冷卻塔節能改造對汽輪機組熱力性能影響分析

摘要：冷卻塔是汽輪機組重要輔助設備，通過冷卻塔節能改造提高冷卻能力后，可相對降低冷卻塔出塔水溫，進而降低汽輪機排汽壓力、汽輪機熱耗和發電煤耗。在進行冷卻塔改造效果分析時，以往重點以性能試驗實測冷卻塔冷卻效率為主，實踐中還需分析改造前后冷卻塔冷卻能力變化對汽輪機組熱力性能的影響，現以某600 MW機組冷卻塔改造為例，根據冷卻塔出塔水溫變化，結合水蒸氣特性、汽輪機和凝汽器變工況計算，分析不同運行工況下冷卻塔節能效果，所形成的分析方法和分析思路為其他機組冷卻塔節能改造效果分析及改造方案決策提供了指導。

關鍵詞：冷卻塔；節能改造；冷卻效率；汽輪機組；熱力性能

中圖分類號：TK261 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0058-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.016

0 " "引言

冷卻塔節能改造是電廠的一項重要節能項目，冷卻塔的冷卻效果直接影響著冷卻塔出水溫度即凝汽器循環冷卻水進口溫度的高低，進而影響機組真空和熱力性能[1-2]。國內科研院所、電廠檢修維護及冷卻塔改造廠家比較注重冷卻塔節能改造技術方面的研究和改造實踐，并取得了較好的成績。但是，前期研究相對缺少冷卻塔改造效果對機組熱力性能影響的分析，既不利于改造后效果的分析評價，也不利于改造前后的效果對比[3]。

1 " nbsp;冷卻塔節能改造概況

受工作環境影響，隨著運行時間增長，冷卻塔內的除水器、配水系統、淋水填料及內壁涂料均會出現老化問題，導致冷卻塔內壁滲水，除水器變形，配水槽裂縫或配水管端頭開裂，噴濺裝置脫落或損壞，加之淋水填料結垢堵塞或因冰載、水流沖擊造成破損等，導致冷卻塔冷卻效果變差，直接影響機組運行的經濟性和安全性。通過對冷卻塔內部部件的節能改造，提高冷卻塔冷卻效果，是實現火電廠節能降耗的有效途徑。

淋水填料是冷卻塔散熱的關鍵部件，冷卻塔中約70%的熱量由淋水填料散發，淋水填料臟污、破損、堵塞以及自身材質型式和布置方式會直接影響換熱效果，通過改造淋水填料能夠有效提高冷卻塔換熱能力。近年來，冷卻塔PVC淋水填料的開發和應用得到了長足發展，且以薄膜式淋水填料為主要產品。PVC淋水填料按其板型結構可以分為折波型、斜波型和復合波型三類，布置方式由傳統的均勻布置向不等高布置和不等間距布置發展。

噴濺裝置容易出現濺水不均、噴頭堵塞、噴頭損壞等問題，出現濺水效果不好、配水不均現象，影響冷卻塔冷卻效果。在自然通風冷卻塔改造中常選用的噴濺裝置有TPⅡ型、反射型、RC型及多層流型，材質均為工程塑料（ABS）。

除水器在塔內高溫（相對環境溫度而言）、高濕條件下長期運行后弧片容易變形，不但影響除水效果，還增加了冷卻塔的通風阻力，進而影響冷卻塔熱力性能。近年來，國內生產商改進了除水器的材質及生產工藝，包括采用聚氯乙烯（PVC）材料、對除水器上/下邊卷邊、一次擠塑成型等措施，進而有利于提高除水器的組裝剛度，保證除水器弧片長期使用不變形，除水效果好，通風阻力小，冷卻塔熱力性能的穩定性得到提升。

