淺析冷卻塔節能改造的關鍵技術與應用

王 浩，王 勇，王鴻儒

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710032；2.大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東潮州521000）

淺析冷卻塔節能改造的關鍵技術與應用

王 浩1，王 勇1，王鴻儒2

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710032；2.大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東潮州521000）

鑒于冷卻塔熱力性能優劣對火電機組經濟性影響的重要性，結合冷卻塔的運行和工程改造經驗，在冷卻塔數值計算和性能試驗的成果基礎上，對影響冷卻塔熱力性能的因素進行分析，剖析導致冷卻塔性能下降的原因。借鑒國內、外先進技術，研究并總結了冷卻塔節能改造的關鍵技術，為冷卻塔的節能和改造提供技術支撐。

冷卻塔；節能；改造；關鍵技術；計算；熱力性能；效率；應用

0 概 述

冷卻塔是循環供水冷卻機組重要的輔助設備之一，其熱力性能的優劣，直接影響電廠的經濟性。近年來，部分電廠忽略了對冷卻塔的維護工作，對冷卻塔的改造資金投入不足，導致冷卻塔的冷卻性能下降。冷卻塔出水的溫度較高，降低了凝汽器的真空度，影響機組的運行效率。因此，加強監控冷卻塔的運行狀態，定期進行維護及性能測試，掌握冷卻塔實際運行時的熱力性能，適時進行節能改造，有利于降低冷卻塔的出塔水溫，提高機組的真空度，達到機組經濟運行的目的。

1 出塔水溫對經濟性影響［1］

對于循環供水冷卻機組而言，除了氣候和環境因素的影響外，冷卻塔熱力性能的好壞，直接影響了電廠的經濟運行。當汽輪機排汽量一定時，冷卻塔的出塔水溫，直接影響汽輪機的排汽壓力和循環熱效率。根據火電廠熱力系統變工況計算方法，核算冷卻水的溫度變化。當水溫升高1℃，在不同循環水溫度、不同泵組的運行方式下，對機組發電煤耗的影響曲線，如圖1所示。由圖1可知，冷卻塔的出塔水溫越高，對機組運行經濟性的影響程度越大。在循環水泵一機兩泵的運行狀態下，冷卻塔的出塔水溫為30℃時，出塔水溫每升高1℃，機組的發電煤耗將升高0.9 g·（k W·h）-1。

圖1 出塔水溫升高1℃對發電煤耗影響/g·（kW·h）-1

2 影響冷卻塔熱力性能的因素［2］

2.1 設備性能差

通常情況下，火電廠的設備招標采用低價中標方式，設備中每立方米的塔芯部件（淋水填料、托架、噴濺裝置以及除水器）的中標價格為350～400元。部分廠家塔芯材料的碳酸鈣比例較高，或添加了部分回料等，以降壓成本價格，確保中標。這種現象造成了塔芯部件的質量較差，設備的熱力性能也無法保證。常見的問題是填料的載荷強度和拉伸強度一般，變形嚴重、易碎或密度不合格，還有片間距過大，實際冷卻面積小（片數少），還有噴濺裝置的旋濺半徑小，噴濺裝置霧化效果差等現象。這些因素均導致冷卻塔的熱力性能下降，出塔的水溫高。嚴重時，還造成迎峰度夏期間機組長期處于低真空運行狀態。

2.2 設計水平低

早期冷卻塔的設計水平較低，主要表現在幾個方面。

（1）冷卻面積小

冷卻塔的冷卻面積，需根據冷卻塔的熱負荷和當地氣象條件進行耦合設計，當300 MW機組冷卻塔的面積小于4 000～4 500 m2，600 MW機組冷卻塔面積小于6 500～7 000 m2，應適當增容或進行改造方面的可行性研究。

（2）填料波形落后

早期冷卻塔填料的波形落后，通常采用正弦波或斜波等形狀，其水膜橫向擴散的能力差，水-氣擾動效果一般，水膜的流速較快，造成填料中水-氣熱質交換效果差。

（3）噴濺裝置的數量少

早期設計的冷卻塔噴濺裝置數量少，300 MW機組一般在3 000～3 500個，600MW機組一般在5 500～6 000個，冷卻塔外圍配水區的噴濺裝置間距為1.1～1.2 m。

