300 MW機(jī)組冷卻水塔進(jìn)風(fēng)側(cè)的防寒節(jié)能改造

馬巖昕

(黑龍江華電齊齊哈爾熱電有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

0 引言

眾所周知，我國北方地區(qū)多屬寒溫帶季節(jié)性大陸氣候，冬季晝夜溫差大，最低氣溫可達(dá)-40 ℃，因此我國北方地區(qū)火力發(fā)電廠的冷卻水塔極易受到冰凍危害。

北方地區(qū)的冷卻水塔在冬季運(yùn)行時(shí)，易受到冰凍危害的侵襲。冷卻水塔結(jié)冰后，在冷卻水塔淋水區(qū)的最外層形成了一層一層上寬下窄的冰幕。冰幕的最上層與冷卻水塔的填料凍在了一起，大大縮小了冷卻水塔填料的冷卻面積，導(dǎo)致冷卻水塔效率下降。同時(shí)，一層一層的冰幕也影響冷卻塔內(nèi)通風(fēng)，使冷風(fēng)不能到達(dá)冷卻水塔內(nèi)部的淋水區(qū)，降低了冷卻塔的效率，導(dǎo)致冷卻水塔淋水區(qū)的循環(huán)水溫度逐漸升高，從而降低了凝汽器的真空度，造成機(jī)組煤耗提高。其次，冷卻塔的混凝土受到凍融破壞后，會對混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。此外，由于淋水裝置結(jié)冰超載嚴(yán)重，甚至發(fā)生淋水填料及支承梁坍落，增加了維修費(fèi)用。因此，保證冷卻塔的高效、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常重要的。

目前，除了傳統(tǒng)的冷卻水塔防寒措施，如熱水旁路管(防凍管)、防冰環(huán)、淋水填料分區(qū)運(yùn)行和懸掛擋風(fēng)板等，冷卻水塔防寒技術(shù)還有百葉窗防寒法、快速噴霧結(jié)冰防寒法，但這些冷卻水塔防凍技術(shù)僅僅是為了防止冷卻水塔防凍結(jié)冰而設(shè)計(jì)的，尚不具備節(jié)能功能。

1 機(jī)組簡介

某發(fā)電公司位于寒溫帶季風(fēng)型大陸性氣候的地區(qū)，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟霞拔髂巷L(fēng)，年平均氣溫6.5 ℃，最高氣溫 37.9 ℃，最低氣溫 -36.6 ℃，年平均相對濕度66 %，年平均風(fēng)速3.6 m/s。該發(fā)電公司的2臺300 MW汽輪機(jī)組為哈爾濱汽輪機(jī)制造公司生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、雙背壓、反動凝汽式濕冷汽輪機(jī)。1號機(jī)組于2015-03-16持續(xù)運(yùn)行達(dá)168 h，2號機(jī)組于2015-10-16持續(xù)運(yùn)行達(dá)168 h。2臺機(jī)組配有相同型號的雙曲線自然通風(fēng)冷卻水塔，冷卻面積4 000 m2，塔高 105 m，進(jìn)風(fēng)口高 8.11 m，喉部高85.74 m，1，2號冷卻水塔360°裝有懸掛式擋風(fēng)板。擋風(fēng)板如圖 1 所示。

圖1 懸掛式擋風(fēng)板

2 冷卻水塔存在的問題

冬季正常情況下機(jī)組保持單臺循環(huán)水泵運(yùn)行，冷卻水塔的主要防凍措施是采用人工懸掛擋風(fēng)板。

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，大型發(fā)電機(jī)組相繼投產(chǎn)運(yùn)行，單機(jī)容量不斷增大，冷卻水塔的淋水面積也在增大，相應(yīng)的冷卻水塔進(jìn)風(fēng)口高度增高，擋風(fēng)板布置面積也在增加。傳統(tǒng)的人工懸掛擋風(fēng)板已不適應(yīng)大型冷卻水塔的防凍節(jié)能要求，并對操作人員的安全構(gòu)成極大威脅；而且拆裝易造成擋風(fēng)板的損壞。同時(shí)，在懸掛過程中，人工控制懸掛面積會使冷卻水塔造成嚴(yán)重的掛冰現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻水塔內(nèi)淋水填料、托架拽落及部分淋水結(jié)構(gòu)梁柱嚴(yán)重凍融露筋，導(dǎo)致冷卻水塔不能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

水塔在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生因風(fēng)大等原因不能及時(shí)摘、掛擋風(fēng)板的情況，造成無法有效控制冷卻水溫度，使水塔大面積結(jié)冰而損壞水塔內(nèi)部設(shè)施，嚴(yán)重威脅到冷卻水塔的安全運(yùn)行；還會使冷卻水溫度升高而影響機(jī)組真空，對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行極為不利。

