冷卻塔節(jié)能改造對汽輪機(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，通過冷卻塔節(jié)能改造提高冷卻能力后，可相對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，以往重點(diǎn)以性能試驗(yàn)實(shí)測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汽輪機(jī)組熱力性能的影響，現(xiàn)以某600MW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。國內(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。但是，前期研究相對缺少冷卻塔改造效果對機(jī)組熱力性能影響的分析，既不利于改造后效果的分析評價，也不利于改造前后的效果對比。1

冷卻塔節(jié)能改造概況受工作環(huán)境影響，隨著運(yùn)行時間增長，冷卻塔內(nèi)的除水器、配水系統(tǒng)、淋水填料及內(nèi)壁涂料均會出現(xiàn)老化問題，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。通過對冷卻塔內(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)型式和布置方式會直接影響換熱效果，通過改造淋水填料能夠有效提高冷卻塔換熱能力。近年來，冷卻塔PVC淋水填料的開發(fā)和應(yīng)用得到了長足發(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（相對環(huán)境溫度而言）、高濕條件下長期運(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，國內(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)行時間較短就出現(xiàn)各種問題導(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)，不能簡單地根據(jù)運(yùn)行時間長短來決定是否需要改造。2

冷卻塔改造效果對機(jī)組熱力性能影響對冷卻塔節(jié)能改造效果的分析評價可以分為兩個方面，一方面是通過性能試驗(yàn)實(shí)測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價方法；另一方面是對改造前后的冷卻效率進(jìn)行對比，定量計(jì)算改造帶來的變化。分析改造前后冷卻效率的變化，不僅能夠客觀評價改造項(xiàng)目的效果，也能夠通過預(yù)測改造效果評判改造方案的優(yōu)劣，避免盲目改造。冷卻塔改造效果可以通過冷卻效率這一主要熱力性能指標(biāo)的高低進(jìn)行定量評價。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。汽輪機(jī)凝汽器壓力對應(yīng)飽和溫度的決定公式為：式中：tw1為凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度（即冷卻塔出水溫度）；△tw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，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（冷卻塔改造帶來的水溫變化相對較?。┑挠绊懣珊雎圆挥?jì)。由此可推算出凝汽器壓力對應(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。需要說明的是，對于地處北方地區(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)測試中心出具檢測報(bào)告，小片間距淋水填料除出具材質(zhì)檢測報(bào)告外，還應(yīng)出具熱力、阻力特性檢測報(bào)告。冷卻塔淋水填料采用非線性布置，根據(jù)塔內(nèi)空氣動力場的分布規(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汽輪機(jī)熱耗的影響通過汽輪機(jī)制造廠給出的汽輪機(jī)排汽壓力變化對汽輪機(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簡單的線性比例關(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)語冷卻塔是