冷却塔节能改造对汽轮机组热力性能影响分析

 

姜国锋1  崔晓波2

1.国能神福（龙岩）发电有限公司

2.南京工程学院能源与动力工程学院

冷却塔是汽轮机组重要辅助设备，通过冷却塔节能改造提高冷却能力后，可相对降低冷却塔出塔水温，进而降低汽轮机排汽压力、汽轮机热耗和发电煤耗。在进行冷却塔改造效果分析时，以往重点以性能试验实测冷却塔冷却效率为主，实践中还需分析改造前后冷却塔冷却能力变化对汽轮机组热力性能的影响，现以某600 MW机组冷却塔改造为例，根据冷却塔出塔水温变化，结合水蒸气特性、汽轮机和凝汽器变工况计算，分析不同运行工况下冷却塔节能效果，所形成的分析方法和分析思路为其他机组冷却塔节能改造效果分析及改造方案决策提供了指导。

关键词：

KEY WORDS

冷却塔；节能改造；冷却效率；汽轮机组；热力性能

中图分类号：

TK261

0  引言

冷却塔节能改造是电厂的一项重要节能项目，冷却塔的冷却效果直接影响着冷却塔出水温度即凝汽器循环冷却水进口温度的高低，进而影响机组真空和热力性能[1-2]。国内科研院所、电厂检修维护及冷却塔改造厂家比较注重冷却塔节能改造技术方面的研究和改造实践，并取得了较好的成绩。但是，前期研究相对缺少冷却塔改造效果对机组热力性能影响的分析，既不利于改造后效果的分析评价，也不利于改造前后的效果对比[3]。

1  冷却塔节能改造概况

受工作环境影响，随着运行时间增长，冷却塔内的除水器、配水系统、淋水填料及内壁涂料均会出现老化问题，导致冷却塔内壁渗水，除水器变形，配水槽裂缝或配水管端头开裂，喷溅装置脱落或损坏，加之淋水填料结垢堵塞或因冰载、水流冲击造成破损等，导致冷却塔冷却效果变差，直接影响机组运行的经济性和安全性。通过对冷却塔内部部件的节能改造，提高冷却塔冷却效果，是实现火电厂节能降耗的有效途径。

淋水填料是冷却塔散热的关键部件，冷却塔中约70%的热量由淋水填料散发，淋水填料脏污、破损、堵塞以及自身材质型式和布置方式会直接影响换热效果，通过改造淋水填料能够有效提高冷却塔换热能力。近年来，冷却塔PVC淋水填料的开发和应用得到了长足发展，且以薄膜式淋水填料为主要产品。PVC淋水填料按其板型结构可以分为折波型、斜波型和复合波型三类，布置方式由传统的均匀布置向不等高布置和不等间距布置发展。

喷溅装置容易出现溅水不均、喷头堵塞、喷头损坏等问题，出现溅水效果不好、配水不均现象，影响冷却塔冷却效果。在自然通风冷却塔改造中常选用的喷溅装置有TPⅡ型、反射型、RC型及多层流型，材质均为工程塑料（ABS）。

除水器在塔内高温（相对环境温度而言）、高湿条件下长期运行后弧片容易变形，不但影响除水效果，还增加了冷却塔的通风阻力，进而影响冷却塔热力性能。近年来，国内生产商改进了除水器的材质及生产工艺，包括采用聚氯乙烯（PVC）材料、对除水器上/下边卷边、一次挤塑成型等措施，进而有利于提高除水器的组装刚度，保证除水器弧片长期使用不变形，除水效果好，通风阻力小，冷却塔热力性能的稳定性得到提升。

近些年，针对冷却塔塔内部件的节能改造技术蓬勃发展，并取得了较好的效果。部分运行4～10年的冷却塔通过节能改造冷却能力明显提高；但是，部分冷却塔存在改造前后效果对比不明显的现象，这主要是因为除了改造技术本身，改造前后效果的对比还受改造前冷却塔工作状态、工作环境、循环水水质及冷却塔本身技术水平等因素的影响。同样运行多年的冷却塔冷却能力偏差较大，有些冷却塔运行多年冷却能力仍接近原设计水平，但是也有冷却塔运行时间较短就出现各种问题导致其冷却能力明显下降。因此，改造冷却塔除了关注节能改造新技术之外，还需关注冷却塔实际工作状态，不能简单地根据运行时间长短来决定是否需要改造。

2  冷却塔改造效果对机组热力性能影响

对冷却塔节能改造效果的分析评价可以分为两个方面，一方面是通过性能试验实测冷却塔改造后冷却效率是否达到设计值，这也是最常见的性能评价方法；另一方面是对改造前后的冷却效率进行对比，定量计算改造带来的变化。分析改造前后冷却效率的变化，不仅能够客观评价改造项目的效果，也能够通过预测改造效果评判改造方案的优劣，避免盲目改造[4]。

冷却塔改造效果可以通过冷却效率这一主要热力性能指标的高低进行定量评价。运行维护人员可以直观地查看改造前后冷却塔出塔水温的相对变化，然后进一步计算不同工况下冷却塔出塔水温的变化对汽轮机背压、汽轮机热耗以及机组发电煤耗的影响[5-6]。