1號機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 1號機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 擋風(fēng)板的改造方案

2016年初，該發(fā)電公司為了改善操作人員的工作條件，減輕勞動強(qiáng)度，提高工人的作業(yè)安全性以及機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮冬季運(yùn)行擋風(fēng)板的調(diào)節(jié)作用，提高冷卻水塔冬季運(yùn)行的管理水平，在對冷卻水塔的擋風(fēng)板進(jìn)行改造調(diào)研、論證后，決定采用冷卻塔進(jìn)風(fēng)側(cè)優(yōu)化節(jié)能防寒系統(tǒng)對1號冷卻水塔擋風(fēng)板進(jìn)行技術(shù)改造。改造成功后，再將其推廣到2號冷卻水塔。

冷卻水塔進(jìn)風(fēng)側(cè)優(yōu)化節(jié)能防寒系統(tǒng)是一種冷卻水塔防寒節(jié)能系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)冷卻水塔進(jìn)風(fēng)口實(shí)際進(jìn)風(fēng)面積和保持循環(huán)水溫度恒定。該系統(tǒng)采用鋼結(jié)構(gòu)在冷卻水塔外圍進(jìn)風(fēng)口安裝一圈門式框架，然后安裝多組可以電動關(guān)閉和開啟調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量的調(diào)風(fēng)簾(系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測循環(huán)水凝汽器入口水溫)。通過控制調(diào)風(fēng)簾高度來改變進(jìn)風(fēng)口實(shí)際進(jìn)風(fēng)面積，從而調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，進(jìn)而達(dá)到防寒以及控制循環(huán)水溫度在最佳溫度范圍內(nèi)的目的。水溫下降時(shí)，適當(dāng)關(guān)閉調(diào)風(fēng)簾(減小進(jìn)風(fēng)口面積)；水溫上升時(shí)，適當(dāng)開啟調(diào)風(fēng)簾(增大進(jìn)風(fēng)口面積)，從而自動調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量。這樣不僅具備傳統(tǒng)方法對冷卻水塔的防寒作用，更重要的是可控制循環(huán)水溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，提高汽輪機(jī)效率，使機(jī)組保持在最佳工況經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 改造方案的設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)原理

(1) 不破壞原冷卻水塔結(jié)構(gòu)及不影響冷卻水塔正常運(yùn)行。

(2) 不增加原塔的進(jìn)風(fēng)口阻力。通過對冷卻水塔核算可知：改造方案實(shí)施后，水塔的總阻力系數(shù)增加1.40 %，冷卻水溫t1=32 ℃，僅比改造前提高0.05 ℃，可以忽略不計(jì)。

(3) 在冬夏季無需拆除新增設(shè)備，保證冷卻水塔的運(yùn)行效果。

4.2 改造方案的特點(diǎn)

(1) 不破壞原冷卻水塔結(jié)構(gòu)，不影響原冷卻水塔的正常運(yùn)行。新增調(diào)風(fēng)簾遠(yuǎn)離淋水外圍界面，減少水滴在調(diào)風(fēng)簾上結(jié)冰。

(2) 利用自動控制電機(jī)和機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)控制調(diào)風(fēng)簾開啟高度，達(dá)到自動調(diào)整進(jìn)風(fēng)量及封閉防凍作用，方便靈活，減輕勞動強(qiáng)度，保證了作業(yè)人員的人身安全。

(3) 調(diào)風(fēng)簾無需拆卸，運(yùn)動靈活，不影響風(fēng)量和冷卻效果，延長了防凍裝置的使用壽命。

(4) 調(diào)風(fēng)簾頂部到冷卻水塔之間安裝了頂棚結(jié)構(gòu)，解決了冷卻水塔進(jìn)風(fēng)口上部進(jìn)風(fēng)使進(jìn)風(fēng)口上檐處結(jié)冰的問題，保證了冷卻水塔的防凍效果。

(5) 改傳統(tǒng)懸掛式作業(yè)為自動控制作業(yè)，自動調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)簾的高度，以調(diào)整風(fēng)量，減少結(jié)冰，達(dá)到防凍作用。

(6) 調(diào)風(fēng)簾自重輕，整齊美觀，運(yùn)行方便、安全、輕便，運(yùn)行成本低。

(7) 雙向快速調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)，改善進(jìn)風(fēng)氣流，減小塔內(nèi)渦流，保持循環(huán)水溫度恒定。

(8) 適應(yīng)天氣變化和發(fā)電負(fù)荷調(diào)整，夏季不用拆且不影響通風(fēng)，可提高汽輪機(jī)效率，產(chǎn)生節(jié)能效益。