（4）噴濺裝置的性能落后

早期冷卻塔噴濺裝置選型為反射Ⅰ型、固定濺蝶式、多層流式、TPⅠ型等，其工作水頭較大，且適應性一般，噴散水滴較大，常發現有傘膜中空現象。另外，噴濺的半徑較小，相鄰噴濺裝置之間的距離大，造成噴濺裝置之間的中空現象嚴重。

2.3 塔芯材料老化

火電廠冷卻塔塔芯材料正常服役期限應在10年以上，但由于低價中標、產品質量參差不齊、冷卻塔監督和維護不當等，造成冷卻塔運行5～6年以后塔芯材料出現老化現象，主要表現在：

（1）配風不均勻

冷卻塔部分填料變形、破損；噴濺裝置堵塞、脫落；配水管開裂；托架損壞等。由于自然風的動力特性，易向阻力小的區域流動，造成冷卻塔全塔配風嚴重不均勻，嚴重時影響冷卻塔出塔水溫0.5～1.0℃。

（2）配水不均勻

因冷卻塔的部分填料變形或破損，噴濺裝置堵塞及脫落等情況，造成冷卻塔全塔的配水不均勻。另外，還有冷卻塔配水與空氣動力場不匹配，虹吸配水冷卻塔配水的效果差等現象。

（3）填料表面臟

部分電廠冷卻塔距煤場、灰庫較近，對循環水的水質有一定影響，造成淋水填料之間形成一層薄膜狀的淤泥或垢類，不利于循環水在填料表面形成薄膜，且增加了填料區域的通風阻力，造成冷卻塔熱力性能降低。通常情況下，填料較薄，且強度較低，不能采用高壓水清洗的方法清除積垢。

對現場進行考察，部分冷卻塔內部的實物圖，如圖2所示。

圖2 部分冷卻塔的內部狀況

2.4 其他因素

有些冷卻塔改造不久，但其熱力性能沒有得到提高，主要原因是改造方案不合理，低價中標的塔芯材料質量差，施工質量有缺陷等。

3 冷卻塔節能改造關鍵技術［3］

3.1 填料的非等高布置

在冷卻塔的傳熱區域，外區空氣的流速較大，內區空氣的流速較低，填料區的溫度呈外低內高分布。為強化塔內的換熱能力，根據外區、內區溫度場的分布狀況，合理增大外區填料的厚度，減小內區填料厚度，即填料為非等高布置，可有效利用外區、內區上升空氣的吸熱吸濕能力，使得外區、內區循環水均能達到充分冷卻。填料的非等高布置形式，如圖3所示。

圖3 冷卻塔水面水溫場及非等高布置圖

3.2 填料非等片距布置

如原塔設計條件無法改造成填料的非等高布置，亦可通過優化設計，改造成填料的非等片距布置，即在一定通風阻力情況下，考慮防止雜物堵塞等問題，依據冷卻塔溫度場和空氣動力場的分布情況，合理調整填料波間距，使得填料中水氣熱質交換更充分，提高單位體積填料的冷卻效果。填料的非等片距布置形式，如圖4所示。

圖4 冷卻塔填料非等片距布置圖

3.3 冷卻面積增容

根據噴濺裝置與淋水填料頂部之間的距離，在滿足噴濺裝置霧化的前提下，并考慮嚴寒地區冬季冰載和循環水水質較差地區填料防堵等問題基礎上，依據冷卻塔溫度場和空氣動力場分布情況，合理增加填料組裝高度。通過對冷卻塔全面節能提效的改造，填料面積可增容8%～15%。

3.4 配水優化

部分冷卻塔存在內區噴淋水量大、外區噴淋水量較小的問題，改造冷卻塔時，應依據冷卻塔溫度場和空氣動力場分布情況，對內、外區噴濺裝置重新進行優化布置，調整冷卻塔的淋水密度，使水流分配更加均勻，增加同等淋水量的換熱面積，有利于改善冷卻塔的換熱效果。