近些年，針對冷卻塔塔內部件的節能改造技術蓬勃發展，并取得了較好的效果。部分運行4～10年的冷卻塔通過節能改造冷卻能力明顯提高；但是，部分冷卻塔存在改造前后效果對比不明顯的現象，這主要是因為除了改造技術本身，改造前后效果的對比還受改造前冷卻塔工作狀態、工作環境、循環水水質及冷卻塔本身技術水平等因素的影響。同樣運行多年的冷卻塔冷卻能力偏差較大，有些冷卻塔運行多年冷卻能力仍接近原設計水平，但是也有冷卻塔運行時間較短就出現各種問題導致其冷卻能力明顯下降。因此，改造冷卻塔除了關注節能改造新技術之外，還需關注冷卻塔實際工作狀態，不能簡單地根據運行時間長短來決定是否需要改造。

2 " "冷卻塔改造效果對機組熱力性能影響

對冷卻塔節能改造效果的分析評價可以分為兩個方面，一方面是通過性能試驗實測冷卻塔改造后冷卻效率是否達到設計值，這也是最常見的性能評價方法；另一方面是對改造前后的冷卻效率進行對比，定量計算改造帶來的變化。分析改造前后冷卻效率的變化，不僅能夠客觀評價改造項目的效果，也能夠通過預測改造效果評判改造方案的優劣，避免盲目改造[4]。

冷卻塔改造效果可以通過冷卻效率這一主要熱力性能指標的高低進行定量評價。運行維護人員可以直觀地查看改造前后冷卻塔出塔水溫的相對變化，然后進一步計算不同工況下冷卻塔出塔水溫的變化對汽輪機背壓、汽輪機熱耗以及機組發電煤耗的影響[5-6]。

汽輪機凝汽器壓力對應飽和溫度的決定公式為：

ts=tw1+Δtw+δt " " " " " " （1）

式中：tw1為凝汽器冷卻水進口溫度（即冷卻塔出水溫度）；Δtw為凝汽器冷卻水溫升；δt為凝汽器傳熱端差。

通常分析冷卻塔改造效果時，以其他邊界條件如環境狀態、主輔機設備狀態、機組負荷等保持不變為前提，冷卻塔改造前后帶來的直接影響是冷卻塔出塔水溫的變化，凝汽器冷卻水溫升保持不變，凝汽器傳熱端差受冷卻塔出塔水溫變化（冷卻塔改造帶來的水溫變化相對較小）的影響可忽略不計。由此可推算出凝汽器壓力對應飽和溫度的變化量同冷卻塔出塔水溫的變化量保持一致，進而可折算出凝汽器壓力變化量以及汽輪機熱耗和發電煤耗變化量。

冷卻塔的設計運行工況以夏季工況為基準，冷卻塔性能試驗也要在夏季進行。此外，在進行改造效果分析，特別是節能量統計分析時還需要考慮其他季節下的節能效果，以及汽輪機組在不同運行負荷工況下的節能效果，建立隨季節變化（以冷卻塔出水溫度為基準）和隨機組負荷變化的冷卻塔節能改造效果分析模型。

需要說明的是，對于地處北方地區的機組，冷卻塔在冬季運行工況下還面臨防凍問題，為了保障冷卻塔防凍，往往需要人為提高冷卻塔出塔水溫，此時冷卻塔節能改造的效果是不需要再計算的，可以以人為干預冷卻塔出塔水溫為邊界，在人為干預冷卻塔出塔水溫的運行工況下不再分析統計冷卻塔節能改造效果。

3 " "實例分析

3.1 " "設備規范

某600 MW汽輪機組配備一座8 500 m2自然通風冷卻塔，冷卻塔采用改性PVC淋水填料，管式配水，噴濺裝置為反射Ⅲ型，除水器采用PVC除水器。冷卻塔主要參數如表1所示。

該機組冷卻塔投產后已運行8年時間，淋水填料和噴濺裝置老化嚴重，為了提高冷卻塔的冷卻能力，對其進行了節能改造。

3.2 " "節能改造方案

結合該冷卻塔實際運行狀態，其節能改造方案是全部更換淋水填料和噴濺裝置，修復配水管、除水器、填料玻璃鋼支撐架等存在的缺陷。

淋水填料為PVC材質，波形為斜折波形，需經過物理力學性能檢驗和平片型式檢驗，由電力工業熱力發電設備及材料質量檢驗測試中心出具檢測報告，小片間距淋水填料除出具材質檢測報告外，還應出具熱力、阻力特性檢測報告。

