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(fā)電有限責(zé)任公司，廣東潮州521000）

淺析冷卻塔節(jié)能改造的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)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(fā)電有限責(zé)任公司，廣東潮州521000）

鑒于冷卻塔熱力性能優(yōu)劣對火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的重要性，結(jié)合冷卻塔的運(yùn)行和工程改造經(jīng)驗(yàn)，在冷卻塔數(shù)值計(jì)算和性能試驗(yàn)的成果基礎(chǔ)上，對影響冷卻塔熱力性能的因素進(jìn)行分析，剖析導(dǎo)致冷卻塔性能下降的原因。借鑒國內(nèi)、外先進(jìn)技術(shù)，研究并總結(jié)了冷卻塔節(jié)能改造的關(guān)鍵技術(shù)，為冷卻塔的節(jié)能和改造提供技術(shù)支撐。

冷卻塔；節(jié)能；改造；關(guān)鍵技術(shù)；計(jì)算；熱力性能；效率；應(yīng)用

0 概 述

冷卻塔是循環(huán)供水冷卻機(jī)組重要的輔助設(shè)備之一，其熱力性能的優(yōu)劣，直接影響電廠的經(jīng)濟(jì)性。近年來，部分電廠忽略了對冷卻塔的維護(hù)工作，對冷卻塔的改造資金投入不足，導(dǎo)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(jī)組的運(yùn)行效率。因此，加強(qiáng)監(jiān)控冷卻塔的運(yùn)行狀態(tài)，定期進(jìn)行維護(hù)及性能測試，掌握冷卻塔實(shí)際運(yùn)行時(shí)的熱力性能，適時(shí)進(jìn)行節(jié)能改造，有利于降低冷卻塔的出塔水溫，提高機(jī)組的真空度，達(dá)到機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

1 出塔水溫對經(jīng)濟(jì)性影響［1］

對于循環(huán)供水冷卻機(jī)組而言，除了氣候和環(huán)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行。當(dāng)汽輪機(jī)排汽量一定時(shí)，冷卻塔的出塔水溫，直接影響汽輪機(jī)的排汽壓力和循環(huán)熱效率。根據(jù)火電廠熱力系統(tǒng)變工況計(jì)算方法，核算冷卻水的溫度變化。當(dāng)水溫升高1℃，在不同循環(huán)水溫度、不同泵組的運(yùn)行方式下，對機(jī)組發(fā)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(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響程度越大。在循環(huán)水泵一機(jī)兩泵的運(yùn)行狀態(tài)下，冷卻塔的出塔水溫為30℃時(shí)，出塔水溫每升高1℃，機(jī)組的發(fā)電煤耗將升高0.9 g·（k W·h）-1。

圖1 出塔水溫升高1℃對發(fā)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(shè)備性能差

通常情況下，火電廠的設(shè)備招標(biāo)采用低價(jià)中標(biāo)方式，設(shè)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(biāo)價(jià)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(jià)格，確保中標(biāo)。這種現(xiàn)象造成了塔芯部件的質(zhì)量較差，設(shè)備的熱力性能也無法保證。常見的問題是填料的載荷強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度一般，變形嚴(yán)重、易碎或密度不合格，還有片間距過大，實(shí)際冷卻面積?。ㄆ瑪?shù)少），還有噴濺裝置的旋濺半徑小，噴濺裝置霧化效果差等現(xiàn)象。這些因素均導(dǎo)致冷卻塔的熱力性能下降，出塔的水溫高。嚴(yán)重時(shí)，還造成迎峰度夏期間機(jī)組長期處于低真空運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 設(shè)計(jì)水平低

早期冷卻塔的設(shè)計(jì)水平較低，主要表現(xiàn)在幾個方面。

（1）冷卻面積小

冷卻塔的冷卻面積，需根據(jù)冷卻塔的熱負(fù)荷和當(dāng)?shù)貧庀髼l件進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，當(dāng)300 MW機(jī)組冷卻塔的面積小于4 000～4 500 m2，600 MW機(jī)組冷卻塔面積小于6 500～7 000 m2，應(yīng)適當(dāng)增容或進(jìn)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(kuò)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(zhì)交換效果差。

（3）噴濺裝置的數(shù)量少

早期設(shè)計(jì)的冷卻塔噴濺裝置數(shù)量少，300 MW機(jī)組一般在3 000～3 500個，600MW機(jī)組一般在5 500～6 000個，冷卻塔外圍配水區(qū)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(yīng)性一般，噴散水滴較大，常發(fā)現(xiàn)有傘膜中空現(xiàn)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(xiàn)象嚴(yán)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(yīng)在10年以上，但由于低價(jià)中標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、冷卻塔監(jiān)督和維護(hù)不當(dāng)?shù)?，造成冷卻塔運(yùn)行5～6年以后塔芯材料出現(xiàn)老化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在：

（1）配風(fēng)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(fēng)的動力特性，易向阻力小的區(qū)域流動，造成冷卻塔全塔配風(fēng)嚴(yán)重不均勻，嚴(yán)重時(shí)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(xiàn)象。

