金慶輝， 宋傳教， 楊建明， 黃恩和， 姚麗萍

(1. 東南大學 能源與環(huán)境學院， 南京 210096； 2. 江蘇省國信集團有限公司， 南京 210005)

自然通風冷卻塔是汽輪發(fā)電機組閉式循環(huán)冷端系統(tǒng)的重要設(shè)備，因其運行時具有對周邊生態(tài)環(huán)境影響小、運行費用及故障率低、易于維護等優(yōu)點，而被廣泛應用于電力行業(yè)[1-2]，并且逐漸取代從江河直接取水的開式供水冷卻方式。凝汽器出口的高溫循環(huán)水進入冷卻塔的中央豎井后，由配水系統(tǒng)分配至配水槽，經(jīng)若干個噴淋裝置噴濺成小水滴，均勻濺射在填料表面形成水膜，與干冷空氣充分接觸?？諝馕昭h(huán)水的熱量后，溫度升高、濕度變大、密度變小，濕熱空氣由冷卻塔出風口排向大氣，冷卻后的循環(huán)水匯集于集水池，由循環(huán)水泵返送至凝汽器[3-5]。

寒冷季節(jié)，部分地區(qū)氣溫降至零下十幾攝氏度甚至零下幾十攝氏度，淋水與冷空氣直接接觸，水溫易降至冰點以下，在進風口上緣、支撐梁柱、填料或噴淋裝置等位置會出現(xiàn)結(jié)冰[6-7]，并加劇成長形成冰凌、冰柱。這不僅會阻擋進風，影響冷卻效果，惡化氣水傳熱，更嚴重的是會增大填料與支撐構(gòu)件的載荷，甚至造成坍塌事故，威脅冷卻塔的安全運行；另外，混凝土的反復凍融也會使塔體結(jié)構(gòu)受損，降低使用壽命[8]。

目前，電廠較多采取冷卻塔進風口加裝擋風圍板的防凍方式，依靠降低通風量防止淋水結(jié)冰[8]。實際運行時，由于擋風板安裝高度和面積較大，裝卸具有一定難度，開度不可調(diào)，雖然滿足了最低溫度時的防凍要求，避免了支承結(jié)構(gòu)載荷過大等安全問題；但是，其他工況時因過度防凍而導致出塔水溫高于經(jīng)濟值，冷卻塔喪失主要冷卻功能，甚至造成凝汽器壓力接近夏秋高溫季時的壓力，導致機組發(fā)電效率降低，熱耗及煤耗增加，冷端經(jīng)濟性較差。

潘昌遠[9]針對300 MW燃煤機組研究了擋風板設(shè)置層數(shù)對機組煤耗的影響，計算得到冬季因懸掛過多的擋風板而多消耗標準煤3 802.13 t，造成235.24萬元經(jīng)濟損失。李永華等[10]針對北方寒冷季填料下表面及進風口易結(jié)冰的問題，研究了擋風面積對不同特征面水滴溫度的影響，得出當環(huán)境溫度為-10 ℃、-17 ℃、-23 ℃時，分別加裝1層、3層、5層擋風板，內(nèi)部各特征面的水滴平均溫度均已達到冰點以上，能剛好防止塔內(nèi)結(jié)冰；但是，由于進風區(qū)域與大氣環(huán)境直接接觸，特征面呈現(xiàn)出中間高、周圍低的溫度分布，塔內(nèi)靠近進風邊緣仍存在氣溫低于冰點的區(qū)域，甚至接近環(huán)境溫度，無法完全規(guī)避結(jié)冰風險。溫智慧[11]借助FLUENT軟件研究了不同擋風板布置方式的防凍效果，得出縱向間隔懸掛擋風板優(yōu)于迎風側(cè)懸掛方式，并且前者需要更小的擋風面積。多數(shù)研究集中在對不同擋風板布置方式及懸掛層數(shù)的防凍效果研究，并且未解決變工況運行下因擋風板開度不可調(diào)而導致經(jīng)濟性差等問題。目前，對冷卻塔的防凍仍處于不可控階段。