冷卻塔淋水填料采用非線性布置，根據塔內空氣動力場的分布規律，盡可能充分發揮各部分填料的冷卻潛力；在不同的半徑處填料的高度和間距有所差異，通過建立模型、數值計算、風洞試驗的方法制定填料非等高、非等間距的布置方案。

噴濺裝置選用旋轉型噴濺裝置，噴濺裝置及其附件的材質必須滿足安裝及運行要求，具有良好的耐熱、耐老化性能，具有足夠的強度和韌性；噴濺裝置旋轉盤及支架表面光潔圓滑、塑化良好、形狀規整、色澤一致，不得有裂紋、孔洞、氣泡、凹陷現象。

3.3 " "改造效果分析

冷卻塔改造后的冷卻效率為原冷卻塔冷卻效率設計值的115.5%，改造后的冷卻塔出塔水溫比原設計值降低約1.45 ℃。

同改造前相比，在冷卻塔出塔水溫不同基準值（環境溫度）以及不同機組負荷條件下，冷卻塔出塔水溫降低1.45 ℃對機組的節能效果影響分析結果如表2和表3所示，其中凝汽器壓力變化對汽輪機熱耗的影響通過汽輪機制造廠給出的汽輪機排汽壓力變化對汽輪機熱耗影響關系曲線進行計算。

其他工況下冷卻塔出塔水溫變化對應的節能效果采用類似方法進行分析統計。從表中可以看出，受汽輪機、凝汽器熱力性能和水蒸氣熱力特性影響，在機組不同負荷工況以及不同循環冷卻水溫度基準下，冷卻塔出塔水溫降低值對應的凝汽器壓力降低值、汽輪機熱耗降低值和機組發電煤耗降低值均不同，這表明各因素的影響不能通過簡單的線性比例關系進行核算，需結合水蒸氣特性、汽輪機和凝汽器變工況計算，重點結合汽輪機排汽壓力變化對汽輪機熱耗影響關系分析計算冷卻塔節能效果。

4 " "結語

冷卻塔是汽輪機組重要輔助設備，通過冷卻塔節能改造提高冷卻塔冷卻能力，可以有效降低汽輪機組能耗，提高機組運行經濟性。

評價冷卻塔的節能改造效果，不僅要通過冷卻塔性能試驗測試冷卻效率，還應重點分析改造前后冷卻塔冷卻能力的變化對汽輪機熱力性能的影響，根據冷卻塔出塔水溫變化，結合水蒸氣特性、汽輪機和凝汽器變工況計算，綜合分析不同運行工況下冷卻塔的節能效果。

[參考文獻]

[1] 胡三季，陳玉玲.自然通風冷卻塔的節能改造[J].熱力發電，2004，33（12）：44-47.

[2] 沙戰，周亞素.干濕式冷卻塔研究現狀及發展前景[J].能源研究與信息，2009，25（4）：192-197.

[3] 王明勇，欒俊，劉江.冷卻塔填料布置方式對熱力性能的影響[J].熱力發電，2018，47（3）：82-87.

[4] 王宏國，孫奉仲，戴振會，等.300 MW機組冷卻塔進風優化改造前后的性能評價[J].汽輪機技術，2009，51（4）：279-281.

[5] 趙元賓，孫奉仲，王凱，等.自然通風濕式冷卻塔傳熱傳質的三維數值分析[J].山東大學學報（工學版），2008，38（5）：36-41.

[6] 朱憲然.電站自然通風濕式冷卻塔空氣動力場數值模擬[D].濟南：山東大學，2002.

收稿日期：2022-09-08

作者簡介：姜國鋒（1976—），男，內蒙古赤峰人，碩士，工程師，國能神福（龍巖）發電有限責任公司總經理，從事電力生產管理與技術革新工作。

通信作者：崔曉波（1985—），男，河北保定人，博士，講師，系主任，研究方向：能源系統建模、控制與經濟性評價。