（3）填料表面臟

部分電廠冷卻塔距煤場、灰?guī)燧^近，對循環(huán)水的水質(zhì)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(huán)水在填料表面形成薄膜，且增加了填料區(qū)域的通風(fēng)阻力，造成冷卻塔熱力性能降低。通常情況下，填料較薄，且強(qiáng)度較低，不能采用高壓水清洗的方法清除積垢。

對現(xiàn)場進(jìn)行考察，部分冷卻塔內(nèi)部的實(shí)物圖，如圖2所示。

圖2 部分冷卻塔的內(nèi)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(jià)中標(biāo)的塔芯材料質(zhì)量差，施工質(zhì)量有缺陷等。

3 冷卻塔節(jié)能改造關(guān)鍵技術(shù)［3］

3.1 填料的非等高布置

在冷卻塔的傳熱區(qū)域，外區(qū)空氣的流速較大，內(nèi)區(qū)空氣的流速較低，填料區(qū)的溫度呈外低內(nèi)高分布。為強(qiáng)化塔內(nèi)的換熱能力，根據(jù)外區(qū)、內(nèi)區(qū)溫度場的分布狀況，合理增大外區(qū)填料的厚度，減小內(nèi)區(qū)填料厚度，即填料為非等高布置，可有效利用外區(qū)、內(nèi)區(qū)上升空氣的吸熱吸濕能力，使得外區(qū)、內(nèi)區(qū)循環(huán)水均能達(dá)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(shè)計(jì)條件無法改造成填料的非等高布置，亦可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，改造成填料的非等片距布置，即在一定通風(fēng)阻力情況下，考慮防止雜物堵塞等問題，依據(jù)冷卻塔溫度場和空氣動力場的分布情況，合理調(diào)整填料波間距，使得填料中水氣熱質(zhì)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(jù)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(yán)寒地區(qū)冬季冰載和循環(huán)水水質(zhì)較差地區(qū)填料防堵等問題基礎(chǔ)上，依據(jù)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(jié)能提效的改造，填料面積可增容8%～15%。

3.4 配水優(yōu)化

部分冷卻塔存在內(nèi)區(qū)噴淋水量大、外區(qū)噴淋水量較小的問題，改造冷卻塔時(shí)，應(yīng)依據(jù)冷卻塔溫度場和空氣動力場分布情況，對內(nèi)、外區(qū)噴濺裝置重新進(jìn)行優(yōu)化布置，調(diào)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(shù)量優(yōu)化

在保證冷卻塔基礎(chǔ)強(qiáng)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(shù)量（可增加原總數(shù)量的5%～10%），達(dá)到優(yōu)于原冷卻塔熱力性能的目的。

3.6 塔芯材料組合優(yōu)化

通過對冷卻塔全面熱力計(jì)算和試驗(yàn)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(shù)（55～100片）；托架（插銷式、套管式、鑄鐵）；除水器等組合優(yōu)化，使冷卻塔性能達(dá)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(jié)能改造工程應(yīng)用

對原冷卻塔進(jìn)行熱力性能試驗(yàn)和三維數(shù)值計(jì)算后，得到冷卻塔最佳溫度場和空氣動力場，查明導(dǎo)致冷卻塔性能下降的主要環(huán)節(jié)，對塔芯材料進(jìn)行優(yōu)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(jié)能提效的改造方案。運(yùn)行結(jié)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(fā)電煤耗可下降1.0～2.0 g/（k W·h）。對冷卻塔節(jié)能改造的具體案例，如表1所示。

表1 冷卻塔節(jié)能改造案例

5 結(jié) 語

基于冷卻塔熱力性能試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的研究成果，結(jié)合多臺冷卻塔工程改造的經(jīng)驗(yàn)，分析了導(dǎo)致冷卻塔熱力性能變差的各項(xiàng)因素，研究并總結(jié)了冷卻塔改造的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明，對冷卻塔技術(shù)改造后，降低了出塔水溫。冷卻塔節(jié)能改造項(xiàng)目的投資小、收益高、周期短，是火電廠節(jié)能降耗的有效途徑之一。

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

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

［3］F.Merkel.Vesdunstrung Skuhlung.VD1，F(xiàn)orschungsh，No. 275，1925.

簡訊

我國已有22臺核電機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行

日前，中國核能行業(yè)協(xié)會發(fā)布的2014年第四季度核電運(yùn)行情況顯示，各核電廠嚴(yán)格控制機(jī)組的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，繼續(xù)保持機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

數(shù)據(jù)顯示，至2014年底，我國累計(jì)發(fā)電量為13883.2億千瓦時(shí)，核電累計(jì)發(fā)電量為368.96億千瓦時(shí)，約占全國累計(jì)發(fā)電量的2.66%。2014年第四季度核發(fā)電量比三季度下降了2.01%，比2013年同期上升了22.15%。累計(jì)上網(wǎng)電量為346.41億千瓦時(shí)，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(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組共22臺。

摘自上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠技術(shù)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(jié)能診斷技術(shù)的研究。