快速噴霧結(jié)冰技術(shù)在循環(huán)冷卻水塔中的應(yīng)用

郭民臣，馬 英，梅 勇，陳文飛，王卜平

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206）

我國北方地區(qū)冬季環(huán)境溫度低，常常因循環(huán)水溫度過低而造成水塔配水系統(tǒng)、淋水系統(tǒng)等結(jié)冰而損壞，同時(shí)影響循環(huán)水系統(tǒng)的安全運(yùn)行.在嚴(yán)寒的冬季，大部分電廠的循環(huán)水塔都采用懸掛擋風(fēng)板的方法來防止循環(huán)水塔及其附屬設(shè)備結(jié)冰，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的（見圖1）［1］.

通過改變擋風(fēng)板的角度來控制進(jìn)塔空氣量可以防止水塔結(jié)冰，但該方法存在調(diào)整困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、維修量大的缺點(diǎn)，且對空氣量的調(diào)整也不夠靈活.

1 設(shè)備概況

遼寧東方發(fā)電有限公司于2005年投產(chǎn)2 臺(tái)350 MW機(jī)組，汽輪機(jī)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(jī).每臺(tái)機(jī)組設(shè)有冷卻面積為4 500m2的自然通風(fēng)冷卻水塔，配備2臺(tái)50%容量的循環(huán)水泵.

圖1 冷卻水塔懸掛擋風(fēng)板Fig.1 The cooling tower protected by suspension windshields

筆者提出采用快速噴霧結(jié)冰技術(shù)來防止水塔結(jié)冰.圖2為該公司2號機(jī)組（采用懸掛擋風(fēng)板進(jìn)行防凍）全天循環(huán)水溫度、機(jī)組負(fù)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(jī)組真空度呈現(xiàn)晝低夜高的趨勢，而機(jī)組負(fù)荷卻呈現(xiàn)晝高夜低的趨勢，兩者的變化趨勢恰好相反.對于采用擋風(fēng)板防凍的機(jī)組，為確保循環(huán)水塔防凍安全，所懸掛擋風(fēng)板的數(shù)量應(yīng)滿足負(fù)荷低谷、環(huán)境溫度最低、機(jī)組真空度最高時(shí)循環(huán)水塔的安全要求.由于安裝擋風(fēng)板的數(shù)量受天氣情況、風(fēng)向、風(fēng)力以及勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)費(fèi)用的影響較大，因此無法達(dá)到根據(jù)環(huán)境溫度高低和機(jī)組負(fù)荷大小來隨時(shí)調(diào)整循環(huán)水溫度的要求.這就出現(xiàn)了隨著環(huán)境溫度升高，機(jī)組負(fù)荷率逐漸升高，機(jī)組真空度逐漸降低，致使大部分時(shí)段循環(huán)水溫度高于經(jīng)濟(jì)溫度，機(jī)組真空度低于設(shè)計(jì)值，不利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［2］.

圖2 循環(huán)水溫度、機(jī)組負(fù)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(jié)冰技術(shù)

2.1 基本原理

快速噴霧結(jié)冰是一種利用大氣環(huán)境溫度和冷卻塔出口水溫的變化，在鋼絲網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)快速噴霧結(jié)冰及融化，達(dá)到調(diào)整循環(huán)水溫度及防止循環(huán)水塔結(jié)冰的技術(shù).在環(huán)境溫度較低時(shí)段，為確保循環(huán)水塔防凍安全，啟動(dòng)循環(huán)水塔蓄水池內(nèi)的潛水泵，循環(huán)水通過環(huán)形水管由噴嘴噴出，水霧噴灑在水塔進(jìn)風(fēng)口鋪設(shè)的鋼絲網(wǎng)上并迅速結(jié)成帶有孔洞的薄冰膜，使進(jìn)入水塔的風(fēng)量減少.通過控制潛水泵的啟動(dòng)時(shí)間來控制鋼絲網(wǎng)孔洞的大小，從而調(diào)整進(jìn)風(fēng)量，進(jìn)而將循環(huán)水溫度控制在合理范圍內(nèi)，達(dá)到循環(huán)水塔防凍的目的.隨著環(huán)境溫度及出塔水溫度的逐漸升高，鋼絲網(wǎng)上的薄冰膜逐漸融化，孔洞逐漸擴(kuò)大，使冷卻水塔進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)量逐漸增大，進(jìn)而將循環(huán)水溫度控制在最佳溫度下運(yùn)行.