汽轮机凝汽器压力对应饱和温度的决定公式为：

式中：tw1为凝汽器冷却水进口温度（即冷却塔出水温度）；△tw为凝汽器冷却水温升；δt为凝汽器传热端差。

通常分析冷却塔改造效果时，以其他边界条件如环境状态、主辅机设备状态、机组负荷等保持不变为前提，冷却塔改造前后带来的直接影响是冷却塔出塔水温的变化，凝汽器冷却水温升保持不变，凝汽器传热端差受冷却塔出塔水温变化（冷却塔改造带来的水温变化相对较小）的影响可忽略不计。由此可推算出凝汽器压力对应饱和温度的变化量同冷却塔出塔水温的变化量保持一致，进而可折算出凝汽器压力变化量以及汽轮机热耗和发电煤耗变化量。

冷却塔的设计运行工况以夏季工况为基准，冷却塔性能试验也要在夏季进行。此外，在进行改造效果分析，特别是节能量统计分析时还需要考虑其他季节下的节能效果，以及汽轮机组在不同运行负荷工况下的节能效果，建立随季节变化（以冷却塔出水温度为基准）和随机组负荷变化的冷却塔节能改造效果分析模型。

需要说明的是，对于地处北方地区的机组，冷却塔在冬季运行工况下还面临防冻问题，为了保障冷却塔防冻，往往需要人为提高冷却塔出塔水温，此时冷却塔节能改造的效果是不需要再计算的，可以以人为干预冷却塔出塔水温为边界，在人为干预冷却塔出塔水温的运行工况下不再分析统计冷却塔节能改造效果。

3  实例分析

3.1  设备规范

某600 MW汽轮机组配备一座8 500 m2自然通风冷却塔，冷却塔采用改性PVC淋水填料，管式配水，喷溅装置为反射Ⅲ型，除水器采用PVC除水器。冷却塔主要参数如表1所示。

该机组冷却塔投产后已运行8年时间，淋水填料和喷溅装置老化严重，为了提高冷却塔的冷却能力，对其进行了节能改造。    

3.2  节能改造方案

结合该冷却塔实际运行状态，其节能改造方案是全部更换淋水填料和喷溅装置，修复配水管、除水器、填料玻璃钢支撑架等存在的缺陷。

淋水填料为PVC材质，波形为斜折波形，需经过物理力学性能检验和平片型式检验，由电力工业热力发电设备及材料质量检验测试中心出具检测报告，小片间距淋水填料除出具材质检测报告外，还应出具热力、阻力特性检测报告。

冷却塔淋水填料采用非线性布置，根据塔内空气动力场的分布规律，尽可能充分发挥各部分填料的冷却潜力；在不同的半径处填料的高度和间距有所差异，通过建立模型、数值计算、风洞试验的方法制定填料非等高、非等间距的布置方案。

喷溅装置选用旋转型喷溅装置，喷溅装置及其附件的材质必须满足安装及运行要求，具有良好的耐热、耐老化性能，具有足够的强度和韧性；喷溅装置旋转盘及支架表面光洁圆滑、塑化良好、形状规整、色泽一致，不得有裂纹、孔洞、气泡、凹陷现象。

3.3  改造效果分析

冷却塔改造后的冷却效率为原冷却塔冷却效率设计值的115.5%，改造后的冷却塔出塔水温比原设计值降低约1.45 ℃。

同改造前相比，在冷却塔出塔水温不同基准值（环境温度）以及不同机组负荷条件下，冷却塔出塔水温降低1.45 ℃对机组的节能效果影响分析结果如表2和表3所示，其中凝汽器压力变化对汽轮机热耗的影响通过汽轮机制造厂给出的汽轮机排汽压力变化对汽轮机热耗影响关系曲线进行计算。

 

其他工况下冷却塔出塔水温变化对应的节能效果采用类似方法进行分析统计。从表中可以看出，受汽轮机、凝汽器热力性能和水蒸气热力特性影响，在机组不同负荷工况以及不同循环冷却水温度基准下，冷却塔出塔水温降低值对应的凝汽器压力降低值、汽轮机热耗降低值和机组发电煤耗降低值均不同，这表明各因素的影响不能通过简单的线性比例关系进行核算，需结合水蒸气特性、汽轮机和凝汽器变工况计算，重点结合汽轮机排汽压力变化对汽轮机热耗影响关系分析计算冷却塔节能效果。

4  结语

冷却塔是汽轮机组重要辅助设备，通过冷却塔节能改造提高冷却塔冷却能力，可以有效降低汽轮机组能耗，提高机组运行经济性。

评价冷却塔的节能改造效果，不仅要通过冷却塔性能试验测试冷却效率，还应重点分析改造前后冷却塔冷却能力的变化对汽轮机热力性能的影响，根据冷却塔出塔水温变化，结合水蒸气特性、汽轮机和凝汽器变工况计算，综合分析不同运行工况下冷却塔的节能效果。

编辑：黄飞