冷卻塔實施進風導流和防凍擋風一體化技術改造分析

石誠，趙永宏，涂菁菁

(中國電力工程顧問集團科技開發有限公司，北京市，100120)

0 引言

逆流式自然通風冷卻塔是電力系統廣泛使用的冷卻設備，作為電廠熱力循環中的重要輔助設備，冷卻塔優良的熱力性能是保證汽輪發電機組具有較高熱效率、安全運行及滿負荷發電的前提條件，冷卻塔的熱力性能直接關系到電廠的經濟效益［1-2］。

目前，國內冷卻塔效率普遍處于較低水平，由于冷卻塔經常在偏離設計條件的環境下工作，出塔水溫高于設計值。冷卻塔效率降低、冷卻效果變差，會使進入凝汽器的冷卻水溫度升高，降低凝汽器的真空和冷卻效果，使汽輪機排汽壓力和溫度升高，增加了機組的煤耗，最終導致機組出力降低，經濟性變差。對于1臺300 MW機組，冷卻塔出水溫度降低1℃，機組效率提高0.23%，熱耗減少23.39 kJ/(kW·h)，供電煤耗減少約1 g/(kW·h)。按機組利用h為5500 h計算，年耗煤量減少1650 t。按1 t標煤800元計，年減少燃煤費用約132萬元［3-4］。

冷卻塔的熱力性能受多方面因素影響，如環境氣象參數、冷卻塔設計參數和機組運行負荷等。國內外電廠冷卻塔改造很少涉及到氣側流場。通過冷卻塔熱力性能測試和物模試驗可知，自然風對冷卻塔冷卻效果有較大影響。自然風是一個隨機變量，它對冷卻塔影響的分析較復雜，與冷卻塔的類型和負荷大小等因素有關［5-6］。

自然風環境下，影響冷卻塔傳熱、傳質性能的主要因素是塔內通風量以及風速在填料區分布的均勻性，而通風量和風速均勻性主要受塔底周向進風口風速的影響。無風時，塔底周向進風是均勻對稱的，即塔內填料各處的傳熱、傳質性能是對稱分布的;有風時，外界風速的變化對塔底四周風速有較大影響，即對通風量有較大影響。當風速達到0.6 m/s時，迎風面風速增大，背風面風速減小，側風區的風速也出現減小的趨勢，冷卻塔沿底部圓周進風不均勻，在進塔和出塔處存在渦流，進風阻力增大，冷卻塔的總體通風量減小，塔內的傳熱、傳質性能減弱。通過物模試驗可知，自然風速4 m/s時，循環水溫約升高1.2℃;自然風速5 m/s時，循環水溫約升高1.8℃;自然風速6 m/s時，循環水溫約升高2.5℃;自然風速7 m/s時，循環水溫約升高3.3℃。

我國北方部分地區冷卻塔在冬季運行時，因氣溫過低會引起循環水溫度過低和冷卻塔的某些部位結冰，從而影響汽輪機效率和冷卻塔的正常運行。冷卻塔在冬季運行時多采用懸掛擋風板防凍，由于擋風板數量較多、尺寸較大且需要人工懸掛，懸掛擋風板工作量較大，工作環境較差。

1 工程概況

某電廠位于遼寧省，年平均氣溫7.3℃，年平均風速4.1 m/s。電廠2×600 MW機組采用帶逆流式自然通風冷卻塔的擴大單元制循環供水系統。每臺機組配1座淋水面積6500 m2的自然通風冷卻塔。冷卻塔高122.16 m、出口直徑64.04 m、進風口高8.11m、0 m 直徑104.66 m。

2 冷卻塔節能潛力

由氣象資料可知，電廠所在地區年平均風速較大。12月至次年2月，冬季平均氣溫在－8℃以下，3月和11月的平均氣溫也低于0℃。冬季循環水溫較低，存在汽輪機過冷和冷卻塔結冰的危險。較大的年平均風速對冷卻塔熱力性能有明顯的不利影響，會引起冷卻塔進風不均勻，降低冷卻塔的通風量，導致冷卻塔出水溫度升高，機組的經濟性降低。

2.1 發電機組運行背壓

當冬季循環水溫較低，形成背壓較低而負荷較大時，汽輪機末級葉片容積流量較大，造成余速損失增大，葉片彎曲應力增加。當汽流馬赫數增大到0.87～0.9時，末級葉片通過截面會出現汽流阻塞，即使背壓再降低，也不能增加機組的功率，這時的背壓為阻塞背壓。機組運行背壓要在阻塞背壓以上，極限背壓是保證機組安全運行的最高背壓。考慮到末級葉片安全性等因素，極限背壓的確定與末級葉片的容積流量以及葉片動強度等因素相關聯。當末級葉片出力為0時所對應的背壓為極限背壓。因此，發電機組主要是在阻塞背壓和極限背壓之間運行。