2.2 裝置的基本組成

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

（1）在循環(huán)水冷卻塔進(jìn)風(fēng)口處斜支撐柱外側(cè)鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，形成結(jié)冰部分.鋼絲網(wǎng)由規(guī)格為30mm×30mm，網(wǎng)孔直徑為1.8mm 的絲網(wǎng)組成.

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

（3）主水管道上有多個(gè)分支水管；各分支水管上裝有銅制空心噴嘴，共布置有550個(gè)噴嘴，均勻分布在環(huán)形管上；噴嘴環(huán)形管由44 個(gè)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(chǔ)上，由此構(gòu)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(jī)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(shù)字顯示控制儀表上.當(dāng)顯示溫度過低時(shí)，啟動(dòng)潛水泵，此時(shí)很低的環(huán)境溫度會(huì)使薄冰較快地形成，進(jìn)而減少進(jìn)塔風(fēng)量；隨著環(huán)境溫度和出塔水溫的升高，薄冰逐漸融化，進(jìn)風(fēng)量增大.

3 快速噴霧結(jié)冰技術(shù)與傳統(tǒng)懸掛擋風(fēng)板防凍方法的對比

3.1 兩種方法的對比試驗(yàn)

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

為防止冷卻塔冬季結(jié)冰，大部分電廠在冷卻塔周圍懸掛擋風(fēng)板，可以改善進(jìn)風(fēng)口處的密封條件，減少進(jìn)入塔內(nèi)的空氣量.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，擋風(fēng)板懸掛及調(diào)整的依據(jù)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(xiàn)大量的冰塊.快速噴霧結(jié)冰技術(shù)在保證機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)冷卻塔最佳水溫的自動(dòng)控制，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性. 東北電力科學(xué)研究院于2010年2月對遼寧東方發(fā)電有限公司2臺(tái)350 MW 機(jī)組4 500m2循環(huán)冷卻水塔進(jìn)行了現(xiàn)場對比試驗(yàn)，1號機(jī)組采用快速噴霧結(jié)冰技術(shù)，2號機(jī)組采用懸掛擋風(fēng)板方法.試驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)工況，在1號機(jī)組噴霧結(jié)冰防凍裝置圍網(wǎng)上分別形成3個(gè)狀態(tài)：薄冰膜未融化狀態(tài)（見圖4（a））、部分融化狀態(tài)（見圖4（b））和薄冰膜基本融化狀態(tài)（見圖4（c）），3個(gè)工況下環(huán)境溫度分別為-5.4℃、-2.2 ℃和8.9 ℃，試驗(yàn)具體工況條件和測試結(jié)果見表1.

當(dāng)環(huán)境溫度在-5 ℃以下時(shí)，噴霧結(jié)冰網(wǎng)上形成緊密的冰膜，冰膜的孔洞較?。划?dāng)環(huán)境溫度在-3℃左右時(shí)，結(jié)冰網(wǎng)上的冰膜部分融化，冰膜孔洞較工況1增大；當(dāng)環(huán)境溫度高于5 ℃時(shí)，冰膜全部融化.

圖4 噴霧結(jié)冰圍網(wǎng)上薄冰膜狀態(tài)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(jī)組和2號機(jī)組循環(huán)水溫差較小，即懸掛擋風(fēng)板和冰膜不融化的狀態(tài)下效果相差很小；在工況2噴霧結(jié)冰防凍裝置圍網(wǎng)上的薄冰膜處于部分融化狀態(tài)和工況3薄冰膜處于全融化狀態(tài)時(shí)，1號機(jī)組循環(huán)水出口溫度比2 號機(jī)組明顯降低，分別降低2.699 K 和2.983K.

除上述3個(gè)工況外，還對2臺(tái)機(jī)組的循環(huán)冷卻水塔進(jìn)行了15h的監(jiān)測，數(shù)據(jù)見表2.

