冷却塔热力性能降低对机组经济性影响及预防措施

冷却塔热力性能降低对机组经济性影响及预防措施

王怀欣王春桥卢宏源

（郑州中岳电力有限公司河南登封452477）

摘要：本文简述双曲线冷却塔的热力性能，分析导致冷却塔热力性能降低的主要原因，以2000m2双曲线冷却塔的实例，揭示出冷却塔填料是影响运行机组冷却塔出塔水温的重要因素；重在说明火力发电厂要加强和重视对冷却塔的日常管理和维护力度，充分发挥冷却塔热力性能也是降低发电机组煤耗的有效途径之一，为火电厂的节能减排提供科学的参考。

关键词：冷却塔；热力性能；填料；节能减排

1.双曲线冷却塔概述

我国最早在20世纪40年代开始，在东北抚顺电厂、阜新电厂先后建成双曲线型冷却塔，由于双曲线冷却塔自身的优点：结构上最稳定，强度高，构筑物可以采用薄壁结构，用相同的材料，能够获得最大的容积；气流顺畅，对流冷却效果好；占地面积小，布局紧凑等，目前双曲线冷却塔广泛应用于我国火电厂、核电站汽轮机凝汽器循环水的冷却〔3〕。

1.1冷却塔结构

1.1.1塔体：我国大多数火电厂普遍使用的冷却塔塔体做成双曲线，其作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，将湿热空气排至大气层，减少湿热空气回流，因而冷却效果较为稳定。

1.1.2填料：填料的作用是将进入的热水尽可能地形成细小的水滴或形成水膜，增加水和空气的接触面积和接触时间，有利于水和空气的热交换，因而它是冷却塔的重要组成部分。目前得到广泛应用的填料为聚丙烯或聚氯乙烯做成的填料片，其本身具有亲水面积大、冷却效果好、阻燃性能好、耐蚀性强、重量轻、安装方便等优点。常见的填料型式有正弦错位波、梯形斜折波和S波三种型式，如下图：

1.1.3配水系统：配水系统的作用是保证在一定的水量变化范围内将热水均匀地分布于整个填料面积上，充分发挥填料的作用，它是提高冷却塔冷却效果的重要方面。

1.1.4收水器：收集冷却塔排出的热湿蒸汽中含的水滴，减少水的损失。

1.1.5集水池：热水经冷却后，汇集的集水池内，然后回流到循环水泵房内供循环使用。

1.2冷却塔的工作原理

冷空气从塔底最大的圆周侧面进入，在填料层处与热水充分接触后带着热量向上排出，这时首先由于管径变小，空气流速加快，可以尽快的带走热水中的热量，其次由于管径变小，冷空气的体积也受到压缩，故压力也有增加，而压力增加流体的含热能力会随之增加，在细腰部冷空气可以最大限度的吸收热水的热量从而使热水冷却。到了最上部，管径再次扩大，已携带了大量热量的空气由于速度减慢，压力减小，又将所含的热量释放出来形成白色的水蒸气排入大气。冷却过程以蒸发散热为主，一小部分为对流散热〔4〕。

2冷却塔出口水温对火电机组经济性分析

在电厂经济运行方面，冷却塔的作用主要是维持汽轮机出口背压，并使热力系统实现朗肯循环〔5〕。对于给定汽轮机负荷，影响凝汽器真空的因素很多，对于换热情况和真空严密性很好的凝汽器，在循环水循环倍率一定的情况下，冷却塔的出塔水温就是影响汽轮机的排汽压力和机组的循环热效率重要因素。下表给出6种型号的机组出塔水温升高1℃对机组经济性的影响〔6〕。

随着进塔水温度的增加，冷却塔的效率有很大的提高，水温的增加加大塔内空气温度，使塔内外空气密度差增大，整塔的抽力（阻力）增大；进水温度增加必然会导致出塔水温和出塔空气温度的增加。经计算可得出，当进水温度从35℃升高到43℃时，出塔水温增加1.7℃，效率可提高22%。按#4冷却塔的目前的热力性能，计算可得#3冷却塔出塔水温为25.3℃，比现在的30.4℃可降低5.1℃，可节约标煤耗7.752g/KW.h。因此必须在冷却塔上查找问题之所在。

