石誠(chéng)，趙永宏，涂菁菁

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京市，100120)

0 引言

逆流式自然通風(fēng)冷卻塔是電力系統(tǒng)廣泛使用的冷卻設(shè)備，作為電廠熱力循環(huán)中的重要輔助設(shè)備，冷卻塔優(yōu)良的熱力性能是保證汽輪發(fā)電機(jī)組具有較高熱效率、安全運(yùn)行及滿負(fù)荷發(fā)電的前提條件，冷卻塔的熱力性能直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)效益［1-2］。

目前，國(guó)內(nèi)冷卻塔效率普遍處于較低水平，由于冷卻塔經(jīng)常在偏離設(shè)計(jì)條件的環(huán)境下工作，出塔水溫高于設(shè)計(jì)值。冷卻塔效率降低、冷卻效果變差，會(huì)使進(jìn)入凝汽器的冷卻水溫度升高，降低凝汽器的真空和冷卻效果，使汽輪機(jī)排汽壓力和溫度升高，增加了機(jī)組的煤耗，最終導(dǎo)致機(jī)組出力降低，經(jīng)濟(jì)性變差。對(duì)于1臺(tái)300 MW機(jī)組，冷卻塔出水溫度降低1℃，機(jī)組效率提高0.23%，熱耗減少23.39 kJ/(kW·h)，供電煤耗減少約1 g/(kW·h)。按機(jī)組利用h為5500 h計(jì)算，年耗煤量減少1650 t。按1 t標(biāo)煤800元計(jì)，年減少燃煤費(fèi)用約132萬(wàn)元［3-4］。

冷卻塔的熱力性能受多方面因素影響，如環(huán)境氣象參數(shù)、冷卻塔設(shè)計(jì)參數(shù)和機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷等。國(guó)內(nèi)外電廠冷卻塔改造很少涉及到氣側(cè)流場(chǎng)。通過(guò)冷卻塔熱力性能測(cè)試和物模試驗(yàn)可知，自然風(fēng)對(duì)冷卻塔冷卻效果有較大影響。自然風(fēng)是一個(gè)隨機(jī)變量，它對(duì)冷卻塔影響的分析較復(fù)雜，與冷卻塔的類型和負(fù)荷大小等因素有關(guān)［5-6］。

自然風(fēng)環(huán)境下，影響冷卻塔傳熱、傳質(zhì)性能的主要因素是塔內(nèi)通風(fēng)量以及風(fēng)速在填料區(qū)分布的均勻性，而通風(fēng)量和風(fēng)速均勻性主要受塔底周向進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的影響。無(wú)風(fēng)時(shí)，塔底周向進(jìn)風(fēng)是均勻?qū)ΨQ的，即塔內(nèi)填料各處的傳熱、傳質(zhì)性能是對(duì)稱分布的;有風(fēng)時(shí)，外界風(fēng)速的變化對(duì)塔底四周風(fēng)速有較大影響，即對(duì)通風(fēng)量有較大影響。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到0.6 m/s時(shí)，迎風(fēng)面風(fēng)速增大，背風(fēng)面風(fēng)速減小，側(cè)風(fēng)區(qū)的風(fēng)速也出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，冷卻塔沿底部圓周進(jìn)風(fēng)不均勻，在進(jìn)塔和出塔處存在渦流，進(jìn)風(fēng)阻力增大，冷卻塔的總體通風(fēng)量減小，塔內(nèi)的傳熱、傳質(zhì)性能減弱。通過(guò)物模試驗(yàn)可知，自然風(fēng)速4 m/s時(shí)，循環(huán)水溫約升高1.2℃;自然風(fēng)速5 m/s時(shí)，循環(huán)水溫約升高1.8℃;自然風(fēng)速6 m/s時(shí)，循環(huán)水溫約升高2.5℃;自然風(fēng)速7 m/s時(shí)，循環(huán)水溫約升高3.3℃。

我國(guó)北方部分地區(qū)冷卻塔在冬季運(yùn)行時(shí)，因氣溫過(guò)低會(huì)引起循環(huán)水溫度過(guò)低和冷卻塔的某些部位結(jié)冰，從而影響汽輪機(jī)效率和冷卻塔的正常運(yùn)行。冷卻塔在冬季運(yùn)行時(shí)多采用懸掛擋風(fēng)板防凍，由于擋風(fēng)板數(shù)量較多、尺寸較大且需要人工懸掛，懸掛擋風(fēng)板工作量較大，工作環(huán)境較差。

