马岩昕

(黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

0 引言

众所周知，我国北方地区多属寒温带季节性大陆气候，冬季昼夜温差大，最低气温可达-40 ℃，因此我国北方地区火力发电厂的冷却水塔极易受到冰冻危害。

北方地区的冷却水塔在冬季运行时，易受到冰冻危害的侵袭。冷却水塔结冰后，在冷却水塔淋水区的最外层形成了一层一层上宽下窄的冰幕。冰幕的最上层与冷却水塔的填料冻在了一起，大大缩小了冷却水塔填料的冷却面积，导致冷却水塔效率下降。同时，一层一层的冰幕也影响冷却塔内通风，使冷风不能到达冷却水塔内部的淋水区，降低了冷却塔的效率，导致冷却水塔淋水区的循环水温度逐渐升高，从而降低了凝汽器的真空度，造成机组煤耗提高。其次，冷却塔的混凝土受到冻融破坏后，会对混凝土的强度产生较大的影响。此外，由于淋水装置结冰超载严重，甚至发生淋水填料及支承梁坍落，增加了维修费用。因此，保证冷却塔的高效、安全、经济运行是非常重要的。

目前，除了传统的冷却水塔防寒措施，如热水旁路管(防冻管)、防冰环、淋水填料分区运行和悬挂挡风板等，冷却水塔防寒技术还有百叶窗防寒法、快速喷雾结冰防寒法，但这些冷却水塔防冻技术仅仅是为了防止冷却水塔防冻结冰而设计的，尚不具备节能功能。

1 机组简介

某发电公司位于寒温带季风型大陆性气候的地区，全年主导风向为南及西南风，年平均气温6.5 ℃，最高气温 37.9 ℃，最低气温 -36.6 ℃，年平均相对湿度66 %，年平均风速3.6 m/s。该发电公司的2台300 MW汽轮机组为哈尔滨汽轮机制造公司生产的超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽、双背压、反动凝汽式湿冷汽轮机。1号机组于2015-03-16持续运行达168 h，2号机组于2015-10-16持续运行达168 h。2台机组配有相同型号的双曲线自然通风冷却水塔，冷却面积4 000 m2，塔高 105 m，进风口高 8.11 m，喉部高85.74 m，1，2号冷却水塔360°装有悬挂式挡风板。挡风板如图 1 所示。

图1 悬挂式挡风板

2 冷却水塔存在的问题

冬季正常情况下机组保持单台循环水泵运行，冷却水塔的主要防冻措施是采用人工悬挂挡风板。

随着电力工业的发展，大型发电机组相继投产运行，单机容量不断增大，冷却水塔的淋水面积也在增大，相应的冷却水塔进风口高度增高，挡风板布置面积也在增加。传统的人工悬挂挡风板已不适应大型冷却水塔的防冻节能要求，并对操作人员的安全构成极大威胁；而且拆装易造成挡风板的损坏。同时，在悬挂过程中，人工控制悬挂面积会使冷却水塔造成严重的挂冰现象，导致冷却水塔内淋水填料、托架拽落及部分淋水结构梁柱严重冻融露筋，导致冷却水塔不能安全稳定运行。

水塔在运行中经常发生因风大等原因不能及时摘、挂挡风板的情况，造成无法有效控制冷却水温度，使水塔大面积结冰而损坏水塔内部设施，严重威胁到冷却水塔的安全运行；还会使冷却水温度升高而影响机组真空，对机组的经济运行极为不利。

1号机组循环水系统运行数据如表1所示。

表1 1号机组循环水系统的运行数据

3 挡风板的改造方案

2016年初，该发电公司为了改善操作人员的工作条件，减轻劳动强度，提高工人的作业安全性以及机组运行的经济性，充分发挥冬季运行挡风板的调节作用，提高冷却水塔冬季运行的管理水平，在对冷却水塔的挡风板进行改造调研、论证后，决定采用冷却塔进风侧优化节能防寒系统对1号冷却水塔挡风板进行技术改造。改造成功后，再将其推广到2号冷却水塔。

冷却水塔进风侧优化节能防寒系统是一种冷却水塔防寒节能系统，可调节冷却水塔进风口实际进风面积和保持循环水温度恒定。该系统采用钢结构在冷却水塔外围进风口安装一圈门式框架，然后安装多组可以电动关闭和开启调节进风量的调风帘(系统实时监测循环水凝汽器入口水温)。通过控制调风帘高度来改变进风口实际进风面积，从而调节进风量，进而达到防寒以及控制循环水温度在最佳温度范围内的目的。水温下降时，适当关闭调风帘(减小进风口面积)；水温上升时，适当开启调风帘(增大进风口面积)，从而自动调节进风量。这样不仅具备传统方法对冷却水塔的防寒作用，更重要的是可控制循环水温度稳定在设定温度，提高汽轮机效率，使机组保持在最佳工况经济运行。

4 改造方案的设计原则及特点

4.1 设计原理

(1) 不破坏原冷却水塔结构及不影响冷却水塔正常运行。

(2) 不增加原塔的进风口阻力。通过对冷却水塔核算可知：改造方案实施后，水塔的总阻力系数增加1.40 %，冷却水温t1=32 ℃，仅比改造前提高0.05 ℃，可以忽略不计。