3.5 噴濺裝置數量優化

在保證冷卻塔基礎強度不變、配水均勻等前提下，對槽式配水冷卻塔，可通過增加噴濺裝置數量（可增加原總數量的5%～10%），達到優于原冷卻塔熱力性能的目的。

3.6 塔芯材料組合優化

通過對冷卻塔全面熱力計算和試驗測試，對多種填料波形（雙斜波、斜折波、S波、斜波）、波間距（22～32 mm）、片數（55～100片）；托架（插銷式、套管式、鑄鐵）；除水器等組合優化，使冷卻塔性能達到最佳，各種塔芯材料和噴濺裝置，如圖5、圖6所示。

圖5 冷卻塔不同波形填料

圖6 冷卻塔不同噴濺裝置

4 冷卻塔節能改造工程應用

對原冷卻塔進行熱力性能試驗和三維數值計算后，得到冷卻塔最佳溫度場和空氣動力場，查明導致冷卻塔性能下降的主要環節，對塔芯材料進行優化選型，采用填料的非等高布置和填料非等間距布置，最終確定冷卻塔節能提效的改造方案。運行結果證明，冷卻塔改造后，出塔水溫可下降1.0～2.0℃，部分性能差的冷卻塔，改造后的出塔水溫可下降2.0℃以上，發電煤耗可下降1.0～2.0 g/（k W·h）。對冷卻塔節能改造的具體案例，如表1所示。

表1 冷卻塔節能改造案例

5 結 語

基于冷卻塔熱力性能試驗和數值計算的研究成果，結合多臺冷卻塔工程改造的經驗，分析了導致冷卻塔熱力性能變差的各項因素，研究并總結了冷卻塔改造的關鍵技術。實踐證明，對冷卻塔技術改造后，降低了出塔水溫。冷卻塔節能改造項目的投資小、收益高、周期短，是火電廠節能降耗的有效途徑之一。

［1］于新穎.凝汽器運行參數對其性能的影響分析［J］.電站輔機，2002，（3）：36-39.

［2］能源部西安熱工研究所.熱工技術手冊［R］.1991，（3）：361-398.

［3］F.Merkel.Vesdunstrung Skuhlung.VD1，Forschungsh，No. 275，1925.

簡訊

我國已有22臺核電機組投入商業運行

日前，中國核能行業協會發布的2014年第四季度核電運行情況顯示，各核電廠嚴格控制機組的運行風險，繼續保持機組安全穩定地運行。

數據顯示，至2014年底，我國累計發電量為13883.2億千瓦時，核電累計發電量為368.96億千瓦時，約占全國累計發電量的2.66%。2014年第四季度核發電量比三季度下降了2.01%，比2013年同期上升了22.15%。累計上網電量為346.41億千瓦時，比2014年三季度下降了2. 08%，比2013年同期上升了22.25%。截至2014年底，我國投入商業運行的核電機組共22臺。

摘自上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠技術部《信息簡訊》第196期

Analysis on Key Technology and Application of Cooling Tower Energy-saving Transformation

WANG Hao1，WANG Yong1，WANG Hong-ru2
（1.Xi'an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.Xi'an 710032，Shaanxi，China；2.Da Tang International Chao Zhou Power Generation Co.，Ltd.Chao Zhou 521000，Guangdong，China）

In view of cooling tower thermal performance's importance for economy influence of thermal power unit，this paper combines actual operation of the cooling tower with the engineering experience.On the basis of the cooling tower numerical calculation and performance test results，the paper analyzes the various factors influencing the cooling tower thermal performance and anatomizes the reasons causing the decrease of cooling tower thermal performance.By drawing lessons from domestic and foreign advanced technology，the paper studies and sums up energy-saving reform key technology，providing strong support for the integration of energy-saving retrofit scheme for cooling tower，which has important engineering application value.

cooling tower；energy-saving reformation；key technology；calculation；thermal performance；efficiency；application

TK264.1

：A

1672-0210（2015）01-0028-04

2014-12-08

王浩（1979-），男，工程師，碩士，主要從事火電廠節能診斷技術的研究。