筆者對自然通風冷卻塔提出一種預熱式防凍系統(tǒng)，在冷卻塔底部進風口設(shè)置表面式氣水空氣預熱器，利用凝汽器出口高溫循環(huán)水通過表面換熱加熱冷空氣，在防凍約束條件下，基于氣象條件及機組負荷變化控制進風量和加熱循環(huán)水量，使出塔水溫盡可能低、機組冷端經(jīng)濟性最優(yōu)；同時，基于防凍系統(tǒng)的組成和工藝流程，對循環(huán)水和冷卻空氣的流動與傳熱建立數(shù)學模型，開發(fā)1 000 MW機組冷卻塔預熱式防凍系統(tǒng)的仿真計算軟件，驗證防凍系統(tǒng)的有效性，在防凍約束下優(yōu)化出塔水溫，給出最優(yōu)控制參數(shù)，為電廠寒冷季節(jié)冷卻塔安全運行及冷端優(yōu)化提供參考。

1 預熱式防凍系統(tǒng)

冷卻塔預熱式防凍系統(tǒng)的基本工藝流程[12]見圖1。塔底局部進風區(qū)域全周覆蓋擋風板，未覆蓋區(qū)域均開設(shè)百葉窗，并設(shè)置利用凝汽器出口高溫循環(huán)水加熱進風的翅片管式氣水換熱系統(tǒng)。原中央豎井出口的循環(huán)水分為兩路：一路仍沿進水母管進入冷卻塔配水系統(tǒng)；另一路進入預熱器管側(cè)。

圖1 冷卻塔預熱式防凍系統(tǒng)的基本工藝流程

自然通風冷卻塔最易結(jié)冰的區(qū)域為進風口邊緣，冷卻塔進風口冰幕現(xiàn)場圖見圖2。

圖2 冷卻塔進風口冰幕現(xiàn)場圖

預熱器的設(shè)置使塔進風得到充分預熱，平均溫度升高，降低了低溫運行工況下淋水與冷空氣因接觸散熱造成的結(jié)冰風險，同時可以克服擋風板防凍方式下進塔風溫仍接近實際環(huán)境溫度的缺陷。由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進水量，以及由百葉窗調(diào)節(jié)進風量，管側(cè)循環(huán)水經(jīng)冷卻后匯聚于集水池，承擔了冷卻塔部分冷卻負荷。

防凍系統(tǒng)設(shè)有溫度監(jiān)測及控制模塊，其運行狀態(tài)可調(diào)可控，可依據(jù)氣象條件或機組負荷變化調(diào)節(jié)預熱器的冷熱流體量，嚴格控制進塔風溫與出塔水溫。另外，在非寒冷季節(jié)運行時，考慮到預熱器阻力對冷卻塔冷卻性能的影響，應及時拆卸防凍裝置。

2 數(shù)學模型及計算方法

2.1 預熱器模型

2.1.1 預熱器熱力模型

預熱器由多支翅片管、管箱及構(gòu)架組成，翅片管是核心傳熱元件，管箱作為連接翅片管兩端的箱體，構(gòu)架用以支撐和固定翅片管束。預熱器管束排列設(shè)置為管中心呈三角形的叉排布置，熱力性能計算采用的試驗關(guān)聯(lián)式[13]為：

(1)

式中：ho為氣側(cè)對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；λ為導熱系數(shù)，W/(m·K)；dr為翅根直徑，m；qm,max為最窄截面處的質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；Sf、Hf分別為翅片間距和翅片高度，m；μ為動力黏度，kg/(m2·s)；cp為比定壓熱容，J/(kg·K)。

預熱器的氣水流動形式是以順流為總趨勢的多次交叉流，具體連接方式和溫度變化見圖3，其中：t1,in、t1,out分別為預熱器內(nèi)循環(huán)水的進口、出口溫度；t2,in、t2,out分別為預熱器內(nèi)空氣的進口、出口溫度；t1,i、t2,i分別為循環(huán)水和空氣在管程i的溫度。

圖3 預熱器的流動形式及溫度變化

熱力模型求解方法采用效能-傳熱單元數(shù)法[14]，具體計算公式為：

ε1=(t2,in-t2,out)/(t1,in-t2,in)