從表2可以看出，氣溫在-4～-11 ℃之間變化時(shí)，1號機(jī)組循環(huán)水入口溫度最高為14.16 ℃，最低為12.28℃，溫度波動(dòng)范圍為1.82K；2號機(jī)組循環(huán)水溫度最高為13.73 ℃，最低為9.46 ℃，溫度波動(dòng)范圍為4.27K，這是由于當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，未能及時(shí)調(diào)整冷卻塔擋風(fēng)板擋風(fēng)面積，導(dǎo)致水溫變化范圍較大.由對比可知，1號機(jī)組可根據(jù)大氣環(huán)境溫度和冷卻塔出口水溫對冰膜孔洞大小及融化速率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)冷卻水塔進(jìn)風(fēng)量自動(dòng)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循環(huán)水入口溫度的基本可控.

表1 循環(huán)冷卻水塔測試結(jié)果Tab.1 Test results for cooling towers

表2 循環(huán)冷卻水塔監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.2 Test results for cooling towers

3.2 兩種方法的經(jīng)濟(jì)性比較

電廠一般都把冷卻塔出口水溫作為評價(jià)冷卻塔冷卻性能的指標(biāo)，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(huán)冷卻塔出口水溫變化成反比.對于300 MW 機(jī)組，在機(jī)組負(fù)荷不變的情況下，循環(huán)水溫降低1 K，機(jī)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(jī)組比2號機(jī)組的排汽壓力小1.01kPa，考慮排汽壓力不同對機(jī)組的端差有一定的影響，通過修正，計(jì)算得出1號機(jī)組比2 號機(jī)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(jī)組比2號機(jī)組煤耗降低2.474g／（kW·h）.

由此得出，循環(huán)冷卻水塔快速噴霧結(jié)冰裝置不僅可以防止水塔結(jié)冰，保護(hù)設(shè)備，還可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度，在晝夜溫差變化較大的季節(jié)或者冬季初、末期其調(diào)節(jié)效果更明顯.

3.3 快速噴霧結(jié)冰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

快速噴霧結(jié)冰技術(shù)與擋風(fēng)板調(diào)節(jié)方法相比具有調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、操作簡便和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，具體是：

（1）快速噴霧結(jié)冰技術(shù)的應(yīng)用解決了水塔防凍問題，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)費(fèi)用.

（2）采用快速噴霧結(jié)冰技術(shù)時(shí)循環(huán)水溫度能夠隨環(huán)境溫度及機(jī)組負(fù)荷的變化而變化，因此循環(huán)水系統(tǒng)可以實(shí)施兩臺(tái)機(jī)組合用3臺(tái)循環(huán)水泵的運(yùn)行方式，甚至可以實(shí)施一臺(tái)機(jī)組1臺(tái)循環(huán)水泵的運(yùn)行方式，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.

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

（4）快速噴霧結(jié)冰裝置可根據(jù)循環(huán)水溫度的變化自動(dòng)進(jìn)行噴霧、結(jié)冰及融化，實(shí)現(xiàn)無人值守，設(shè)備維護(hù)量較小.設(shè)備一次性投資后可長期使用，4臺(tái)潛水泵功率較小.根據(jù)冬季運(yùn)行狀況統(tǒng)計(jì)，潛水泵年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不超過10h，設(shè)備日常維護(hù)費(fèi)用較低.

4 結(jié) 論

循環(huán)冷卻水塔快速噴霧結(jié)冰技術(shù)除了可以滿足冷卻水塔冬季防凍的基本要求外，還可以優(yōu)化調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度，自動(dòng)控制循環(huán)水溫度在一定范圍內(nèi)，充分利用北方地區(qū)冬季環(huán)境溫度較低的地域優(yōu)勢，使機(jī)組真空度保持在較高水平；并為優(yōu)化循環(huán)水泵運(yùn)行方式以及機(jī)組冷端經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了良好的基礎(chǔ)，提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.循環(huán)冷卻水塔快速噴霧結(jié)冰技術(shù)在我國北方地區(qū)使用自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的發(fā)電廠中具有較為廣闊的應(yīng)用前景.

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