1 工程概況

某電廠位于遼寧省，年平均氣溫7.3℃，年平均風(fēng)速4.1 m/s。電廠2×600 MW機(jī)組采用帶逆流式自然通風(fēng)冷卻塔的擴(kuò)大單元制循環(huán)供水系統(tǒng)。每臺(tái)機(jī)組配1座淋水面積6500 m2的自然通風(fēng)冷卻塔。冷卻塔高122.16 m、出口直徑64.04 m、進(jìn)風(fēng)口高8.11m、0 m 直徑104.66 m。

2 冷卻塔節(jié)能潛力

由氣象資料可知，電廠所在地區(qū)年平均風(fēng)速較大。12月至次年2月，冬季平均氣溫在－8℃以下，3月和11月的平均氣溫也低于0℃。冬季循環(huán)水溫較低，存在汽輪機(jī)過(guò)冷和冷卻塔結(jié)冰的危險(xiǎn)。較大的年平均風(fēng)速對(duì)冷卻塔熱力性能有明顯的不利影響，會(huì)引起冷卻塔進(jìn)風(fēng)不均勻，降低冷卻塔的通風(fēng)量，導(dǎo)致冷卻塔出水溫度升高，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性降低。

2.1 發(fā)電機(jī)組運(yùn)行背壓

當(dāng)冬季循環(huán)水溫較低，形成背壓較低而負(fù)荷較大時(shí)，汽輪機(jī)末級(jí)葉片容積流量較大，造成余速損失增大，葉片彎曲應(yīng)力增加。當(dāng)汽流馬赫數(shù)增大到0.87～0.9時(shí)，末級(jí)葉片通過(guò)截面會(huì)出現(xiàn)汽流阻塞，即使背壓再降低，也不能增加機(jī)組的功率，這時(shí)的背壓為阻塞背壓。機(jī)組運(yùn)行背壓要在阻塞背壓以上，極限背壓是保證機(jī)組安全運(yùn)行的最高背壓。考慮到末級(jí)葉片安全性等因素，極限背壓的確定與末級(jí)葉片的容積流量以及葉片動(dòng)強(qiáng)度等因素相關(guān)聯(lián)。當(dāng)末級(jí)葉片出力為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的背壓為極限背壓。因此，發(fā)電機(jī)組主要是在阻塞背壓和極限背壓之間運(yùn)行。

電廠一般將循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行水溫控制在12℃以上，個(gè)別電廠控制在10℃以上，汽輪機(jī)排汽壓力控制在阻塞背壓附近。當(dāng)實(shí)際排汽壓力低于設(shè)計(jì)背壓時(shí)，汽輪機(jī)會(huì)產(chǎn)生微增出力，因此降低循環(huán)冷卻水的水溫，汽輪機(jī)的排汽壓力也會(huì)隨之降低，最終使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性提高。

圖1為某電廠600 MW機(jī)組背壓熱耗修正曲線。由圖1可知，汽輪機(jī)排汽壓力降低1 kPa，相應(yīng)熱耗率下降約1%。

2.2 進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化技術(shù)

2.2.1 節(jié)能效益

圖1 某電廠600 MW機(jī)組背壓熱耗修正曲線Fig.1 Correction curve of heat consumption for back-pressure turbing for a 600 MW unit

冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置包含導(dǎo)流板主體及與之活動(dòng)連接的擋風(fēng)葉片。通過(guò)冷卻塔熱力性能測(cè)試和物模試驗(yàn)分析可知，在電廠冷卻塔外設(shè)置進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置可使進(jìn)風(fēng)均勻，有效地改善了冷卻塔熱力性能，平均降低冷卻塔出水溫度約1.18℃，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益［7-10］。電廠6～8月循環(huán)水溫平均降低1℃，有利于機(jī)組夏季安全運(yùn)行。根據(jù)逐月風(fēng)速資料，結(jié)合研究成果和有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)冷卻塔加裝進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置后的節(jié)能效益進(jìn)行分析，預(yù)計(jì)可達(dá)到的效果如表1所示。

表1 1×600 MW機(jī)組冷卻塔加裝進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置的節(jié)能效益Tab.1 Energy conservation analysis under the technical reform of a 600 MW unit，the cooling tower is added with air inlet diversion and frost proofing

按1×600 MW機(jī)組年運(yùn)行7500 h、年利用小時(shí)數(shù)為5500 h計(jì)算，冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置年運(yùn)行8個(gè)月(考慮防凍原因，12、1、2月節(jié)能裝置不運(yùn)行，3、11月各運(yùn)行半個(gè)月)，共可節(jié)約標(biāo)煤2578.09 t，按煤價(jià) 800 元/t計(jì)，可節(jié)省費(fèi)用約206.25 萬(wàn)元。

