大型自然通風(fēng)冷卻塔節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

華 敏，董益華

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

大型自然通風(fēng)冷卻塔節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

華 敏，董益華

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

目前內(nèi)陸發(fā)電廠的大型濕式自然通風(fēng)冷卻塔改造效果評(píng)判缺乏全面有效的評(píng)價(jià)體系，針對(duì)該現(xiàn)狀提出了采用細(xì)分區(qū)間的方法，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)冷卻塔改造前后的采集樣本數(shù)據(jù)作不同循泵組合的分類，并分別擬合出改造前后環(huán)境溫度與出塔水溫的關(guān)系曲線。依據(jù)凝汽器變工況理論，通過機(jī)組循環(huán)效率試驗(yàn)和變背壓試驗(yàn)得到機(jī)組負(fù)荷與熱耗率曲線以及不同負(fù)荷下背壓與熱耗率修正率曲線，即可得出冷卻塔改造后的節(jié)能收益。以某9 000 m2冷卻塔改造為例，運(yùn)用該方法詳細(xì)計(jì)算了改造前后的節(jié)能量，項(xiàng)目成本收回時(shí)間約2年，對(duì)冷卻塔節(jié)能改造經(jīng)濟(jì)性分析研究具有一定的參考意義。

自然通風(fēng)；冷卻塔；改造；細(xì)分區(qū)間法；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

內(nèi)陸發(fā)電廠的冷端系統(tǒng)往往為閉式循環(huán)，主要包括汽輪機(jī)低壓缸、凝汽器、凝汽器抽真空系統(tǒng)、凝汽器清洗系統(tǒng)、循環(huán)水泵（簡(jiǎn)稱循泵）、冷卻塔等設(shè)備及相應(yīng)連接管路，是火電機(jī)組的重要組成部分[1]。從熱力循環(huán)的角度來分析，冷端損失超過50%機(jī)組吸熱量，是制約機(jī)組熱效率提高的最主要因素，因此冷端系統(tǒng)的節(jié)能工作大有可為。冷端優(yōu)化運(yùn)行及改造的目的就是降低凝汽器運(yùn)行背壓。一般地，冷端系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化改造工作主要包括循泵雙速改造、循泵組合優(yōu)化運(yùn)行、水環(huán)式真空泵增加制冷系統(tǒng)、凝汽器膠球清洗系統(tǒng)改造為大數(shù)量集中噴射清洗等，對(duì)于冷卻塔卻缺少足夠的重視。近年來，冷卻塔節(jié)能改造已陸續(xù)開展，但仍缺少全面科學(xué)的評(píng)價(jià)體系。

1 自然通風(fēng)冷卻塔的工作原理

自然通風(fēng)冷卻塔是使空氣和循環(huán)水進(jìn)行熱交換，并使循環(huán)水溫度降低的冷卻裝置。循環(huán)水在塔內(nèi)的冷卻過程如下：通過循泵將在凝汽器中吸收了汽輪機(jī)排汽熱量的循環(huán)水打到冷卻塔中央豎井，再通過配水系統(tǒng)的噴淋裝置均勻地將熱水噴淋成水滴或水膜狀由上而下流動(dòng)，而空氣由下而上流動(dòng)。被加熱的空氣和進(jìn)入塔內(nèi)冷空氣的密度差生成了氣流，利用氣流在冷卻塔內(nèi)向上流動(dòng)產(chǎn)生的抽吸動(dòng)力，通過水的蒸發(fā)及空氣和水接觸傳熱帶走熱量，從而使塔內(nèi)循環(huán)水溫降低，達(dá)到降溫的目的[2]。整個(gè)塔60%～70%的換熱集中在填料層，噴濺裝置的散熱量約占整個(gè)冷卻塔換熱量的15%，故淋水填料性能的好壞將直接影響冷卻塔的經(jīng)濟(jì)性。

2 冷卻塔改造現(xiàn)狀分析

目前，冷卻塔改造主要是通過更換新型淋水填料和布水性能更加優(yōu)越的噴濺裝置來實(shí)現(xiàn)。

更換淋水填料可采用全新的雙斜波填料、斜折波填料，或采用新型的改型斜折波Ⅰ型填料、改型斜折波Ⅱ型填料，以及進(jìn)口填料。噴濺裝置以TP-Ⅱ型、反射-Ⅲ型為主，新型的離心式高效噴濺裝置由于價(jià)格高，旋轉(zhuǎn)噴水的耐久性不太穩(wěn)定，應(yīng)用較少。

填料片距的選擇應(yīng)作技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，片距小能增加填料單位體積的換熱面積以及循環(huán)水在填料中的換熱時(shí)間，相應(yīng)的換熱阻力也會(huì)增加。此外還需綜合考慮循環(huán)水質(zhì)、膠球大小及膠球回收率等問題對(duì)填料片距的影響。

