郭民臣，马 英，梅 勇，陈文飞，王卜平

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京102206）

我国北方地区冬季环境温度低，常常因循环水温度过低而造成水塔配水系统、淋水系统等结冰而损坏，同时影响循环水系统的安全运行.在严寒的冬季，大部分电厂的循环水塔都采用悬挂挡风板的方法来防止循环水塔及其附属设备结冰，达到保护设备的目的（见图1）［1］.

通过改变挡风板的角度来控制进塔空气量可以防止水塔结冰，但该方法存在调整困难、劳动强度大、维修量大的缺点，且对空气量的调整也不够灵活.

1 设备概况

辽宁东方发电有限公司于2005年投产2 台350 MW机组，汽轮机为N350—16.7／538／538 亚临界、一次中间再热、双缸、单轴、双分流、凝汽式汽轮机.每台机组设有冷却面积为4 500m2的自然通风冷却水塔，配备2台50%容量的循环水泵.

图1 冷却水塔悬挂挡风板Fig.1 The cooling tower protected by suspension windshields

笔者提出采用快速喷雾结冰技术来防止水塔结冰.图2为该公司2号机组（采用悬挂挡风板进行防冻）全天循环水温度、机组负荷与排汽压力曲线.从图2可看出，由于冬季夜晚温度低，所以机组真空度呈现昼低夜高的趋势，而机组负荷却呈现昼高夜低的趋势，两者的变化趋势恰好相反.对于采用挡风板防冻的机组，为确保循环水塔防冻安全，所悬挂挡风板的数量应满足负荷低谷、环境温度最低、机组真空度最高时循环水塔的安全要求.由于安装挡风板的数量受天气情况、风向、风力以及劳动强度和维护费用的影响较大，因此无法达到根据环境温度高低和机组负荷大小来随时调整循环水温度的要求.这就出现了随着环境温度升高，机组负荷率逐渐升高，机组真空度逐渐降低，致使大部分时段循环水温度高于经济温度，机组真空度低于设计值，不利于机组的经济运行［2］.

图2 循环水温度、机组负荷与排气压力曲线Fig.2 Curves of circulating water temperature，unit load and discharge pressure

2 快速喷雾结冰技术

2.1 基本原理

快速喷雾结冰是一种利用大气环境温度和冷却塔出口水温的变化，在钢丝网上实现快速喷雾结冰及融化，达到调整循环水温度及防止循环水塔结冰的技术.在环境温度较低时段，为确保循环水塔防冻安全，启动循环水塔蓄水池内的潜水泵，循环水通过环形水管由喷嘴喷出，水雾喷洒在水塔进风口铺设的钢丝网上并迅速结成带有孔洞的薄冰膜，使进入水塔的风量减少.通过控制潜水泵的启动时间来控制钢丝网孔洞的大小，从而调整进风量，进而将循环水温度控制在合理范围内，达到循环水塔防冻的目的.随着环境温度及出塔水温度的逐渐升高，钢丝网上的薄冰膜逐渐融化，孔洞逐渐扩大，使冷却水塔进风口的进风量逐渐增大，进而将循环水温度控制在最佳温度下运行.

2.2 装置的基本组成

快速喷雾结冰装置见图3，主要由4部分（结冰部分、配水部分、雾化部分和控制部分）组成.

（1）在循环水冷却塔进风口处斜支撑柱外侧铺设钢丝网，形成结冰部分.钢丝网由规格为30mm×30mm，网孔直径为1.8mm 的丝网组成.

（2）配水部分配备4 台功率为18kW 的潜水泵，主水管道以直径50mm 管子环形布置，上、下共4层，每层分8 段，一台潜水泵控制两段，每段设1台阀门来控制配水量.

（3）主水管道上有多个分支水管；各分支水管上装有铜制空心喷嘴，共布置有550个喷嘴，均匀分布在环形管上；喷嘴环形管由44 个F 型角钢支架支撑，支架固定在以0.8m×0.8m×1.2m 混凝土基础上，由此构成雾化部分.

（4）控制部分主要指温度控制装置，包括温度控制器、温度传感器和连接在水泵电机回路上的交流接触器.温度传感器检测水池中的水温，将水塔出水的温度反馈到数字显示控制仪表上.当显示温度过低时，启动潜水泵，此时很低的环境温度会使薄冰较快地形成，进而减少进塔风量；随着环境温度和出塔水温的升高，薄冰逐渐融化，进风量增大.

3 快速喷雾结冰技术与传统悬挂挡风板防冻方法的对比

3.1 两种方法的对比试验

图3 快速喷雾结冰装置Fig.3 Arrangement drawings of the rapid spray-freezing apparatus

为防止冷却塔冬季结冰，大部分电厂在冷却塔周围悬挂挡风板，可以改善进风口处的密封条件，减少进入塔内的空气量.根据经验，挡风板悬挂及调整的依据是淋水装置处的气温控制在0 ℃以上，池水温度在10～15 ℃，并且不出现大量的冰块.快速喷雾结冰技术在保证机组安全运行的基础上，实现冷却塔最佳水温的自动控制，提高了机组的经济性. 东北电力科学研究院于2010年2月对辽宁东方发电有限公司2台350 MW 机组4 500m2循环冷却水塔进行了现场对比试验，1号机组采用快速喷雾结冰技术，2号机组采用悬挂挡风板方法.试验共进行3个工况，在1号机组喷雾结冰防冻装置围网上分别形成3个状态：薄冰膜未融化状态（见图4（a））、部分融化状态（见图4（b））和薄冰膜基本融化状态（见图4（c）），3个工况下环境温度分别为-5.4℃、-2.2 ℃和8.9 ℃，试验具体工况条件和测试结果见表1.

