden. Sobald der Turm am Einsatzort ankommt, wird er mit minimalem Montageaufwand vor Ort verschraubt. „Diese sechs großen Teile werden vor Ort innerhalb von Stunden zusammengeschraubt. Was wir im Wesentlichen getan haben, ist, die lange Dauer der Feldmontage in eine Fabrikumgebung zu verlagern“, erklärte Dwyer.

SPX bietet auch eine größere Version seines werkseitig montierten Kühlturms an, den F400 (Abbildung 4). Aufgrund der größeren Größe des Turms wird der Versand der werkseitig zusammengebauten Teile jedoch schnell teuer.

Bei der Entscheidung für ein Upgrade oder einen Ersatz geht es in der Regel um Dollar und Cent. „Wenn die Reparatur Ihres Autos 10.000 US-Dollar kostet und es nur noch zwei Jahre hält, werden Sie sich wahrscheinlich einfach dazu entschließen, ein neues Auto für 15.000 US-Dollar zu kaufen“, sagte Dwyer. Bei der Auswahl von Kühltürmen kann häufig die gleiche Methodik angewendet werden. ■

—Abby L. Harvey ist eine POWER-Reporterin.

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