(2)

ε2=[1-e-NTU(1-C)φ]/[1-Ce-NTU(1-C)φ]

(3)

式中：ε1、ε2均為效能；NTU為傳熱單元數(shù)；Cmin、Cmax分別為最小、最大質(zhì)量熱容流率，W/K；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Atotal為總傳熱面積，m2；n為總管程數(shù)；φ、φi分別為總體和管程i的溫差修正(相比于純逆流的修正)系數(shù)；P、Pi分別為總體和管程i的熱效率；R、Ri分別為總體和管程i的熱容比，求解模型時假設(shè)了Ri=R。

2.1.2 預熱器阻力模型

預熱器的氣流阻力計算公式[15]為：

式中：Δpz2為預熱器氣流阻力，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；f為阻力系數(shù)；S1、S2分別為翅片管的橫向、縱向間距，m；ρ為濕空氣密度，kg/m3。

2.2 冷卻塔模型

2.2.1 冷卻塔熱力性能模型

冷卻塔熱力性能計算采用Mekel模型[16]，具體計算公式為：

N2=mApγn

(6)

根據(jù)濕空氣飽和焓近似假定下的平均焓差法求解計算，具體計算公式為：

(7)

2.2.2 冷卻塔阻力及抽力模型

冷卻塔阻力主要集中在塔進出口、雨區(qū)、淋水填料、配水系統(tǒng)、收水層，其阻力方程為：

式中：Δpz1為冷卻塔氣流阻力，Pa；vf為填料斷面風速，m/s；ξ1、ξ2均為阻力系數(shù)[17]；A0、A1分別為填料、出風口的面積，m2。

冷卻塔依靠塔內(nèi)外空氣密度差形成抽力，其計算公式[18]為：

Δpd=Htowerg(ρin-ρout)

(11)

式中：Δpd為抽力，Pa；Htower為冷卻塔有效高度，m；g為重力加速度，m/s2；ρin、ρout分別為進塔、出塔空氣的密度，kg/m3。

2.3 循環(huán)水泵變速調(diào)節(jié)模型

變速調(diào)節(jié)是通過改變循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速來改變運行工況，達到調(diào)節(jié)水量目的。由相似定律得到變轉(zhuǎn)速比下的特性方程為：

式中：H為實際揚程，m；P為功率，kW；qV為容積流量，m3/s；k為變轉(zhuǎn)速比；a1、a2、b1、b2、b3均為擬合系數(shù)。

2.4 仿真計算平臺開發(fā)

基于LabVIEW軟件，開發(fā)1 000 MW機組自然通風冷卻塔預熱式防凍系統(tǒng)仿真計算軟件，以驗證防凍系統(tǒng)的有效性。圖4為特性計算程序流程。

圖4 特性計算程序流程

3 模型驗證及運行控制

3.1 基于實測數(shù)據(jù)的模型驗證

以寧夏石嘴山電廠1 000 MW超超臨界機組自然通風冷卻塔[19]為例，塔型設(shè)計參數(shù)見表1。該塔淋水面積為12 000 m3，并采用雙斜波型淋水填料，高度按1.00 m、1.25 m、1.50 m由塔中心向外呈階梯狀布置，單個組裝塊尺寸為2 000 mm×500 mm×500 mm，且呈交錯排列；噴濺裝置為TP-Ⅱ型，布置間距為1 m；收水器使用改良的聚氯乙烯(PVC)材料，片距為45 mm。

表1 自然通風冷卻塔設(shè)計參數(shù)

根據(jù)該電廠運行的實測數(shù)據(jù)[19]對冷卻塔數(shù)學模型進行數(shù)值驗證，試驗工況分2臺泵并聯(lián)(簡稱雙泵并聯(lián))運行工況與3臺泵并聯(lián)(簡稱三泵并聯(lián))運行工況。2種工況均為全塔配水，機組滿負荷運行。大氣干球溫度、濕球溫度采用電動通風干濕表測量，并且在距離冷卻塔20 m處設(shè)置2個氣象測點，測點高度為7 m；出塔水溫測點位于回水溝，并且使用Pt-100型鉑電阻溫度探頭；塔內(nèi)風速測點共有76個，均勻布置在4條主水槽，測量儀表為MSF-1型電子微風表，試驗結(jié)果取平均值。將測量得到的干球溫度作為環(huán)境溫度。