当环境温度在-5 ℃以下时，喷雾结冰网上形成紧密的冰膜，冰膜的孔洞较小；当环境温度在-3℃左右时，结冰网上的冰膜部分融化，冰膜孔洞较工况1增大；当环境温度高于5 ℃时，冰膜全部融化.

图4 喷雾结冰围网上薄冰膜状态Fig.4 Status of ice film on net formed by spray-freezing technology

从表1可以看出，在工况1条件下，1号机组和2号机组循环水温差较小，即悬挂挡风板和冰膜不融化的状态下效果相差很小；在工况2喷雾结冰防冻装置围网上的薄冰膜处于部分融化状态和工况3薄冰膜处于全融化状态时，1号机组循环水出口温度比2 号机组明显降低，分别降低2.699 K 和2.983K.

除上述3个工况外，还对2台机组的循环冷却水塔进行了15h的监测，数据见表2.

从表2可以看出，气温在-4～-11 ℃之间变化时，1号机组循环水入口温度最高为14.16 ℃，最低为12.28℃，温度波动范围为1.82K；2号机组循环水温度最高为13.73 ℃，最低为9.46 ℃，温度波动范围为4.27K，这是由于当环境温度升高时，未能及时调整冷却塔挡风板挡风面积，导致水温变化范围较大.由对比可知，1号机组可根据大气环境温度和冷却塔出口水温对冰膜孔洞大小及融化速率进行控制，实现冷却水塔进风量自动控制，进而实现循环水入口温度的基本可控.

表1 循环冷却水塔测试结果Tab.1 Test results for cooling towers

表2 循环冷却水塔监测数据Tab.2 Test results for cooling towers

3.2 两种方法的经济性比较

电厂一般都把冷却塔出口水温作为评价冷却塔冷却性能的指标，冷却塔出口水温直接影响电厂的热效率［3］，而电厂热效率通常与循环冷却塔出口水温变化成反比.对于300 MW 机组，在机组负荷不变的情况下，循环水温降低1 K，机组效率增加0.23%，煤耗减小0.798g／（kW·h）［4］.

对于工况2（部分融化），由表1可知，1号机组比2号机组的排汽压力小1.01kPa，考虑排汽压力不同对机组的端差有一定的影响，通过修正，计算得出1号机组比2 号机组煤耗降低2.156g／（kW·h）.同理，工况3（全融化）下考虑端差的影响，1号机组比2号机组煤耗降低2.474g／（kW·h）.

由此得出，循环冷却水塔快速喷雾结冰装置不仅可以防止水塔结冰，保护设备，还可以实现调节循环水温度，在昼夜温差变化较大的季节或者冬季初、末期其调节效果更明显.

3.3 快速喷雾结冰技术的优点

快速喷雾结冰技术与挡风板调节方法相比具有调节能力强、操作简便和能耗低等优点，具体是：

（1）快速喷雾结冰技术的应用解决了水塔防冻问题，降低了劳动强度和维护费用.

（2）采用快速喷雾结冰技术时循环水温度能够随环境温度及机组负荷的变化而变化，因此循环水系统可以实施两台机组合用3台循环水泵的运行方式，甚至可以实施一台机组1台循环水泵的运行方式，提高机组运行的经济性.

（3）由于水塔的防冻操作不受环境因素的影响，可随时进行，且其冰膜孔洞的大小及冰膜的厚度可人为地控制，严寒天气可确保整个水塔的密封，能满足天气情况突变时冷却水塔的安全运行.

（4）快速喷雾结冰装置可根据循环水温度的变化自动进行喷雾、结冰及融化，实现无人值守，设备维护量较小.设备一次性投资后可长期使用，4台潜水泵功率较小.根据冬季运行状况统计，潜水泵年累计运行时间不超过10h，设备日常维护费用较低.

4 结 论

循环冷却水塔快速喷雾结冰技术除了可以满足冷却水塔冬季防冻的基本要求外，还可以优化调节循环水温度，自动控制循环水温度在一定范围内，充分利用北方地区冬季环境温度较低的地域优势，使机组真空度保持在较高水平；并为优化循环水泵运行方式以及机组冷端经济运行提供了良好的基础，提高了机组运行的经济性.循环冷却水塔快速喷雾结冰技术在我国北方地区使用自然通风逆流湿式冷却塔的发电厂中具有较为广阔的应用前景.

［1］曾建柱.冷却塔防冰冻措施设计探讨［J］.电力建设，2002，23（2）：24-26.ZENG Jianzhu.Inquire into design of anti-freezing measures for cooling towers［J］.Electric Power Construction，2002，23（2）：24-26.

［2］杨义波，孙丽君，刘昱轩.循环水温度升高原因及对机组热经济性影响的计算分析［J］.汽轮机技术，2001，43（1）：26-27.YANG Yibo，SUN Lijun，LIU Yuxuan.The reason for circulating water temperature rising and quantitative analysis influence on unit heat economy［J］.Turbine Technology，2001，43（1）：26-27.

［3］张志刚，王玮，曾德良，等.冷却塔出塔水温的迭代计算方法［J］.动力工程学报，2010，30（5）：372-377.ZHANG Zhigang，WANG Wei，ZENG Deliang，etal.The Iterative calculation of cooling tower s outlet water temperature［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（5）：372-377.

［4］李明.冷端参数变化对冷却塔冷却性能的影响研究［J］.东北电力大学学报，2010，30（1）：5-9.LI Ming.Study on the influence of cool-end parameters changing upon the cooling towers performance［J］.Journal of Northeast Dianli University，2010，30（1）：5-9.