電廠一般將循環水系統運行水溫控制在12℃以上，個別電廠控制在10℃以上，汽輪機排汽壓力控制在阻塞背壓附近。當實際排汽壓力低于設計背壓時，汽輪機會產生微增出力，因此降低循環冷卻水的水溫，汽輪機的排汽壓力也會隨之降低，最終使機組的經濟性提高。

圖1為某電廠600 MW機組背壓熱耗修正曲線。由圖1可知，汽輪機排汽壓力降低1 kPa，相應熱耗率下降約1%。

2.2 進風導流和防凍擋風一體化技術

2.2.1 節能效益

圖1 某電廠600 MW機組背壓熱耗修正曲線Fig.1 Correction curve of heat consumption for back-pressure turbing for a 600 MW unit

冷卻塔進風導流和防凍擋風一體化裝置包含導流板主體及與之活動連接的擋風葉片。通過冷卻塔熱力性能測試和物模試驗分析可知，在電廠冷卻塔外設置進風導流和防凍擋風一體化裝置可使進風均勻，有效地改善了冷卻塔熱力性能，平均降低冷卻塔出水溫度約1.18℃，具有顯著的經濟效益［7-10］。電廠6～8月循環水溫平均降低1℃，有利于機組夏季安全運行。根據逐月風速資料，結合研究成果和有關工程經驗，對冷卻塔加裝進風導流和防凍擋風一體化裝置后的節能效益進行分析，預計可達到的效果如表1所示。

表1 1×600 MW機組冷卻塔加裝進風導流和防凍擋風一體化裝置的節能效益Tab.1 Energy conservation analysis under the technical reform of a 600 MW unit，the cooling tower is added with air inlet diversion and frost proofing

按1×600 MW機組年運行7500 h、年利用小時數為5500 h計算，冷卻塔進風導流和防凍擋風一體化裝置年運行8個月(考慮防凍原因，12、1、2月節能裝置不運行，3、11月各運行半個月)，共可節約標煤2578.09 t，按煤價 800 元/t計，可節省費用約206.25 萬元。

2.2.2 防凍效益

1×600 MW機組配置6500 m2冷卻塔，若用懸掛擋風板防凍措施，擋風板面積需4700～4800 m2(約2300～2400塊擋風板)。根據調研可知，每年約有25%左右的擋風板損壞，需要更換，其費用約25萬元。考慮到懸掛、摘取擋風板的費用，1年的運行維護成本約15萬元。采用進風導流和防凍擋風一體化技術改造，每年12月至次年2月的寒冷季節，可充分發揮該裝置的防凍擋風作用。根據氣候狀況和機組負荷情況，遮擋部分進風口面積，減少冷卻塔的進風量，有效防止汽機過冷和冷卻塔結冰。

與傳統的人工懸掛擋風板防凍措施相比，進風導流和防凍擋風一體化裝置節省大量的搬運和人工懸掛費用，并可取消專門用于存放擋風板的貯藏間，節省了占地面積，還可大幅度減少設備的人為損壞，節省設備維護與部件更換費用。

綜上所述，冷卻塔進風導流和防凍擋風一體化技術適用于冷卻塔熱力性能受自然風影響較大的北方地區，通過在冷卻塔底部進風口圓周外布置一系列進風導流和防凍擋風一體化裝置，對進塔空氣進行導流和整流，提高進入冷卻塔的空氣流場均勻化程度，增大空氣和水的接觸時間，有效改善冷卻塔的熱力性能，可降低循環水溫，提高機組運行的經濟性，減少污染物排放量。在冬季，可根據氣候狀況和機組負荷情況，遮擋部分進風口面積，使冷卻塔的進風量大幅度降低，有效防止冷卻塔掛冰，與懸掛擋風板防冰凍措施相比，可大幅度減少工作量和費用。

3 結語

冷卻塔進風導流和防凍擋風一體化裝置運行8個月可節省燃煤費用約206.25萬元，每年節約冬季防凍運行費用40萬元。初步估算冷卻塔進風導流和防凍擋風一體化裝置投資680萬元，投資回收期約為2.8年。該技術具有以下優點:

(1)實施此項技術無需停機，對機組正常運行沒有影響;

(2)冷卻塔的進風量增大，進風均勻，抵抗側風的能力增強;

(3)冷卻塔的冷卻能力提高，循環水溫平均可降低1.18℃，供電煤耗降低1.18 g/(kW·h)，節能效果顯著;

(4)有利于冷卻塔冬季防凍和夏季高溫期安全運行。

(5)投資較低，投資回收期較短，經濟效益顯著。

建議電廠實施冷卻塔進風導流和防凍擋風一體化節能技術改造。

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