冷卻塔節(jié)能改造對(duì)汽輪機(jī)組熱力性能影響分析

摘要：冷卻塔是汽輪機(jī)組重要輔助設(shè)備，通過(guò)冷卻塔節(jié)能改造提高冷卻能力后，可相對(duì)降低冷卻塔出塔水溫，進(jìn)而降低汽輪機(jī)排汽壓力、汽輪機(jī)熱耗和發(fā)電煤耗。在進(jìn)行冷卻塔改造效果分析時(shí)，以往重點(diǎn)以性能試驗(yàn)實(shí)測(cè)冷卻塔冷卻效率為主，實(shí)踐中還需分析改造前后冷卻塔冷卻能力變化對(duì)汽輪機(jī)組熱力性能的影響，現(xiàn)以某600 MW機(jī)組冷卻塔改造為例，根據(jù)冷卻塔出塔水溫變化，結(jié)合水蒸氣特性、汽輪機(jī)和凝汽器變工況計(jì)算，分析不同運(yùn)行工況下冷卻塔節(jié)能效果，所形成的分析方法和分析思路為其他機(jī)組冷卻塔節(jié)能改造效果分析及改造方案決策提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：冷卻塔；節(jié)能改造；冷卻效率；汽輪機(jī)組；熱力性能

中圖分類號(hào)：TK261 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " "文章編號(hào)：1671-0797（2023）02-0058-04

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

0 " "引言

冷卻塔節(jié)能改造是電廠的一項(xiàng)重要節(jié)能項(xiàng)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(huán)冷卻水進(jìn)口溫度的高低，進(jìn)而影響機(jī)組真空和熱力性能[1-2]。國(guó)內(nèi)科研院所、電廠檢修維護(hù)及冷卻塔改造廠家比較注重冷卻塔節(jié)能改造技術(shù)方面的研究和改造實(shí)踐，并取得了較好的成績(jī)。但是，前期研究相對(duì)缺少冷卻塔改造效果對(duì)機(jī)組熱力性能影響的分析，既不利于改造后效果的分析評(píng)價(jià)，也不利于改造前后的效果對(duì)比[3]。

1 " nbsp;冷卻塔節(jié)能改造概況

受工作環(huán)境影響，隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，冷卻塔內(nèi)的除水器、配水系統(tǒng)、淋水填料及內(nèi)壁涂料均會(huì)出現(xiàn)老化問(wèn)題，導(dǎo)致冷卻塔內(nèi)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(jié)垢堵塞或因冰載、水流沖擊造成破損等，導(dǎo)致冷卻塔冷卻效果變差，直接影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。通過(guò)對(duì)冷卻塔內(nèi)部部件的節(jié)能改造，提高冷卻塔冷卻效果，是實(shí)現(xiàn)火電廠節(jié)能降耗的有效途徑。

淋水填料是冷卻塔散熱的關(guān)鍵部件，冷卻塔中約70%的熱量由淋水填料散發(fā)，淋水填料臟污、破損、堵塞以及自身材質(zhì)型式和布置方式會(huì)直接影響換熱效果，通過(guò)改造淋水填料能夠有效提高冷卻塔換熱能力。近年來(lái)，冷卻塔PVC淋水填料的開發(fā)和應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展，且以薄膜式淋水填料為主要產(chǎn)品。PVC淋水填料按其板型結(jié)構(gòu)可以分為折波型、斜波型和復(fù)合波型三類，布置方式由傳統(tǒng)的均勻布置向不等高布置和不等間距布置發(fā)展。

噴濺裝置容易出現(xiàn)濺水不均、噴頭堵塞、噴頭損壞等問(wèn)題，出現(xiàn)濺水效果不好、配水不均現(xiàn)象，影響冷卻塔冷卻效果。在自然通風(fēng)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(zhì)均為工程塑料（ABS）。

除水器在塔內(nèi)高溫（相對(duì)環(huán)境溫度而言）、高濕條件下長(zhǎng)期運(yùn)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(fēng)阻力，進(jìn)而影響冷卻塔熱力性能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商改進(jìn)了除水器的材質(zhì)及生產(chǎn)工藝，包括采用聚氯乙烯（PVC）材料、對(duì)除水器上/下邊卷邊、一次擠塑成型等措施，進(jìn)而有利于提高除水器的組裝剛度，保證除水器弧片長(zhǎng)期使用不變形，除水效果好，通風(fēng)阻力小，冷卻塔熱力性能的穩(wěn)定性得到提升。