3冷却塔运行状况的评估

冷却塔运行状况的好坏，关键看出塔水温是否偏离设计值，也可在日常巡视中也能及早发现。

3.1从外围查看冷却塔运行时雾气的流动情况

正常情况下，冷却塔水蒸汽是向内部走，不会弥漫在冷却塔外部，如有雾气向冷却塔外部流动，就说明冷却塔通风不畅。尤其在阴天或天气较冷时雾气的流动更明显。

3.2用风速仪测量塔内风速

在冷却塔内部二层配水槽中间凝汽器回水竖井向四周看，如果热蒸气直线向上流动，属正常，如有扰动或就地旋转，说明冷却塔向上抽力受阻，有通风不畅现象。也可以用风速仪测量风塔内部的风速，一般设计都在1-2m/s之间，查看是否均匀和过小。如某电厂冷却塔在二层用AVM-07型风速仪测量风速时发现，中心区域为1.5～2.0m/s，塔周围区域只有0.3～0.5m/s，偏差太大。

3.3查看冷却塔淋水情况

从冷却塔下部向上看淋水水流分布是否均匀，是否有成片没有水或个别部位有成股水柱向下流，如有会相对减少换热面积，降低换热效果。

3.4查看冷却塔运行记录

查看冷却塔出塔水温是否偏离设计温度，或比对冷却塔同期相同环境温度出塔水温。

4冷却塔存在问题的分析

徐跃芹[8]等以双曲线型冷却塔为研究对象，根据实际运行参数，通过对冷却塔热力性能的计算，得到冷却塔出塔水温及其主要影响因素。研究了冷却塔热力和空气动力性能的变化规律。文章中分析了淋水填料发生损坏或堵塞时，造成淋水密度不均对冷却塔热力性能的影响，得出了冷却塔出塔水温与填料损坏的百分比成线性增长。淋水面积减少对冷却塔出塔水温变化曲线如下图所示[9]，由图可以看出当换热面积减少0.2％时水温将升高1.12℃。

对于运行中的机组，出现出塔水温偏离设计值，造成热力性能降低的主要原因为淋水面积变小，淋水密度增加；通风不畅，冷却塔的抽力减少等两方面问题。

4.1配水系统

4.1.1喷嘴堵塞

喷嘴堵塞会造成成片无水，夏季循环水中容易滋生藻类生物，在冷却塔内壁上部会生长苔藓等，苔癣脱落流入配水槽，堵塞喷嘴，或配水系统长期没有清理，落入杂物或水垢的等堵塞喷嘴。

4.1.2喷嘴损坏或脱落

喷嘴损坏或脱落会使水流有成股向下流现象。

4.2填料

4.2.1填料结垢

粉尘和盐类沉积凝结在淋水填料内表面的通道内形成结垢现象，填料结垢是影响冷却塔热力性能的最重要因素。起初盐垢附着在填料片淋水通风通道的凹槽内，相当于单位体积填料的表面积减少，填料的亲水面积减少，与冷空气接触时间减小，影响冷却效果。严重时会造成冷却塔填料通道阻塞，增加了空气阻力，导致冷却塔换热效率急剧下降。

4.2.2填料损坏

托架损坏造成填料大面积脱落，会影响空气均匀分布，从而影响冷却效果。

5应对措施

针对冷却塔存在的问题，关键是要加强维护和循环水水质的监督管理，在日常维护和大、小修时要把风塔的检查作为标准项目进行，不能再存有冷却塔是免维护意识，喷嘴疏通和更换无论在停机或夏季运行中都可以进行检查和处理。关键是对填料层的维护和管理，要把功夫放到平时，机组大、小修时可以有计划的对填料进行局部翻打，清除流道内积盐和杂质，等到填料通道堵塞后，处理起来就非常麻烦，严重时只有做更换处理。在日常维护方面要做到以下几方面：

