快速噴霧結冰技術在循環冷卻水塔中的應用

郭民臣，馬 英，梅 勇，陳文飛，王卜平

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京102206）

我國北方地區冬季環境溫度低，常常因循環水溫度過低而造成水塔配水系統、淋水系統等結冰而損壞，同時影響循環水系統的安全運行.在嚴寒的冬季，大部分電廠的循環水塔都采用懸掛擋風板的方法來防止循環水塔及其附屬設備結冰，達到保護設備的目的（見圖1）［1］.

通過改變擋風板的角度來控制進塔空氣量可以防止水塔結冰，但該方法存在調整困難、勞動強度大、維修量大的缺點，且對空氣量的調整也不夠靈活.

1 設備概況

遼寧東方發電有限公司于2005年投產2 臺350 MW機組，汽輪機為N350—16.7／538／538 亞臨界、一次中間再熱、雙缸、單軸、雙分流、凝汽式汽輪機.每臺機組設有冷卻面積為4 500m2的自然通風冷卻水塔，配備2臺50%容量的循環水泵.

圖1 冷卻水塔懸掛擋風板Fig.1 The cooling tower protected by suspension windshields

筆者提出采用快速噴霧結冰技術來防止水塔結冰.圖2為該公司2號機組（采用懸掛擋風板進行防凍）全天循環水溫度、機組負荷與排汽壓力曲線.從圖2可看出，由于冬季夜晚溫度低，所以機組真空度呈現晝低夜高的趨勢，而機組負荷卻呈現晝高夜低的趨勢，兩者的變化趨勢恰好相反.對于采用擋風板防凍的機組，為確保循環水塔防凍安全，所懸掛擋風板的數量應滿足負荷低谷、環境溫度最低、機組真空度最高時循環水塔的安全要求.由于安裝擋風板的數量受天氣情況、風向、風力以及勞動強度和維護費用的影響較大，因此無法達到根據環境溫度高低和機組負荷大小來隨時調整循環水溫度的要求.這就出現了隨著環境溫度升高，機組負荷率逐漸升高，機組真空度逐漸降低，致使大部分時段循環水溫度高于經濟溫度，機組真空度低于設計值，不利于機組的經濟運行［2］.

圖2 循環水溫度、機組負荷與排氣壓力曲線Fig.2 Curves of circulating water temperature，unit load and discharge pressure

2 快速噴霧結冰技術

2.1 基本原理

快速噴霧結冰是一種利用大氣環境溫度和冷卻塔出口水溫的變化，在鋼絲網上實現快速噴霧結冰及融化，達到調整循環水溫度及防止循環水塔結冰的技術.在環境溫度較低時段，為確保循環水塔防凍安全，啟動循環水塔蓄水池內的潛水泵，循環水通過環形水管由噴嘴噴出，水霧噴灑在水塔進風口鋪設的鋼絲網上并迅速結成帶有孔洞的薄冰膜，使進入水塔的風量減少.通過控制潛水泵的啟動時間來控制鋼絲網孔洞的大小，從而調整進風量，進而將循環水溫度控制在合理范圍內，達到循環水塔防凍的目的.隨著環境溫度及出塔水溫度的逐漸升高，鋼絲網上的薄冰膜逐漸融化，孔洞逐漸擴大，使冷卻水塔進風口的進風量逐漸增大，進而將循環水溫度控制在最佳溫度下運行.

2.2 裝置的基本組成

快速噴霧結冰裝置見圖3，主要由4部分（結冰部分、配水部分、霧化部分和控制部分）組成.

（1）在循環水冷卻塔進風口處斜支撐柱外側鋪設鋼絲網，形成結冰部分.鋼絲網由規格為30mm×30mm，網孔直徑為1.8mm 的絲網組成.

（2）配水部分配備4 臺功率為18kW 的潛水泵，主水管道以直徑50mm 管子環形布置，上、下共4層，每層分8 段，一臺潛水泵控制兩段，每段設1臺閥門來控制配水量.

