大型湿式冷却塔集成优化节能增效技术应用
兖煤菏泽能化有限公司赵楼综合利用电厂
一、项目案例基本信息
二、项目案例详细内容
1.项目案例简介
在全球气候治理日益紧迫的背景下，为响应国家环保政策，煤电机组的节能降耗迫在眉睫。当前火电厂的节能优化工作主要集中在汽轮机、锅炉及发电机三大主机系统，汽轮机及锅炉的效率已接近或超过90%，而冷端系统特别是冷却塔的冷却效率仅为60%左右，具有较大的节能优化潜力。冷却塔作为电厂冷端系统的重要组成设备，其性能直接影响电厂运行的安全性和经济性。随着电厂机组容量的不断扩大，与之对应的冷却塔体积也不断增加，单塔造价越来越高，在不改变本体尺寸的情况下，探讨内部结构的优化设计方法，对提升冷却效率，节约冷却塔的建设投资有较大的工程实用价值。
赵楼电厂#1机组冷却塔淋水面积5500 m2，采用均匀配水和填料等片距布置方式，填料底部中心存在显著高温区，换热效果较差。#1机组冷却塔投入使用后，仅在2018年10月对冷却塔四分之一的填料进行了更换，75%的填料连续运行多年，填料结垢破损问题突出，加之冷却塔淋水效果较差，导致凝汽器真空度严重降低，出塔水温近年来持续升高；截至2022年，夏季高温时循环水上塔温度已经达到44℃，出水温度为37℃，较设计值34℃升高3℃，凝汽器真空最低为-88.6 KPa，高于设计值-90.6 KPa，机组发电煤耗增加，严重影响了机组的安全经济运行和带负荷能力。
2022年，赵楼综合利用电厂“火力发电机组大型湿式冷却塔填料与配风、配水集成优化的节能增效技术研究及应用”重点项目立项，通过研发大型冷却塔非均匀填料、分区配水、干湿雨区等集成优化节能增效技术，改善传统冷却塔内气-水比分布不均匀、塔内中心区域通风不足的问题。
2.主要创新点概述
（1）以用户自定义程序描述气-水两相间的相互作用，创新性地开发了基于填料、配水和雨区协同优化的冷却塔三维数值计算程序，构建了冷却塔三维数值计算模型，可实现大型湿式冷却塔节能增效技术的三维数值仿真。
（2）研发了基于非均匀填料和分区配水耦合的节能增效技术，多角度揭示了非均匀填料与分区配水的耦合机制，获得了非均匀填料和分区配水耦合增效机制，提出了适用本场冷却塔优化的耦合增效方案。
（3）提出了基于填料、配水和雨区三区协同的一体化增效理论，研发了基于填料非均匀布置、分区配水以及雨区干湿混合冷却的湿式冷却塔三区协同增效技术，为后续冷却塔的深度节能增效技术改造奠定了理论基础。
3.技术实现路径及方法
该项目通过现场测试、热态模型试验、三维数值计算和理论分析相结合的方式，实现理论与实际的相互验证；解决填料非均匀布置与分区配水耦合匹配的关键技术，揭示塔内填料的优化配置方案；解决雨区干湿混合模式与非均匀填料的优化配置问题，实现塔内传热传质性能的大幅度提升，提高冷却效率。
通过对本厂冷却塔的现场测试，摸清其基本的运行状态，包括冷却塔的进出塔水温、塔内空气温度分布、塔内空气速度分布等。基于现场实测数据和冷却塔历史运行数据，结合理论分析，总结冷却塔的运行状况，有针对性地进行改造方案的研究。基于数值计算方法和热态实验研发了适合本厂冷却塔的填料非均匀布置形式，并通过与分区配水的协同优化，提出基于填料非均匀布置、分区配水的协同增效技术方案。通过数值计算和热态模型试验结果的对比，充分验证本项目研究的技术方案的可行性。最后，将验证后的技术方案应用于赵楼电厂#1机组冷却塔，完成冷却塔填料非均匀布置和分区配水协同优化的工程改造，最终形成冷却塔填料和配水协同增效技术示范。
本项目的技术路线见下图：
图 1 本项目技术路线图
（1）冷却塔的现场测试
收集本厂#1机组冷却塔的数据资料（塔型参数、运行数据、气象数据等），测试当地典型气象环境条件下冷却塔的运行数据，包括进出塔水温、塔内空气温度分布、塔内空气速度分布等。获取本厂机组冷端系统的历史运行数据，并进行对比分析。最终为冷却塔的理论分析和数值计算提供数据支撑。
（2）理论分析
根据现场测试数据和历史运行数据，建立冷却塔运行数学计算模型，摸清本厂冷却塔存在的主要问题，评估本厂冷却塔的节能改造潜力。为冷却塔节能增效技术的研发提供前期理论指导。
（3）构建冷却塔三维数值计算模型
基于能量守恒、动量守恒、质量守恒等基本守恒原理建立冷却塔数值计算模型，并进行三维几何建模，编写用户自定义函数UDF，开发适合本厂冷却塔计算的三维数值计算程序。以冷却塔现场测试数据和设计数据为基础，完成冷却塔三维数值计算程序的验证。
（4）填料和配水耦合节能增效技术研究