圖5為雙泵并聯(lián)運行下出塔水溫的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果。冷卻塔模型出塔水溫的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近，且整體變化趨勢一致。

圖5 雙泵并聯(lián)運行下出塔水溫的試驗的結(jié)果與仿真的結(jié)果

出塔水溫偏差(仿真得到的出塔水溫和試驗得到的出塔水溫的差)分布見圖6。雙泵并聯(lián)運行下，出塔水溫偏差為0.35～1.49 K；三泵并聯(lián)運行下，出塔水溫偏差為0.07～0.86 K。雙泵并聯(lián)運行的總循環(huán)水量少，在相似氣象條件下溫降幅度較大，總體上溫度偏差略大于三泵并聯(lián)運行。

圖6 出塔水溫偏差分布

表2為出塔水溫及冷卻數(shù)的誤差。考慮到冷卻塔試驗情況下存在的測量精度、測點位置選擇等，可認為冷卻塔模型計算結(jié)果合理有效，滿足工程設(shè)計與計算的精度要求。

表2 出塔水溫及冷卻數(shù)的誤差

預熱器的設(shè)計參考文獻[15]，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，翅片管總體尺寸型號為φ12×1/26/1.5/0.5-AL/AL-高頻焊接，翅化比為15.44。預熱器管束中心呈三角形叉排布置，管間距為36 mm，有60根單排管束，共有3程管程，箱體尺寸為2.16 m×0.11 m×2.00 m；初步設(shè)計冷卻塔的實際擋風覆蓋率為65%，預熱器設(shè)置于冷卻塔進風口最底部(即擋風板下方)，并沿周向連續(xù)布置，總覆蓋率為35%。

3.2 溫度控制模塊

防凍系統(tǒng)的溫度控制模塊見圖7，其主要包括溫度監(jiān)測單元、信號處理單元和調(diào)控執(zhí)行單元。具體設(shè)備分為百葉窗式調(diào)節(jié)風門、進水調(diào)節(jié)閥、風門執(zhí)行機構(gòu)、調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)、可編程序邏輯控制器(PLC)及各測溫元件(T)。

圖7 防凍系統(tǒng)的溫度控制模塊

測溫元件用于實時監(jiān)測進塔風溫、管側(cè)出口水溫及出塔水溫，PLC基于各溫度測點的輸入信號，通過控制邏輯判斷并輸出反饋調(diào)節(jié)信號，使系統(tǒng)執(zhí)行相應的調(diào)控指令。溫度控制過程為閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)過程，通過調(diào)節(jié)預熱器的進風量及循環(huán)水量，對預熱器及冷卻塔的運行狀態(tài)實現(xiàn)有效監(jiān)測與控制。

3.3 運行控制策略

防凍系統(tǒng)的溫度控制方式為基于百葉窗開度或調(diào)節(jié)閥開度的連續(xù)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對預熱氣溫(冷卻塔進風溫度)的閉環(huán)控制。當進塔風溫在-5 ℃左右，未加擋風板的冷卻塔的結(jié)冰風險極低[11]，因此控制系統(tǒng)的防凍約束條件設(shè)定為預熱氣溫≥-5 ℃。設(shè)計工況時各參數(shù)如下：環(huán)境溫度為-15 ℃，相對濕度為40%，機組負荷為熱耗率驗收(THA)工況，背壓為4.8 kPa。為比較不同控制方式對系統(tǒng)運行特性的影響，在設(shè)計工況下，對不同調(diào)節(jié)方式進行仿真模擬計算，得到預熱器及冷卻塔的熱力性能參數(shù)見圖8(基于調(diào)節(jié)閥開度)及圖9(基于百葉窗開度)，并且計算中考慮了循環(huán)水泵的功耗。