近些年，針對(duì)冷卻塔塔內(nèi)部件的節(jié)能改造技術(shù)蓬勃發(fā)展，并取得了較好的效果。部分運(yùn)行4～10年的冷卻塔通過(guò)節(jié)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(duì)比不明顯的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)槌烁脑旒夹g(shù)本身，改造前后效果的對(duì)比還受改造前冷卻塔工作狀態(tài)、工作環(huán)境、循環(huán)水水質(zhì)及冷卻塔本身技術(shù)水平等因素的影響。同樣運(yùn)行多年的冷卻塔冷卻能力偏差較大，有些冷卻塔運(yùn)行多年冷卻能力仍接近原設(shè)計(jì)水平，但是也有冷卻塔運(yùn)行時(shí)間較短就出現(xiàn)各種問(wèn)題導(dǎo)致其冷卻能力明顯下降。因此，改造冷卻塔除了關(guān)注節(jié)能改造新技術(shù)之外，還需關(guān)注冷卻塔實(shí)際工作狀態(tài)，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定是否需要改造。

2 " "冷卻塔改造效果對(duì)機(jī)組熱力性能影響

對(duì)冷卻塔節(jié)能改造效果的分析評(píng)價(jià)可以分為兩個(gè)方面，一方面是通過(guò)性能試驗(yàn)實(shí)測(cè)冷卻塔改造后冷卻效率是否達(dá)到設(shè)計(jì)值，這也是最常見的性能評(píng)價(jià)方法；另一方面是對(duì)改造前后的冷卻效率進(jìn)行對(duì)比，定量計(jì)算改造帶來(lái)的變化。分析改造前后冷卻效率的變化，不僅能夠客觀評(píng)價(jià)改造項(xiàng)目的效果，也能夠通過(guò)預(yù)測(cè)改造效果評(píng)判改造方案的優(yōu)劣，避免盲目改造[4]。

冷卻塔改造效果可以通過(guò)冷卻效率這一主要熱力性能指標(biāo)的高低進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。運(yùn)行維護(hù)人員可以直觀地查看改造前后冷卻塔出塔水溫的相對(duì)變化，然后進(jìn)一步計(jì)算不同工況下冷卻塔出塔水溫的變化對(duì)汽輪機(jī)背壓、汽輪機(jī)熱耗以及機(jī)組發(fā)電煤耗的影響[5-6]。

汽輪機(jī)凝汽器壓力對(duì)應(yīng)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(jìn)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(shí)，以其他邊界條件如環(huán)境狀態(tài)、主輔機(jī)設(shè)備狀態(tài)、機(jī)組負(fù)荷等保持不變?yōu)榍疤?，冷卻塔改造前后帶來(lái)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(lái)的水溫變化相對(duì)較小）的影響可忽略不計(jì)。由此可推算出凝汽器壓力對(duì)應(yīng)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(jìn)而可折算出凝汽器壓力變化量以及汽輪機(jī)熱耗和發(fā)電煤耗變化量。

冷卻塔的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況以夏季工況為基準(zhǔn)，冷卻塔性能試驗(yàn)也要在夏季進(jìn)行。此外，在進(jìn)行改造效果分析，特別是節(jié)能量統(tǒng)計(jì)分析時(shí)還需要考慮其他季節(jié)下的節(jié)能效果，以及汽輪機(jī)組在不同運(yùn)行負(fù)荷工況下的節(jié)能效果，建立隨季節(jié)變化（以冷卻塔出水溫度為基準(zhǔn)）和隨機(jī)組負(fù)荷變化的冷卻塔節(jié)能改造效果分析模型。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于地處北方地區(qū)的機(jī)組，冷卻塔在冬季運(yùn)行工況下還面臨防凍問(wèn)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(shí)冷卻塔節(jié)能改造的效果是不需要再計(jì)算的，可以以人為干預(yù)冷卻塔出塔水溫為邊界，在人為干預(yù)冷卻塔出塔水溫的運(yùn)行工況下不再分析統(tǒng)計(jì)冷卻塔節(jié)能改造效果。

3 " "實(shí)例分析

3.1 " "設(shè)備規(guī)范

某600 MW汽輪機(jī)組配備一座8 500 m2自然通風(fēng)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(shù)如表1所示。