基于三维数值计算方法进行填料非均匀布置和分区配水耦合节能增效技术的研究，提出并完善适合本厂冷却塔节能增效的耦合技术方案。为本厂冷却塔的节能增效改造提供理论指导。
（5）冷却塔三区一体化协同增效理论
作为技术储备，完成冷却塔填料、配水和雨区三区一体化协同增效理论的研究。基于冷却塔三维数值计算模型，研究变工况下填料非均匀布置、分区配水和干湿雨区的最佳耦合方式，并提出湿式冷却塔的三区协同增效理论。为后续冷却塔的节能增效改造提供理论指导。
（6）冷却塔热态模型试验
为了多角度验证填料非均匀布置和分区配水耦合节能增效技术方案的可行性，基于雷诺数相似和弗劳德数相似原理，改造现有冷却塔热态模型试验台，对本厂冷却塔进行变工况热态模型试验。
（7）冷却塔节能增效改造
基于验证后的填料非均匀布置和分区配水耦合增效技术，制定适合本厂冷却塔节能改造的技术方案，完成冷却塔节能增效技术的工程改造。
4.应用情况及可推广前景简述
工业应用表明，该技术显著提升了冷却塔的传热传质性能，成果应用后夏季频率10%气象条件下，冷却塔出水温度比设计值降低了1.66℃，夏季同等生产工况供电标煤耗比应用前降低了1.5 g/kWh。
本项目从塔内核心传热传质区出发，首次从填料、配风、配水角度对填料和配水进行全面协同优化，其节能增效效果将优于现有的改造项目，为国内外大型湿式冷却塔节能增效运行起到示范作用。在类似实施条件下，该技术可直接推广至全国同类型火力发电（或核电）冷却塔的节能增效改造中，对煤电领域节能优化设计的研究起到理论指导作用，极大助力“碳达峰，碳中和”目标的实现，经济、社会效益显著，具有非常广的推广应用前景。
5.经济效益及社会效益情况
经济效益：自2024年1月开始在赵楼综合利用电厂开展工业应用，冷却塔出塔水温降低1.66℃，供电煤耗降低约为1.5 g/kWh。2024年机组发电量14.6亿kWh，节约标准煤量2190吨，节省燃料费用181万元，减少CO2排放量5475吨，节省CO2费用38.3万元，提高机组带负荷能力，增加顶峰电价收入929万元；2025年1-7月机组发电量10.4亿kWh，节约标准煤量1560吨，节省燃料费用129万元，减少CO2排放量3900吨，节省CO2费用27.3万元，提高机组带负荷能力，增加顶峰电价收入661万元。
社会效益：发电煤耗约降低1.5 g/kWh，2024年减少CO2排放量5475吨，2025年1-7月减少CO2排放量3900吨，对于全社会的减碳工作具有重要意义。同时也将有效减少烟气中SO2、NOx及烟尘等污染物的排放量。
6.项目案例获专利及奖励情况：
（1）申请发明专利“一种带有导风填料层的冷却塔及工作方法”，申请号：202311353460.8。目前专利申请已经受理，还未正式下发。
图2 专利申请受理通知书
（2）获得中国设备管理协会“节能降碳标杆项目”称号
图3 中国设备管理协会“节能降碳标杆项目”证书
（3）获得山东省煤炭工业科学技术奖二等奖
图4 山东省煤炭工业科学技术奖获奖证书
7.申报单位内部评审结论意见：
该项目围绕大型湿式冷却塔能效提升，开展了系统性技术攻关，主要创新点明确，技术路线科学合理。成功建立了适用于电厂实际运行条件的冷却塔三维数值模拟模型，为冷却塔性能优化提供了精准的理论分析工具，提升了设计与改造的科学性。首创“填料非均匀布置+分区配水”耦合节能增效技术，通过结构优化与水流合理分配，显著提升了冷却效率。提出并验证了“填料—配水—雨区”三区协同增效方案，构建了一体化协同增效理论体系，实现了干湿混合雨区与整体系统的优化匹配，技术具有前瞻性与引领性。
项目在赵楼综合利用电厂成功开展工业性试验，运行稳定可靠，节能降耗成果突出。在夏季频率10%的典型气象条件下，冷却塔出水温度较原设计值降低1.66℃，显著提升了冷却能力；在同等工况下，供电煤耗降低1.5g/kWh，节能效果明显，年节约标准煤量可观，经济效益显著；冷却塔传热传质性能有效提升，机组运行安全性与经济性同步改善，环保效益突出，符合国家“双碳”战略目标。
经山东煤炭学会组织有关专家鉴定，本项目研究成果达到“国际先进水平”，技术成熟度高，适用性强，不仅适用于电厂冷却塔的优化改造，亦可为行业内同类型湿式冷却塔的节能升级提供技术范本，具备广泛推广价值和良好的应用前景。
电厂内部评审组经评审一致认为：该项目技术先进、创新性突出、应用成效显著，管理严谨规范，资料翔实齐备，建议予以表彰并加速推广应用。
京公网安备 11011502004515号 