（3）主水管道上有多個分支水管；各分支水管上裝有銅制空心噴嘴，共布置有550個噴嘴，均勻分布在環形管上；噴嘴環形管由44 個F 型角鋼支架支撐，支架固定在以0.8m×0.8m×1.2m 混凝土基礎上，由此構成霧化部分.

（4）控制部分主要指溫度控制裝置，包括溫度控制器、溫度傳感器和連接在水泵電機回路上的交流接觸器.溫度傳感器檢測水池中的水溫，將水塔出水的溫度反饋到數字顯示控制儀表上.當顯示溫度過低時，啟動潛水泵，此時很低的環境溫度會使薄冰較快地形成，進而減少進塔風量；隨著環境溫度和出塔水溫的升高，薄冰逐漸融化，進風量增大.

3 快速噴霧結冰技術與傳統懸掛擋風板防凍方法的對比

3.1 兩種方法的對比試驗

圖3 快速噴霧結冰裝置Fig.3 Arrangement drawings of the rapid spray-freezing apparatus

為防止冷卻塔冬季結冰，大部分電廠在冷卻塔周圍懸掛擋風板，可以改善進風口處的密封條件，減少進入塔內的空氣量.根據經驗，擋風板懸掛及調整的依據是淋水裝置處的氣溫控制在0 ℃以上，池水溫度在10～15 ℃，并且不出現大量的冰塊.快速噴霧結冰技術在保證機組安全運行的基礎上，實現冷卻塔最佳水溫的自動控制，提高了機組的經濟性. 東北電力科學研究院于2010年2月對遼寧東方發電有限公司2臺350 MW 機組4 500m2循環冷卻水塔進行了現場對比試驗，1號機組采用快速噴霧結冰技術，2號機組采用懸掛擋風板方法.試驗共進行3個工況，在1號機組噴霧結冰防凍裝置圍網上分別形成3個狀態：薄冰膜未融化狀態（見圖4（a））、部分融化狀態（見圖4（b））和薄冰膜基本融化狀態（見圖4（c）），3個工況下環境溫度分別為-5.4℃、-2.2 ℃和8.9 ℃，試驗具體工況條件和測試結果見表1.

當環境溫度在-5 ℃以下時，噴霧結冰網上形成緊密的冰膜，冰膜的孔洞較小；當環境溫度在-3℃左右時，結冰網上的冰膜部分融化，冰膜孔洞較工況1增大；當環境溫度高于5 ℃時，冰膜全部融化.

圖4 噴霧結冰圍網上薄冰膜狀態Fig.4 Status of ice film on net formed by spray-freezing technology

從表1可以看出，在工況1條件下，1號機組和2號機組循環水溫差較小，即懸掛擋風板和冰膜不融化的狀態下效果相差很小；在工況2噴霧結冰防凍裝置圍網上的薄冰膜處于部分融化狀態和工況3薄冰膜處于全融化狀態時，1號機組循環水出口溫度比2 號機組明顯降低，分別降低2.699 K 和2.983K.

除上述3個工況外，還對2臺機組的循環冷卻水塔進行了15h的監測，數據見表2.

從表2可以看出，氣溫在-4～-11 ℃之間變化時，1號機組循環水入口溫度最高為14.16 ℃，最低為12.28℃，溫度波動范圍為1.82K；2號機組循環水溫度最高為13.73 ℃，最低為9.46 ℃，溫度波動范圍為4.27K，這是由于當環境溫度升高時，未能及時調整冷卻塔擋風板擋風面積，導致水溫變化范圍較大.由對比可知，1號機組可根據大氣環境溫度和冷卻塔出口水溫對冰膜孔洞大小及融化速率進行控制，實現冷卻水塔進風量自動控制，進而實現循環水入口溫度的基本可控.