5 節(jié)能原理

通過安裝在冷卻塔各區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，且用于調(diào)節(jié)冷卻水塔進(jìn)風(fēng)量的多個(gè)電動調(diào)風(fēng)簾組件(見圖2)，可實(shí)現(xiàn)精確控制凝汽器冷卻水入口溫度。凝汽器冷卻水入口溫度是影響凝汽器真空的重要因素，在其他條件相同的情況下，凝汽器冷卻水入口溫度越低，凝汽器內(nèi)的真空越高。

圖2 節(jié)能防寒調(diào)風(fēng)簾組件示意

凝汽器真空是大氣壓力與工質(zhì)絕對壓力的差值。真空度是指凝汽器的真空值與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Ρ戎档陌俜謹(jǐn)?shù)。真空每上升(或降低)1 kPa,或者近似地說真空度每上升(或下降)1個(gè)百分點(diǎn)，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低(或增加)1.0—1.4 g/(kW·h)。

綜上所述，通過自動控制的調(diào)風(fēng)簾組件來精確控制凝汽器的循環(huán)水的入口溫度，可提高凝汽器的真空，降低機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗。

6 節(jié)能效益分析

在已知冬季供暖期機(jī)組發(fā)電量的前提下，節(jié)能量和節(jié)能效益的計(jì)算如下。

6.1 節(jié)能量

節(jié)能量=結(jié)算當(dāng)期機(jī)組發(fā)電量×冷卻水入口溫度平均降低值×冷卻水溫度對發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗影響系數(shù)。

上式中：節(jié)能量單位，tce；結(jié)算當(dāng)期機(jī)組發(fā)電量單位，kW·h；冷卻水入口溫度平均降低值單位，℃；冷卻水溫度對發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗影響系數(shù)單位，g/(kW·h·℃)。

6.2 節(jié)能效益

節(jié)能效益=節(jié)能量×標(biāo)準(zhǔn)煤單價(jià)。

上式中：節(jié)能量單位，tce；標(biāo)準(zhǔn)煤單價(jià)單位，元/tce。

6.3 實(shí)例分析

典型300 MW機(jī)組實(shí)施冷卻塔節(jié)能防寒系統(tǒng)改造后的節(jié)能效益分析。采用節(jié)能防寒系統(tǒng)的機(jī)組與常規(guī)懸掛擋風(fēng)板防寒法的2號機(jī)組，比較在相同負(fù)荷、相同氣象條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水入口溫度可平均降低2 ℃，日平均發(fā)電量為6 000 MW·h，冷卻水溫度對發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗影響系數(shù)取1.4，則改造后的年經(jīng)濟(jì)效益期可達(dá)75天。

年節(jié)約標(biāo)煤量 =2×1.4×6 000×103×75/106=1 260tce。

年節(jié)能效益＝ 1 260tce×800(元 /tce)/10 000=100.8萬元。

7 水塔運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性分析

該公司對2臺300 MW機(jī)組冷卻水塔擋風(fēng)板進(jìn)行技術(shù)改造，保證了水塔運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

7.1 安全方面

(1) 能夠保證操作人員安全調(diào)整調(diào)風(fēng)簾。

(2) 可有效避免水塔因大面積結(jié)冰而損壞填料、淋水設(shè)施等事件的發(fā)生。

(3) 能夠避免因冷卻水溫度過低，使凝汽器真空超過極限值而腐蝕末級葉片。

(4) 可防止因冷卻水溫度過低使凝汽器真空超過極限值時(shí)，采用措施限制真空而發(fā)生凝結(jié)水含氧超標(biāo)的現(xiàn)象。

7.2 經(jīng)濟(jì)方面

(1) 冬季可根據(jù)實(shí)際需要及時(shí)調(diào)整調(diào)風(fēng)簾，使冷卻水溫度滿足要求，確保機(jī)組在最佳真空下運(yùn)行。與懸掛式擋風(fēng)板不能及時(shí)調(diào)整相比較，相同工況下凝汽器真空可提高0.5 kPa左右。

(2) 夏季基本不影響冷卻水塔的工作效率。

(3) 由于冷卻水塔調(diào)風(fēng)簾在冬季能及時(shí)調(diào)整，閉式循環(huán)冷卻水塔的蒸發(fā)量明顯減少，可每天可節(jié)省補(bǔ)充水 200—400 t。

(4) 有效地保護(hù)了水塔內(nèi)部填料、淋水設(shè)施等，使其不受損壞，并節(jié)省一定的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

(5) 可確保機(jī)組在極限真空以下運(yùn)行，杜絕蒸汽在末級葉片做負(fù)功。

1 趙常興．汽輪機(jī)組技術(shù)手冊[M]．北京：中國電力出版社， 2007.

2 編委會．火力發(fā)電廠節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)參照與節(jié)能技術(shù)監(jiān)督 導(dǎo)則及指標(biāo)評價(jià)管理實(shí)施細(xì)則(第三版)[M]．北京：中 國電力出版社，2010.