冷卻塔改造時(shí)還應(yīng)重點(diǎn)考慮填料高度增加或片距減少引起填料自重的增加，淋水裝置構(gòu)架能否滿足承載能力的要求，是否受配水管布置以及噴頭與填料頂面距離的限制。

3 冷卻塔性能測(cè)試及評(píng)價(jià)方法

一般地，冷卻塔出塔水溫通常作為評(píng)價(jià)冷卻塔冷卻性能的指標(biāo)。冷卻塔節(jié)能改造前后測(cè)試依據(jù)和評(píng)價(jià)方法是電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1027-2006《工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程》[3]。該規(guī)程6.6.2.中a條指出：“當(dāng)塔的實(shí)測(cè)冷卻能力達(dá)到95%及以上時(shí)，應(yīng)視為達(dá)到設(shè)計(jì)要求；當(dāng)達(dá)到105%以上時(shí)，應(yīng)視為超過設(shè)計(jì)要求”，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)冷卻塔的冷卻能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。但該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)只用來評(píng)判冷卻塔的冷卻能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)值，且試驗(yàn)條件較為苛刻，宜在夏季最炎熱的時(shí)間進(jìn)行，需耗費(fèi)不少人力和設(shè)備。

針對(duì)上述問題，提出采用細(xì)分區(qū)間統(tǒng)計(jì)方法來開展自然通風(fēng)冷卻塔節(jié)能改造效果的定量分析。

4 冷卻塔節(jié)能改造效果定量分析方法

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，細(xì)分機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、機(jī)組負(fù)荷、循泵組合、循環(huán)水溫度、環(huán)境參數(shù)，按照循環(huán)水母管壓力和循泵電流的大小，對(duì)冷卻塔改造前后的DCS（分散控制系統(tǒng)）采集樣本數(shù)據(jù)作不同循泵組合的分類；針對(duì)不同循泵組合，分別擬合出冷卻塔改造前后環(huán)境溫度與出塔水溫的關(guān)系曲線。通過凝汽器變工況理論，計(jì)算得到冷卻塔改造前后凝汽器真空的變化量，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷與熱耗率的曲線和不同負(fù)荷下背壓與熱耗率修正曲線，即可得出冷卻塔改造前后的節(jié)能量。

4.1 凝汽器變工況特性[4]

機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，機(jī)組負(fù)荷、凝汽器入口循環(huán)水溫度、機(jī)組循環(huán)水流量、凝汽器總體換熱系數(shù)等參數(shù)都會(huì)偏離設(shè)計(jì)值，從而使凝汽器真空發(fā)生變化。凝汽器壓力與上述參數(shù)的變化規(guī)律即為變工況特性，其關(guān)系曲線如式（1）所示：

式中：pc為凝汽器壓力；Pel為機(jī)組負(fù)荷；tw1為凝汽器入口循環(huán)水溫度；DW為循環(huán)水流量。

4.2 凝汽器壓力計(jì)算

凝汽器壓力是其飽和溫度的單值函數(shù)，如式（2）所示：

式中：ts為凝汽器蒸汽凝結(jié)的溫度；tw1為凝汽器入口循環(huán)水的溫度；Δt為循環(huán)水的溫升；δt為凝汽器的端差。

凝汽器入口循環(huán)水溫度tw1，即冷卻塔出塔水溫，表征了冷卻塔的冷卻能力，在環(huán)境參數(shù)、凝汽器熱負(fù)荷及循環(huán)水流量同等的條件下，冷卻塔冷卻性能越好，出塔水溫就越低。

循環(huán)水溫升Δt，表征了凝汽器熱負(fù)荷與循泵組合的關(guān)系，見式（3）：

式中：Qc為凝汽器熱負(fù)荷。

凝汽器熱負(fù)荷可近似認(rèn)為是機(jī)組負(fù)荷與凝汽器壓力的函數(shù)，如式（4）所示，可通過汽輪機(jī)熱力試驗(yàn)獲取。

凝汽器端差δt見式（5），表征了凝汽器換熱效率，主要與凝汽器換熱管內(nèi)外表面的清潔度和真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性相關(guān)。

式中：K為凝汽器總體傳熱系數(shù)。K的計(jì)算在工程應(yīng)用中往往使用簡(jiǎn)化算法，可參考蘇聯(lián)別爾曼（BTИ）公式。

通過上述凝汽器變工況計(jì)算公式，可計(jì)算出不同機(jī)組負(fù)荷、不同凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度、不同循泵組合下的凝汽器壓力。