圖8 基于調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)特性

圖9 基于百葉窗開度的調(diào)節(jié)特性

由圖8及圖9可得：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥或百葉窗均可以有效控制預熱氣溫，并且隨著調(diào)節(jié)閥開度的增大或百葉窗開度的減小，預熱氣溫升高，降低了冷卻塔結(jié)冰的概率，但2種調(diào)節(jié)方式冷卻循環(huán)水的效果相差較多。

表3為預熱氣溫變化1 K時，不同調(diào)節(jié)方式下的經(jīng)濟性對比。當預熱氣溫變化1 K時，調(diào)節(jié)閥開度平均變化9.6百分點，百葉窗開度平均變化為3.9百分點。與調(diào)節(jié)百葉窗開度相比，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度單獨控制下出塔水溫升高幅度較小，表明維持凝汽器壓力所需的循環(huán)水量增量及水泵功耗增量更小，冷端經(jīng)濟性更優(yōu)。

表3 不同調(diào)節(jié)方式下的經(jīng)濟性對比

基于上述分析，優(yōu)化控制策略為：優(yōu)先控制百葉窗全開，改變調(diào)節(jié)閥開度，維持預熱氣溫高于防凍閾值，并在防凍約束下對調(diào)節(jié)閥開度進行尋優(yōu)，降低出塔水溫，減少水泵功耗；當調(diào)節(jié)閥開度達到水量調(diào)節(jié)的上限，減小百葉窗開度，降低冷卻塔的進風量。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 基于氣象條件變化的最優(yōu)控制

寒冷季節(jié)時，冷卻塔內(nèi)循環(huán)水的降溫方式以接觸散熱為主，蒸發(fā)散熱強度較弱，空氣濕度變化對冷卻性能的影響并不大。圖10為環(huán)境溫度變化下防凍系統(tǒng)的最優(yōu)控制參數(shù)，其中仿真計算中運行工況的負荷條件設(shè)置同設(shè)計工況。

圖10 環(huán)境溫度變化時的最優(yōu)控制參數(shù)

由圖10可得：當環(huán)境溫度從-10 ℃降低至-28 ℃，最優(yōu)控制下的預熱氣溫始終穩(wěn)定于防凍閾值范圍，驗證了防凍系統(tǒng)的有效性。當環(huán)境溫度高于-22 ℃，調(diào)節(jié)方式以調(diào)節(jié)循環(huán)水量為主，控制百葉窗全開，最優(yōu)調(diào)節(jié)閥開度隨氣溫的降低而增大，出塔水溫呈下降趨勢，且存在最低溫度(8.28 ℃)。當氣溫降至-22 ℃，水量調(diào)節(jié)已達上限，調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷M風量的調(diào)節(jié)，減小百葉窗開度，以確保預熱氣溫仍滿足防凍要求，出塔水溫因進風量的降低而逐漸升高。

4.2 基于機組負荷變化的最優(yōu)控制

保持氣象條件不變(環(huán)境溫度為-15 ℃，相對濕度為40%)，改變機組的運行負荷，得到負荷變化時的最優(yōu)控制參數(shù)見圖11。循環(huán)水量達到調(diào)節(jié)臨界值，機組負荷在(40%～50%)THA，預熱器出口水溫、出塔水溫變化的總體趨勢均隨負荷的減小而降低，但循環(huán)水量調(diào)節(jié)方式對管側(cè)水溫影響較大，出塔水溫主要受風量調(diào)節(jié)的影響。另外，負荷率每降低10百分點，管側(cè)水溫(預熱器出口水溫)平均降低1.72 K，出塔水溫平均降低0.94 K。

圖11 負荷變化時的最優(yōu)控制參數(shù)

4.3 優(yōu)化控制實例

對自然通風冷卻塔預熱式防凍系統(tǒng)按冷端運行最優(yōu)參數(shù)進行控制，不僅提高了進風塔溫度，滿足了防凍要求，而且降低了出塔水溫，提高了冷端系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。優(yōu)化控制的目標函數(shù)可表示為冷端系統(tǒng)的最大凈收益，即當減少的發(fā)電煤耗帶來的收益與循環(huán)水泵功耗增加的費用之差達到最大值時，此時對應的循環(huán)水量為最優(yōu)循環(huán)水量，凝汽器壓力為經(jīng)濟背壓。具體計算公式為：

maxE=max[-(L×ΔB+R×ΔP)]