2.2.2 防凍效益

1×600 MW機(jī)組配置6500 m2冷卻塔，若用懸掛擋風(fēng)板防凍措施，擋風(fēng)板面積需4700～4800 m2(約2300～2400塊擋風(fēng)板)。根據(jù)調(diào)研可知，每年約有25%左右的擋風(fēng)板損壞，需要更換，其費(fèi)用約25萬(wàn)元。考慮到懸掛、摘取擋風(fēng)板的費(fèi)用，1年的運(yùn)行維護(hù)成本約15萬(wàn)元。采用進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化技術(shù)改造，每年12月至次年2月的寒冷季節(jié)，可充分發(fā)揮該裝置的防凍擋風(fēng)作用。根據(jù)氣候狀況和機(jī)組負(fù)荷情況，遮擋部分進(jìn)風(fēng)口面積，減少冷卻塔的進(jìn)風(fēng)量，有效防止汽機(jī)過(guò)冷和冷卻塔結(jié)冰。

與傳統(tǒng)的人工懸掛擋風(fēng)板防凍措施相比，進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置節(jié)省大量的搬運(yùn)和人工懸掛費(fèi)用，并可取消專門(mén)用于存放擋風(fēng)板的貯藏間，節(jié)省了占地面積，還可大幅度減少設(shè)備的人為損壞，節(jié)省設(shè)備維護(hù)與部件更換費(fèi)用。

綜上所述，冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化技術(shù)適用于冷卻塔熱力性能受自然風(fēng)影響較大的北方地區(qū)，通過(guò)在冷卻塔底部進(jìn)風(fēng)口圓周外布置一系列進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置，對(duì)進(jìn)塔空氣進(jìn)行導(dǎo)流和整流，提高進(jìn)入冷卻塔的空氣流場(chǎng)均勻化程度，增大空氣和水的接觸時(shí)間，有效改善冷卻塔的熱力性能，可降低循環(huán)水溫，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，減少污染物排放量。在冬季，可根據(jù)氣候狀況和機(jī)組負(fù)荷情況，遮擋部分進(jìn)風(fēng)口面積，使冷卻塔的進(jìn)風(fēng)量大幅度降低，有效防止冷卻塔掛冰，與懸掛擋風(fēng)板防冰凍措施相比，可大幅度減少工作量和費(fèi)用。

3 結(jié)語(yǔ)

冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置運(yùn)行8個(gè)月可節(jié)省燃煤費(fèi)用約206.25萬(wàn)元，每年節(jié)約冬季防凍運(yùn)行費(fèi)用40萬(wàn)元。初步估算冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化裝置投資680萬(wàn)元，投資回收期約為2.8年。該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)無(wú)需停機(jī)，對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行沒(méi)有影響;

(2)冷卻塔的進(jìn)風(fēng)量增大，進(jìn)風(fēng)均勻，抵抗側(cè)風(fēng)的能力增強(qiáng);

(3)冷卻塔的冷卻能力提高，循環(huán)水溫平均可降低1.18℃，供電煤耗降低1.18 g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著;

(4)有利于冷卻塔冬季防凍和夏季高溫期安全運(yùn)行。

(5)投資較低，投資回收期較短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

建議電廠實(shí)施冷卻塔進(jìn)風(fēng)導(dǎo)流和防凍擋風(fēng)一體化節(jié)能技術(shù)改造。

［1］趙振國(guó).冷卻塔［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.

［2］趙順安.海水冷卻塔［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.

［3］西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

［4］DL/T 5339—2006火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［5］翟志強(qiáng)，朱克勤，符松.橫向風(fēng)對(duì)自然通風(fēng)干式冷卻塔空氣流場(chǎng)影響的模型實(shí)驗(yàn)研究［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1997，12(2):306-311.

［6］周蘭欣，蔣波.橫向風(fēng)對(duì)濕式冷卻塔熱力特性影響數(shù)值研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2009，51(3):165-168.

［7］周蘭欣，金童，尹建興，等.火電機(jī)組濕式冷卻塔加裝導(dǎo)流板的數(shù)值研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2010，52(1):13-16.

［8］徐士倩，王一偉，閆大強(qiáng).水冷塔空氣渦流導(dǎo)引裝置的數(shù)值模擬［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，47(1):45-51.

［9］侯曉菲，李斌.桃花江核電廠冷卻塔對(duì)近場(chǎng)流動(dòng)影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(1):171-175.

［10］高明，史月濤，王妮妮，等.側(cè)風(fēng)環(huán)境下自然通風(fēng)濕式冷卻塔周向進(jìn)風(fēng)變化規(guī)律［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2009，39(3):154-158.