冷却塔实施进风导流和防冻挡风一体化技术改造分析

石诚，赵永宏，涂菁菁

(中国电力工程顾问集团科技开发有限公司，北京市，100120)

0 引言

逆流式自然通风冷却塔是电力系统广泛使用的冷却设备，作为电厂热力循环中的重要辅助设备，冷却塔优良的热力性能是保证汽轮发电机组具有较高热效率、安全运行及满负荷发电的前提条件，冷却塔的热力性能直接关系到电厂的经济效益［1-2］。

目前，国内冷却塔效率普遍处于较低水平，由于冷却塔经常在偏离设计条件的环境下工作，出塔水温高于设计值。冷却塔效率降低、冷却效果变差，会使进入凝汽器的冷却水温度升高，降低凝汽器的真空和冷却效果，使汽轮机排汽压力和温度升高，增加了机组的煤耗，最终导致机组出力降低，经济性变差。对于1台300 MW机组，冷却塔出水温度降低1℃，机组效率提高0.23%，热耗减少23.39 kJ/(kW·h)，供电煤耗减少约1 g/(kW·h)。按机组利用h为5500 h计算，年耗煤量减少1650 t。按1 t标煤800元计，年减少燃煤费用约132万元［3-4］。

冷却塔的热力性能受多方面因素影响，如环境气象参数、冷却塔设计参数和机组运行负荷等。国内外电厂冷却塔改造很少涉及到气侧流场。通过冷却塔热力性能测试和物模试验可知，自然风对冷却塔冷却效果有较大影响。自然风是一个随机变量，它对冷却塔影响的分析较复杂，与冷却塔的类型和负荷大小等因素有关［5-6］。

自然风环境下，影响冷却塔传热、传质性能的主要因素是塔内通风量以及风速在填料区分布的均匀性，而通风量和风速均匀性主要受塔底周向进风口风速的影响。无风时，塔底周向进风是均匀对称的，即塔内填料各处的传热、传质性能是对称分布的;有风时，外界风速的变化对塔底四周风速有较大影响，即对通风量有较大影响。当风速达到0.6 m/s时，迎风面风速增大，背风面风速减小，侧风区的风速也出现减小的趋势，冷却塔沿底部圆周进风不均匀，在进塔和出塔处存在涡流，进风阻力增大，冷却塔的总体通风量减小，塔内的传热、传质性能减弱。通过物模试验可知，自然风速4 m/s时，循环水温约升高1.2℃;自然风速5 m/s时，循环水温约升高1.8℃;自然风速6 m/s时，循环水温约升高2.5℃;自然风速7 m/s时，循环水温约升高3.3℃。

我国北方部分地区冷却塔在冬季运行时，因气温过低会引起循环水温度过低和冷却塔的某些部位结冰，从而影响汽轮机效率和冷却塔的正常运行。冷却塔在冬季运行时多采用悬挂挡风板防冻，由于挡风板数量较多、尺寸较大且需要人工悬挂，悬挂挡风板工作量较大，工作环境较差。

1 工程概况

某电厂位于辽宁省，年平均气温7.3℃，年平均风速4.1 m/s。电厂2×600 MW机组采用带逆流式自然通风冷却塔的扩大单元制循环供水系统。每台机组配1座淋水面积6500 m2的自然通风冷却塔。冷却塔高122.16 m、出口直径64.04 m、进风口高8.11m、0 m 直径104.66 m。

2 冷却塔节能潜力

由气象资料可知，电厂所在地区年平均风速较大。12月至次年2月，冬季平均气温在－8℃以下，3月和11月的平均气温也低于0℃。冬季循环水温较低，存在汽轮机过冷和冷却塔结冰的危险。较大的年平均风速对冷却塔热力性能有明显的不利影响，会引起冷却塔进风不均匀，降低冷却塔的通风量，导致冷却塔出水温度升高，机组的经济性降低。

2.1 发电机组运行背压

当冬季循环水温较低，形成背压较低而负荷较大时，汽轮机末级叶片容积流量较大，造成余速损失增大，叶片弯曲应力增加。当汽流马赫数增大到0.87～0.9时，末级叶片通过截面会出现汽流阻塞，即使背压再降低，也不能增加机组的功率，这时的背压为阻塞背压。机组运行背压要在阻塞背压以上，极限背压是保证机组安全运行的最高背压。考虑到末级叶片安全性等因素，极限背压的确定与末级叶片的容积流量以及叶片动强度等因素相关联。当末级叶片出力为0时所对应的背压为极限背压。因此，发电机组主要是在阻塞背压和极限背压之间运行。