表1 循環冷卻水塔測試結果Tab.1 Test results for cooling towers

表2 循環冷卻水塔監測數據Tab.2 Test results for cooling towers

3.2 兩種方法的經濟性比較

電廠一般都把冷卻塔出口水溫作為評價冷卻塔冷卻性能的指標，冷卻塔出口水溫直接影響電廠的熱效率［3］，而電廠熱效率通常與循環冷卻塔出口水溫變化成反比.對于300 MW 機組，在機組負荷不變的情況下，循環水溫降低1 K，機組效率增加0.23%，煤耗減小0.798g／（kW·h）［4］.

對于工況2（部分融化），由表1可知，1號機組比2號機組的排汽壓力小1.01kPa，考慮排汽壓力不同對機組的端差有一定的影響，通過修正，計算得出1號機組比2 號機組煤耗降低2.156g／（kW·h）.同理，工況3（全融化）下考慮端差的影響，1號機組比2號機組煤耗降低2.474g／（kW·h）.

由此得出，循環冷卻水塔快速噴霧結冰裝置不僅可以防止水塔結冰，保護設備，還可以實現調節循環水溫度，在晝夜溫差變化較大的季節或者冬季初、末期其調節效果更明顯.

3.3 快速噴霧結冰技術的優點

快速噴霧結冰技術與擋風板調節方法相比具有調節能力強、操作簡便和能耗低等優點，具體是：

（1）快速噴霧結冰技術的應用解決了水塔防凍問題，降低了勞動強度和維護費用.

（2）采用快速噴霧結冰技術時循環水溫度能夠隨環境溫度及機組負荷的變化而變化，因此循環水系統可以實施兩臺機組合用3臺循環水泵的運行方式，甚至可以實施一臺機組1臺循環水泵的運行方式，提高機組運行的經濟性.

（3）由于水塔的防凍操作不受環境因素的影響，可隨時進行，且其冰膜孔洞的大小及冰膜的厚度可人為地控制，嚴寒天氣可確保整個水塔的密封，能滿足天氣情況突變時冷卻水塔的安全運行.

（4）快速噴霧結冰裝置可根據循環水溫度的變化自動進行噴霧、結冰及融化，實現無人值守，設備維護量較小.設備一次性投資后可長期使用，4臺潛水泵功率較小.根據冬季運行狀況統計，潛水泵年累計運行時間不超過10h，設備日常維護費用較低.

4 結 論

循環冷卻水塔快速噴霧結冰技術除了可以滿足冷卻水塔冬季防凍的基本要求外，還可以優化調節循環水溫度，自動控制循環水溫度在一定范圍內，充分利用北方地區冬季環境溫度較低的地域優勢，使機組真空度保持在較高水平；并為優化循環水泵運行方式以及機組冷端經濟運行提供了良好的基礎，提高了機組運行的經濟性.循環冷卻水塔快速噴霧結冰技術在我國北方地區使用自然通風逆流濕式冷卻塔的發電廠中具有較為廣闊的應用前景.

［1］曾建柱.冷卻塔防冰凍措施設計探討［J］.電力建設，2002，23（2）：24-26.ZENG Jianzhu.Inquire into design of anti-freezing measures for cooling towers［J］.Electric Power Construction，2002，23（2）：24-26.

［2］楊義波，孫麗君，劉昱軒.循環水溫度升高原因及對機組熱經濟性影響的計算分析［J］.汽輪機技術，2001，43（1）：26-27.YANG Yibo，SUN Lijun，LIU Yuxuan.The reason for circulating water temperature rising and quantitative analysis influence on unit heat economy［J］.Turbine Technology，2001，43（1）：26-27.

［3］張志剛，王瑋，曾德良，等.冷卻塔出塔水溫的迭代計算方法［J］.動力工程學報，2010，30（5）：372-377.ZHANG Zhigang，WANG Wei，ZENG Deliang，etal.The Iterative calculation of cooling tower s outlet water temperature［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（5）：372-377.

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