4.3 確定不同循泵組合下機(jī)組循環(huán)水流量

根據(jù)機(jī)組在不同試驗(yàn)負(fù)荷運(yùn)行工況下，不同循泵組合下的試驗(yàn)特性數(shù)據(jù)，結(jié)合泵的特性曲線、凝汽器熱平衡計(jì)算，即可得到不同循泵組合下機(jī)組循環(huán)水流量。為了保證循環(huán)水管路阻力特性不變，各試驗(yàn)工況的凝汽器進(jìn)出口蝶閥應(yīng)保持在全開狀態(tài)。

4.4 確定機(jī)組負(fù)荷與熱耗率的關(guān)系曲線

通過開展機(jī)組循環(huán)效率試驗(yàn)，試驗(yàn)負(fù)荷率區(qū)間應(yīng)盡可能寬，可選擇100%～50%負(fù)荷，試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)應(yīng)盡可能多，擬合得出機(jī)組負(fù)荷與熱耗率的關(guān)系曲線，見式（6）。實(shí)際應(yīng)用該曲線時(shí)應(yīng)考慮背壓偏離設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)熱耗率的修正。

式中：q為機(jī)組熱耗率。

4.5 確定機(jī)組不同負(fù)荷下背壓與熱耗率的修正曲線

機(jī)組背壓與熱耗率修正曲線可由制造廠提供或者根據(jù)實(shí)際變背壓試驗(yàn)得到。一些制造廠提供的背壓修正曲線負(fù)荷點(diǎn)偏少，或者與實(shí)際變背壓試驗(yàn)結(jié)果相差較大，則應(yīng)以后者為準(zhǔn)。變背壓試驗(yàn)可選擇多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，如100%，75%，50%等負(fù)荷率，通過擬合可得到3條不同負(fù)荷下的背壓與熱耗率修正曲線，其余負(fù)荷下的背壓與熱耗修正系數(shù)fp可通過上述曲線進(jìn)行插值，見式（7）：

4.6 確定改造前后背壓下降值對(duì)應(yīng)的熱耗降低值

改造前后背壓下降值對(duì)應(yīng)的熱耗降低值Δq由式（8）計(jì)算得到：

式中：Δpc為背壓下降值。

5 自然通風(fēng)冷卻塔改造案例分析

5.1 機(jī)組設(shè)備概況

某內(nèi)陸發(fā)電廠裝有4臺(tái)600 MW等級(jí)超臨界燃煤機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配套1臺(tái)N-37000型凝汽器、2臺(tái)循泵（可高低速切換）、1座9 000 m2雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔。相鄰2臺(tái)機(jī)組循環(huán)水供水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制。在夏季平均濕球溫度最高的10天（約為夏季天數(shù)的10%），簡(jiǎn)稱夏季頻率10%氣象條件下，設(shè)計(jì)出塔水溫為31.77℃。4號(hào)機(jī)組投產(chǎn)至今已有8年，冷卻塔填料、噴嘴、收水器存在不同程度老化、破損，填料還有一定結(jié)垢現(xiàn)象，冷卻塔出塔水溫偏高，直接影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為節(jié)能增效，于2015年5月對(duì)該冷卻塔實(shí)施節(jié)能改造，投資總額近260萬元。改造后，淋水填料高度不變，由原先的雙斜波Ⅰ型、片距30 mm全部改用新型高效小片距淋水填料（斜折波Ⅱ型、片距22 mm），噴濺裝置由原先的XPH型旋流式噴頭改換為TPⅡ型噴頭。

5.2 冷卻塔改造前后測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)西安熱工院測(cè)試，改造后4號(hào)塔的冷卻能力由改造前的89.8%提升到99.2%；在夏季頻率10%氣象條件下，計(jì)算出塔水溫為31.28℃，比改造前計(jì)算出塔水溫32.90℃降低1.62℃。測(cè)試結(jié)果表明，改造后該塔冷卻性能達(dá)到設(shè)計(jì)保證值。

5.3 樣本采集

樣本采集的原始數(shù)據(jù)（3號(hào)、4號(hào)機(jī)）包括：機(jī)組負(fù)荷、環(huán)境溫度、循泵電流、循環(huán)水母管壓力、凝汽器進(jìn)出口溫度。

采集樣本1（改造前）：2014年7月—2014年12月，采樣周期10 min，有效樣本點(diǎn)數(shù)為17 646個(gè)。

采集樣本2（改造后）：2015年7月—2015月12月，采用周期10 min，有效樣本點(diǎn)數(shù)為16 377個(gè)。

對(duì)原始樣本進(jìn)行了一些預(yù)處理，剔除了SIS采集系統(tǒng)工作不正常時(shí)的采集點(diǎn)，負(fù)荷小于300 MW的采集點(diǎn)，運(yùn)行參數(shù)發(fā)生突變的采集點(diǎn)，以及機(jī)組停機(jī)狀態(tài)的采集點(diǎn)。