电厂一般将循环水系统运行水温控制在12℃以上，个别电厂控制在10℃以上，汽轮机排汽压力控制在阻塞背压附近。当实际排汽压力低于设计背压时，汽轮机会产生微增出力，因此降低循环冷却水的水温，汽轮机的排汽压力也会随之降低，最终使机组的经济性提高。

图1为某电厂600 MW机组背压热耗修正曲线。由图1可知，汽轮机排汽压力降低1 kPa，相应热耗率下降约1%。

2.2 进风导流和防冻挡风一体化技术

2.2.1 节能效益

图1 某电厂600 MW机组背压热耗修正曲线Fig.1 Correction curve of heat consumption for back-pressure turbing for a 600 MW unit

冷却塔进风导流和防冻挡风一体化装置包含导流板主体及与之活动连接的挡风叶片。通过冷却塔热力性能测试和物模试验分析可知，在电厂冷却塔外设置进风导流和防冻挡风一体化装置可使进风均匀，有效地改善了冷却塔热力性能，平均降低冷却塔出水温度约1.18℃，具有显著的经济效益［7-10］。电厂6～8月循环水温平均降低1℃，有利于机组夏季安全运行。根据逐月风速资料，结合研究成果和有关工程经验，对冷却塔加装进风导流和防冻挡风一体化装置后的节能效益进行分析，预计可达到的效果如表1所示。

表1 1×600 MW机组冷却塔加装进风导流和防冻挡风一体化装置的节能效益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机组年运行7500 h、年利用小时数为5500 h计算，冷却塔进风导流和防冻挡风一体化装置年运行8个月(考虑防冻原因，12、1、2月节能装置不运行，3、11月各运行半个月)，共可节约标煤2578.09 t，按煤价 800 元/t计，可节省费用约206.25 万元。

2.2.2 防冻效益

1×600 MW机组配置6500 m2冷却塔，若用悬挂挡风板防冻措施，挡风板面积需4700～4800 m2(约2300～2400块挡风板)。根据调研可知，每年约有25%左右的挡风板损坏，需要更换，其费用约25万元。考虑到悬挂、摘取挡风板的费用，1年的运行维护成本约15万元。采用进风导流和防冻挡风一体化技术改造，每年12月至次年2月的寒冷季节，可充分发挥该装置的防冻挡风作用。根据气候状况和机组负荷情况，遮挡部分进风口面积，减少冷却塔的进风量，有效防止汽机过冷和冷却塔结冰。

与传统的人工悬挂挡风板防冻措施相比，进风导流和防冻挡风一体化装置节省大量的搬运和人工悬挂费用，并可取消专门用于存放挡风板的贮藏间，节省了占地面积，还可大幅度减少设备的人为损坏，节省设备维护与部件更换费用。

综上所述，冷却塔进风导流和防冻挡风一体化技术适用于冷却塔热力性能受自然风影响较大的北方地区，通过在冷却塔底部进风口圆周外布置一系列进风导流和防冻挡风一体化装置，对进塔空气进行导流和整流，提高进入冷却塔的空气流场均匀化程度，增大空气和水的接触时间，有效改善冷却塔的热力性能，可降低循环水温，提高机组运行的经济性，减少污染物排放量。在冬季，可根据气候状况和机组负荷情况，遮挡部分进风口面积，使冷却塔的进风量大幅度降低，有效防止冷却塔挂冰，与悬挂挡风板防冰冻措施相比，可大幅度减少工作量和费用。

3 结语

冷却塔进风导流和防冻挡风一体化装置运行8个月可节省燃煤费用约206.25万元，每年节约冬季防冻运行费用40万元。初步估算冷却塔进风导流和防冻挡风一体化装置投资680万元，投资回收期约为2.8年。该技术具有以下优点:

(1)实施此项技术无需停机，对机组正常运行没有影响;

(2)冷却塔的进风量增大，进风均匀，抵抗侧风的能力增强;

(3)冷却塔的冷却能力提高，循环水温平均可降低1.18℃，供电煤耗降低1.18 g/(kW·h)，节能效果显著;

(4)有利于冷却塔冬季防冻和夏季高温期安全运行。

(5)投资较低，投资回收期较短，经济效益显著。

建议电厂实施冷却塔进风导流和防冻挡风一体化节能技术改造。

［1］赵振国.冷却塔［M］.北京:中国水利水电出版社，2001.

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