北方地区小型汽轮发电机组冷却水系统设计方案及其运行方案

引言

在国家节能减排号召下，为节省回收利用能源，国内钢铁、冶金、水泥、玻璃、化工行业的厂区内开始建设了一批余热利用机组用于发电及供暖。能源来自高温烟气余热，化学反应余热，废气、废液余热，低温余热（低于200℃）。机组形式大同小异，一些机组利用余热废热，通过余热锅炉（换热锅炉）产生一些中低压蒸汽，进入补汽凝汽式汽轮发电机组发电；一些机组利用工艺后的可燃气体，例如高炉煤气、兰炭尾气，经过燃气锅炉燃烧后，产生中高压蒸汽，进入凝汽式汽轮发电机组发电。进而产生经济效益，提高工厂效益。

由于这类机组往往是主工艺（例如炼钢）配套设施，在市场行情不明朗的情况下，主工艺的运行与否都需要根据市场行情及行业环境而定，进而对于这类项目，建设周期和投资成本也是业主看重的问题。长期而来，大电厂建设运行的自然通风冷却塔因为其建设周期长，土建投资成本高，在这类型的机组上，无法比拟机械通风冷却塔。按目前市场看，机械通风冷却塔的投资成本在200元/m3左右，而自然通风冷却塔在900元/m3，并且在9000 m3/h以下的循环水量的投资中，两者价格差距更大。故机械通风冷却塔是这类机组较为合适的选择。北方地区因冬季气温很低，冰冻期长，其循环水泵房、工业水泵房，一般都设计为半地下式、地上式。相比南方地区，全年气温较高，水泵可以露天设置，节省了水泵房的投资。故本文以已经投运的鞍钢三烧环冷机余热发电工程为依据，探讨北方地区小型汽轮发电机组冷却水系统设计方案及其运行方案。

正文

1.项目概况

鞍钢三烧环冷机余热发电工程按照“节约能源，保护环境”的原则，利用烧结环冷机排放的较高温度的余热废气，在三烧环冷机附近设置1台75 t/h双压余热锅炉和1台15MW的双压补汽凝汽式汽轮发电机组，将环冷机废气通过余热锅炉回收能量，产生的过热蒸汽用于汽轮发电机发电，冬季用于供热。

2.厂区气象条件

3 供水水源

鞍钢股份公司提供的循环水补给水水质指标见下表，由于补给水的硬度高，可能结垢，循环水进行加阻垢剂处理，以减少、控制水垢的形成。

4. 循环冷却水量

机组夏季总需冷却水量4011m3/h，由循环水泵供给4011m3/h，机组冬季总需冷却水量2711m3/h。冬季机组供热，只需考虑循环风机冷却水量210m3/h，另设工业泵两台（一用一备）用于冬季的循环冷却水。

5 循环水处理

为满足机组的安全运行，循环水加水稳剂的处理；为防止循环冷却水中的细菌增长和微生物的滋生，拟采用投加次氯酸钠杀菌灭藻处理。由于钢厂环境灰尘大，设一套无阀过滤器进行旁滤。

6.供水系统布置

该机组采用二次循环供水系统。该工程设3台循环水泵，配置1座2格机械通风冷却塔。

当冬季电厂热负荷很低时，汽轮机停止发电，运行锅炉供暖，冷却塔停用，考虑循环风机冷却用水量180m3/h，远小于发电时的循环总水量，故停用循环水泵，启用工业泵，循环风机冷却回水直接排入水池。

7.运行说明

该工程设3台循环水泵，配置1座2格机械通风冷却塔。夏季运行循环水泵2台，备用1台。

当冬季电厂热负荷很低时，汽轮机停止发电，运行锅炉供暖，冷却塔停用，考虑循环风机冷却用水量180m3/h，远小于发电时的循环总水量，故停用循环水泵，启用工业泵，循环风机冷却回水直接排入水池。

该工程设计为夏季工况2台冷却塔运行，系统满负荷运行；当冬季电厂发电时，可停用一格冷却塔或关闭一格冷却塔风机，同时打开冷却塔化冰管阀门，以防止冷却塔挂冰。

冷却塔排污：

A. 打开冷却塔排污管阀门进行持续排污，调整阀门开度调整排污量。

B.平时不进行持续排污，旁滤系统反洗时，前20分钟（可调）用循环水系统水，旁滤设备反洗后直接排放，该部分水相当于循环水系统的排污水，代替了冷却塔强制排污水，从而节约了系统用水，另外，当循环水水质较差时应进行强制排水以改善循环水系统水质，可通过打开排污阀门排污或打开进水阀门进行强制补水，由此进行冷却塔排污。

8.冰冻期实际运行情况处理

根据现场反应机力通风冷却塔的冰冻情况汇报（2011-01-01，天气晴，北风5～6级，气温-5℃～-15℃），当日的冷却塔已经全部挂冰，包括进风口，淋水填料及冷却塔水池池面。现场担心不启动主循环水，则水池冰冻会胀破混凝土水池，也会使得在发电需要循环水时不能及时启动；如果一直开着主循环水，一旦遇到寒潮来袭，会使塔内的填料增加冰冻负荷而导致垮塌。

根据现场反馈和分析，上述情况由于汽机未运行情况下循环水系统开启，造成了冷却塔内部冰冻发生。针对此情况，做出如下建议。

因冷却塔填料易燃，不得用火化冰，可就近引一路蒸汽至冷却塔，在适当的位置设置若干DN25移动喷嘴化冰，因塑料填料耐最高温度80℃（超温将发生软化变形），填料在在65℃以下可以承受。同时针对该项目冬季运行提出具体的运行要求如下：

1、 当汽机、锅炉全部停运时，在12小时内需放空循环水管道、冷却塔及水池、水泵吸水池、旁滤设备内存水，再次开机时需检查设备是否有冰冻，无冰冻时方可注水开机。

2、 当汽机停机锅炉运行时，循环水泵、冷却塔不得运行，应将循环水管、冷却塔水池放空。因工业水尚需运行，工业冷却水经换热后直接回至工业水泵吸水池，靠水池降温后，进行循环利用。

当汽机冬季运行时，热负荷较小。为此考虑了三种运行方案：

黄色方案（冷）：开循环水泵2台，冷却塔2格，调节风机叶片角度，降低风量。

橙色方案（很冷）：开循环水泵2台，并调整水泵出口阀限流，冷却塔风机停运，开启化冰管路，加热进风，仍有挂冰时刻考虑临时反转风机10min。

红色方案（很冷）：开循环水泵1台，并调整水泵出口阀限流，使得供水压力不下于0.18MPa，以防水泵超负荷运行（可能烧掉电机），开启循环水上塔管路的旁路（DN500，后增加），循环水不上塔，靠冷却水池水面冷却，维持水池水面不结冰。

结束语

通过实际项目的运行实践不难发现，北方地区小型发电机组配套的机械通风冷却塔在严格和规范的管理下，对于保证机组的多个运行工况完全可以胜任，它的工程运用性很符合实际，市场前景和规模也很大。