考慮到環(huán)境氣象參數(shù)對(duì)冷卻塔性能較大，故改造前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)取大致相同的時(shí)間段。

5.4 出塔水塔與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

對(duì)所有有效樣本點(diǎn)進(jìn)行分析，冷卻塔改造前后循泵運(yùn)行方式和氣象參數(shù)重復(fù)性較好，出塔水溫與環(huán)境溫度擬合后近似為線性關(guān)系，見圖1。

圖1 改造前后冷卻塔出塔水溫下降值與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線

當(dāng)環(huán)境溫度超過11.5℃，冷卻塔改造有效果，且隨著環(huán)境溫度的升高，出塔水溫降低就越多，對(duì)應(yīng)的節(jié)能量也增加；環(huán)境溫度低于11.5℃，改造沒效果。

5.5 節(jié)能計(jì)算算例

根據(jù)機(jī)組循環(huán)效率試驗(yàn)，得到熱耗率與負(fù)荷擬合公式，見式（9）：

由變背壓試驗(yàn)結(jié)果，擬合出機(jī)組背壓修正系數(shù)與負(fù)荷的關(guān)系式見式（10）：

通過循泵組合試驗(yàn)，得出每個(gè)循泵組合的循環(huán)水流量。整個(gè)樣本共5個(gè)循泵組合，分別對(duì)每個(gè)循泵組合擬合出出塔水溫與環(huán)境溫度的曲線。

以其中1個(gè)樣本點(diǎn)為例進(jìn)行計(jì)算，其余樣本可類似計(jì)算，累加即可。改造后樣本參數(shù)見表1。

表1

（1）節(jié)能量計(jì)算。

根據(jù)該循泵組合下的冷卻塔改造前后出塔水溫tw1與環(huán)境溫度t0的擬合方程，由已知的改造后出塔水溫40.79℃，計(jì)算得到該樣本點(diǎn)工況下的改造前后出塔水溫下降值為0.89℃；根據(jù)凝汽器變工況理論計(jì)算得到改造前后的真空變化值為0.40 kPa，相應(yīng)地發(fā)電熱耗率降低了30.69 kJ/kWh，供電標(biāo)煤下降值0.13 t，能節(jié)約成本 105.02元（標(biāo)煤價(jià)格按該廠實(shí)際購買價(jià)格800元/t計(jì)算）。

（2）收益計(jì)算匯總。

冷卻塔改造后的收益情況見表2。

表2 冷卻塔改造后收益匯總

由表 2可知，4號(hào)冷卻塔改造后，2015年7—12月的節(jié)能收益為64.34萬元。并由此推測(cè)，該項(xiàng)目收回成本時(shí)間約2年。

6 結(jié)語

針對(duì)目前自然通風(fēng)冷卻塔改造缺乏科學(xué)有效的評(píng)價(jià)方法，提出了運(yùn)用細(xì)分區(qū)間統(tǒng)計(jì)法定量分析冷卻塔改造前后的節(jié)能量計(jì)算方法。以某電廠9 000 m2冷卻塔改造為例，項(xiàng)目投資成本約260萬，回收期約2年，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]陳國(guó)年.發(fā)電廠冷端系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行方式的研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2004，46（1）∶69-70.

[2]趙振國(guó).冷卻塔[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1997.

[3]DL/T 1027-2006工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[4]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

（本文編輯：陸 瑩）

Economic Evaluation on Energy-saving Reconstruction of Large-scale Natural Draft Cooling Tower

HUA Min，DONG Yihua

（Zhejiang Energy Group R&D Co.，Ltd.，Hangzhou 31003，China）

In view of the lack of a comprehensive and effective evaluation system for the large-scale and wetstyle natural draft cooling tower reconstruction in inland power plants，an interval subsection method is proposed in this paper.By using the principle of statistics，the sample data before and after the transformation is classified according to the circulation pump，and the relation curves of the environment temperature and the outlet water temperature of the cooling tower is plotted.Based on the variable operation condition theory of condenser，and through the test of cycling efficiency and the test of variable back pressure，the relation curves of the unit load and the heat rate as well as the relation curve of the back pressure and the heat rate under different loads are concluded，and hence the energy-saving benefits of the cooling tower reconstruction are obtained.Taking a 9 000 m2cooling tower reconstruction as an example，energy-saving benefits is calculated by this method.It takes about 2 years for project cost recovering.This paper provides a reference for economic analysis and research on the cooling tower reconstruction.

natural draft；cooling tower；reconstruction；interval subdivision method；economic

TK264.1

B

1007-1881（2016）12-0073-04

2016-10-17

華 敏（1986），男，工程師，主要從事發(fā)電廠汽輪機(jī)和冷端熱力試驗(yàn)及能耗診斷工作。