5.1加强对循环水水质的管理

在开式循环冷却系统中，常见的水垢有碳酸钙（占78%以上），另外含有硫酸钙、磷酸钙和磷酸锌（来自处理药剂）、二氧化硅和硅酸镁等。这是因为在开式循环冷却系统中、水中的重碳酸钙由于受热分解及二氧化碳在冷却塔中的散失，使下列平衡破坏，而造成析出碳酸钙[10]。Ca（HCO3）2⇋CaCO3↓+CO2↑+H2O在循环冷却水系统中为了防止冷端系统腐蚀、结垢往往向其循环水中加入聚磷酸盐和有机磷，随着温度的升高及药剂在冷却系统中停留时间的增长，它们会部分水解为正磷酸盐，正磷酸盐与钙离子反应生成非晶体的磷酸钙垢，另外地壳中还有一定的硅酸根离子，当循环水温度达到70℃左右就会有硅酸盐垢生成[11]。

为了防止冷却水结垢严格控制循环水水质各项指标。各个企业根据各自企业是情况制订切合实际的循环水水质标准。下表为国家标准“工业循环水冷却水处理设计规范”提出的循环冷却水的水质标准列于下表

不同发电企业应该根据自己单位设备和补充水的水质情况严格监督好各项水质的变化，特别是夏季气温高，循环水蒸发浓缩快，更容易引起循环冷却水系统结垢，建议夏季循环水总磷控制比正常值高1.0—1.5mg/L，浓缩倍率控制在2.0以下，Ca2+控制在200mg/L以下，如果超标，应该及时增加补充水量和采取风塔排污，并及时投加杀菌灭藻剂抑制微生物和细菌的生长[12]。

5.1.2风塔底部集水槽水位适当保持高位运行，可降低循环水的循环倍率，有利于循环水中杂质的分离；趁大修停机的机会要彻底清理积水槽和吸水井底部沉积的淤渣；在集水槽出水口处可以垒砌100mm左右的水泥台，防止底部淤渣被循环水带走。

5.1.3风塔内壁脱落的苔癣等杂物掉下后要及时清理到塔外，不能扔到除湿器上，更不能丢到填料层上，以防堵塞填料。

6实例分析冷却塔处理后的运行效果

某电厂分析出#3冷却塔热力性能太差，为了提高机组的循环热经济性，对风塔填料进行了检查，拆除两块风塔填料发现填料结垢严重，下层通道已堵塞一半多。如图7所示：对风塔填料进行了全部更换，并对配水系统堵塞的喷嘴进行疏通、损坏的进行更换。处理后投运冷水塔的运行参数如表

6.1节能方面

由表2和表4对比可以看出：#3冷却塔填料更换和喷嘴维护后，冷却塔的热力性能得到了很大的提高，随着外界环境温度升高，#4水温随着升高，而#3与更换前几乎没有变化，相当于#3冷却塔出塔水温下降了6℃。由表一可以得出可节约标煤9.12g/Kw.h，以55MW负荷计算，每小时可节约标煤0.501T/h，每年按7000可调小时运行，年节约标煤3500吨，标煤价按1000元/吨计算，每年可节约资金350万元。

6.2减排方面

由上计算每年可节约标准煤3500吨，按发热量5000大卡折算原煤10707吨，按当地使用煤种计算[13]，每年可有效减少SO2排放15.65吨、NOX排放37.44吨等有害气体的排放，同时减少813.42吨粉煤灰、196吨炉渣的产生量。

7结论

冷却塔是火电厂热力循环的重要辅助设备，它蕴藏着非常可观的节能潜力，冷却塔的热力性能直接关系到发电厂的经济效益。本文分析了影响冷却塔热效率的原因，以实例分析了冷却塔存在的问题，并对解决前后的机组节能减排情况进行了分析比较，效果非常可观。因此加强冷却塔性能监控和节能诊断，及早采取措施，保证冷却塔良好的热力性能，对降低发电成本非常有利。

作者简介：

王怀欣（1975-），男，郑州中岳电力有限公司检修部经理，工程师，大专文化程度，主要从事火力发电厂设备的检修、运维和节能调度等的研究工作。

王春桥（1968年—）性别：男，河南登封人，职称：助理工程师，研究方向：电厂节能环保