(3) 在冬夏季无需拆除新增设备，保证冷却水塔的运行效果。

4.2 改造方案的特点

(1) 不破坏原冷却水塔结构，不影响原冷却水塔的正常运行。新增调风帘远离淋水外围界面，减少水滴在调风帘上结冰。

(2) 利用自动控制电机和机械传动结构控制调风帘开启高度，达到自动调整进风量及封闭防冻作用，方便灵活，减轻劳动强度，保证了作业人员的人身安全。

(3) 调风帘无需拆卸，运动灵活，不影响风量和冷却效果，延长了防冻装置的使用寿命。

(4) 调风帘顶部到冷却水塔之间安装了顶棚结构，解决了冷却水塔进风口上部进风使进风口上檐处结冰的问题，保证了冷却水塔的防冻效果。

(5) 改传统悬挂式作业为自动控制作业，自动调节调风帘的高度，以调整风量，减少结冰，达到防冻作用。

(6) 调风帘自重轻，整齐美观，运行方便、安全、轻便，运行成本低。

(7) 双向快速调节进风，改善进风气流，减小塔内涡流，保持循环水温度恒定。

(8) 适应天气变化和发电负荷调整，夏季不用拆且不影响通风，可提高汽轮机效率，产生节能效益。

5 节能原理

通过安装在冷却塔各区进风侧，且用于调节冷却水塔进风量的多个电动调风帘组件(见图2)，可实现精确控制凝汽器冷却水入口温度。凝汽器冷却水入口温度是影响凝汽器真空的重要因素，在其他条件相同的情况下，凝汽器冷却水入口温度越低，凝汽器内的真空越高。

图2 节能防寒调风帘组件示意

凝汽器真空是大气压力与工质绝对压力的差值。真空度是指凝汽器的真空值与当地大气压力比值的百分数。真空每上升(或降低)1 kPa,或者近似地说真空度每上升(或下降)1个百分点，发电标准煤耗降低(或增加)1.0—1.4 g/(kW·h)。

综上所述，通过自动控制的调风帘组件来精确控制凝汽器的循环水的入口温度，可提高凝汽器的真空，降低机组的发电标准煤耗。

6 节能效益分析

在已知冬季供暖期机组发电量的前提下，节能量和节能效益的计算如下。

6.1 节能量

节能量=结算当期机组发电量×冷却水入口温度平均降低值×冷却水温度对发电标准煤耗影响系数。

上式中：节能量单位，tce；结算当期机组发电量单位，kW·h；冷却水入口温度平均降低值单位，℃；冷却水温度对发电标准煤耗影响系数单位，g/(kW·h·℃)。

6.2 节能效益

节能效益=节能量×标准煤单价。

上式中：节能量单位，tce；标准煤单价单位，元/tce。

6.3 实例分析

典型300 MW机组实施冷却塔节能防寒系统改造后的节能效益分析。采用节能防寒系统的机组与常规悬挂挡风板防寒法的2号机组，比较在相同负荷、相同气象条件下的运行数据，发现循环水入口温度可平均降低2 ℃，日平均发电量为6 000 MW·h，冷却水温度对发电标准煤耗影响系数取1.4，则改造后的年经济效益期可达75天。

年节约标煤量 =2×1.4×6 000×103×75/106=1 260tce。

年节能效益＝ 1 260tce×800(元 /tce)/10 000=100.8万元。

7 水塔运行的安全性和经济性分析

该公司对2台300 MW机组冷却水塔挡风板进行技术改造，保证了水塔运行的安全性和经济性。

7.1 安全方面

(1) 能够保证操作人员安全调整调风帘。

(2) 可有效避免水塔因大面积结冰而损坏填料、淋水设施等事件的发生。

(3) 能够避免因冷却水温度过低，使凝汽器真空超过极限值而腐蚀末级叶片。

(4) 可防止因冷却水温度过低使凝汽器真空超过极限值时，采用措施限制真空而发生凝结水含氧超标的现象。

7.2 经济方面

(1) 冬季可根据实际需要及时调整调风帘，使冷却水温度满足要求，确保机组在最佳真空下运行。与悬挂式挡风板不能及时调整相比较，相同工况下凝汽器真空可提高0.5 kPa左右。

(2) 夏季基本不影响冷却水塔的工作效率。

(3) 由于冷却水塔调风帘在冬季能及时调整，闭式循环冷却水塔的蒸发量明显减少，可每天可节省补充水 200—400 t。

(4) 有效地保护了水塔内部填料、淋水设施等，使其不受损坏，并节省一定的设备维护费用。

(5) 可确保机组在极限真空以下运行，杜绝蒸汽在末级叶片做负功。

1 赵常兴．汽轮机组技术手册[M]．北京：中国电力出版社， 2007.

2 编委会．火力发电厂节能减排标准参照与节能技术监督 导则及指标评价管理实施细则(第三版)[M]．北京：中 国电力出版社，2010.