(14)

式中：E為凈收益，元/h；L為標準煤價格，元/t；ΔB為標準煤質(zhì)量流量增量，t/h；R為電價，元/(kW·h)；ΔP為所有循環(huán)水泵功耗的增量，kW。

針對1 000 MW超超臨界機組經(jīng)濟性進行分析，通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速改變循環(huán)水量，得到不同環(huán)境溫度下優(yōu)化控制結(jié)果見表4。在不同環(huán)境溫度下，防凍系統(tǒng)均存在最優(yōu)調(diào)節(jié)閥開度，經(jīng)濟背壓低于設(shè)計背壓(4.8 kPa)，凝汽器真空度增大，提高了汽輪發(fā)電機組的實際循環(huán)熱效率。經(jīng)計算，環(huán)境溫度為-20～-10 ℃時，環(huán)境溫度每降低1 K，發(fā)電熱耗平均降低60.70 kJ/(kW·h)。同時，循環(huán)水泵功耗也因出塔水溫的優(yōu)化而降低，冷端經(jīng)濟性變好，且環(huán)境溫度每降低1 K，經(jīng)濟背壓平均降低0.09 kPa，凈收益平均增加101元/h。

表4 不同環(huán)境溫度下優(yōu)化控制結(jié)果

圖12為寧夏石嘴山2020年12月12日中各個時刻的環(huán)境溫度下經(jīng)優(yōu)化控制后的凈收益變化。

圖12 優(yōu)化控制后的凈收益變化

凈收益隨環(huán)境溫度變化的差異較大，若以標準煤價格為700元/t、廠用電價為0.4元/(kW·h)計算，經(jīng)優(yōu)化控制后發(fā)電機組一天可增加凈收益20 974元，整個冬季凈收益為188.76萬元，具有工程應用及推廣價值。

5 結(jié)語

針對自然通風濕式冷卻塔寒冷季節(jié)結(jié)冰問題，提出了一種預熱式防凍系統(tǒng)，通過設(shè)置氣水表面式預熱器，使冷卻塔的進風充分得到預熱，既提高了進風溫度避免結(jié)冰，又冷卻了循環(huán)水。同時，根據(jù)系統(tǒng)組成和工藝流程，建立了流動與傳熱數(shù)學模型，并在防凍約束下建立了運行控制模型，得到結(jié)論為：

(1) 基于LabVIEW軟件開發(fā)了可用于預熱器及冷卻塔特性計算的仿真軟件，并依據(jù)實測數(shù)據(jù)對冷卻塔模型進行了數(shù)值驗證，得到仿真出塔水溫變化的總體趨勢與試驗數(shù)據(jù)一致。雙泵并聯(lián)運行下出塔水溫偏差較大，最大平均溫度偏差為0.83 K，最大平均相對誤差為8.33%，滿足工程計算精度要求。

(2) 研究了基于調(diào)節(jié)閥或百葉窗調(diào)節(jié)的特性，得到調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度控制預熱氣溫方式下的冷端經(jīng)濟性更優(yōu)，調(diào)節(jié)百葉窗開度對出塔水溫的影響較大。

(3) 給出了最優(yōu)控制參數(shù)，當環(huán)境溫度或機組負荷降低時，優(yōu)先增大調(diào)節(jié)閥開度，預熱氣溫高于防凍閾值，驗證了防凍系統(tǒng)的有效性，并且當環(huán)境溫度為-22 ℃左右或機組負荷為50%THA左右時，循環(huán)水量達到調(diào)節(jié)臨界值，出塔水溫可維持在3～12 ℃。

(4) 對某1 000 MW機組經(jīng)濟性進行分析和優(yōu)化，優(yōu)化控制后發(fā)電熱耗平均降低60.70 kJ/(kW·h)，整個冬季凈收益為188.76萬元，經(jīng)濟效益明顯。