該機(jī)組冷卻塔投產(chǎn)后已運(yùn)行8年時(shí)間，淋水填料和噴濺裝置老化嚴(yán)重，為了提高冷卻塔的冷卻能力，對(duì)其進(jìn)行了節(jié)能改造。

3.2 " "節(jié)能改造方案

結(jié)合該冷卻塔實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，其節(jié)能改造方案是全部更換淋水填料和噴濺裝置，修復(fù)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(zhì)，波形為斜折波形，需經(jīng)過(guò)物理力學(xué)性能檢驗(yàn)和平片型式檢驗(yàn)，由電力工業(yè)熱力發(fā)電設(shè)備及材料質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心出具檢測(cè)報(bào)告，小片間距淋水填料除出具材質(zhì)檢測(cè)報(bào)告外，還應(yīng)出具熱力、阻力特性檢測(cè)報(bào)告。

冷卻塔淋水填料采用非線性布置，根據(jù)塔內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，盡可能充分發(fā)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(guò)建立模型、數(shù)值計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)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(zhuǎn)型噴濺裝置，噴濺裝置及其附件的材質(zhì)必須滿足安裝及運(yùn)行要求，具有良好的耐熱、耐老化性能，具有足夠的強(qiáng)度和韌性；噴濺裝置旋轉(zhuǎn)盤及支架表面光潔圓滑、塑化良好、形狀規(guī)整、色澤一致，不得有裂紋、孔洞、氣泡、凹陷現(xiàn)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(shè)計(jì)值的115.5%，改造后的冷卻塔出塔水溫比原設(shè)計(jì)值降低約1.45 ℃。

同改造前相比，在冷卻塔出塔水溫不同基準(zhǔn)值（環(huán)境溫度）以及不同機(jī)組負(fù)荷條件下，冷卻塔出塔水溫降低1.45 ℃對(duì)機(jī)組的節(jié)能效果影響分析結(jié)果如表2和表3所示，其中凝汽器壓力變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗的影響通過(guò)汽輪機(jī)制造廠給出的汽輪機(jī)排汽壓力變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響關(guān)系曲線進(jìn)行計(jì)算。

其他工況下冷卻塔出塔水溫變化對(duì)應(yīng)的節(jié)能效果采用類似方法進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)。從表中可以看出，受汽輪機(jī)、凝汽器熱力性能和水蒸氣熱力特性影響，在機(jī)組不同負(fù)荷工況以及不同循環(huán)冷卻水溫度基準(zhǔn)下，冷卻塔出塔水溫降低值對(duì)應(yīng)的凝汽器壓力降低值、汽輪機(jī)熱耗降低值和機(jī)組發(fā)電煤耗降低值均不同，這表明各因素的影響不能通過(guò)簡(jiǎn)單的線性比例關(guān)系進(jìn)行核算，需結(jié)合水蒸氣特性、汽輪機(jī)和凝汽器變工況計(jì)算，重點(diǎn)結(jié)合汽輪機(jī)排汽壓力變化對(duì)汽輪機(jī)熱耗影響關(guān)系分析計(jì)算冷卻塔節(jié)能效果。

4 " "結(jié)語(yǔ)

冷卻塔是汽輪機(jī)組重要輔助設(shè)備，通過(guò)冷卻塔節(jié)能改造提高冷卻塔冷卻能力，可以有效降低汽輪機(jī)組能耗，提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

評(píng)價(jià)冷卻塔的節(jié)能改造效果，不僅要通過(guò)冷卻塔性能試驗(yàn)測(cè)試?yán)鋮s效率，還應(yīng)重點(diǎn)分析改造前后冷卻塔冷卻能力的變化對(duì)汽輪機(jī)熱力性能的影響，根據(jù)冷卻塔出塔水溫變化，結(jié)合水蒸氣特性、汽輪機(jī)和凝汽器變工況計(jì)算，綜合分析不同運(yùn)行工況下冷卻塔的節(jié)能效果。

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收稿日期：2022-09-08

作者簡(jiǎn)介：姜國(guó)鋒（1976—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，工程師，國(guó)能神福（龍巖）發(fā)電有限責(zé)任公司總經(jīng)理，從事電力生產(chǎn)管理與技術(shù)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(tǒng)建模、控制與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。