內(nèi)陸核電超大型冷卻塔的選型及配置

王成立，張東文

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

0 引言

世界上面積最大的常規(guī)冷卻塔為德國(guó)伊薩II核電1350MW機(jī)組，淋水面積16300m2，高度165m；最高的常規(guī)冷卻塔為德國(guó)Niederaubem電廠，高度200 m（淋水面積13 788 m2）。

世界上最大的高位集水冷卻塔為法國(guó)ChoozⅡ核電廠，1994年投產(chǎn)，淋水面積14 000 m2、高度180 m。

國(guó)內(nèi)最大的冷卻塔為寧海電廠13 000 m2的海水常規(guī)塔。

目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)能力，包括計(jì)算、優(yōu)化軟件，能夠完成13 000 m2以下冷卻塔的設(shè)計(jì)；13 000 m2以上的冷卻塔，無(wú)論高位塔，還是常規(guī)塔其熱力計(jì)算、阻力計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算等均需要進(jìn)一步研究。

1 核電大塔需要解決的課題

13 000 m2以上核電大塔需要解決的課題：

1）冷卻塔的配置。每臺(tái)機(jī)組配置一座塔，還是兩座塔，從投資、運(yùn)行費(fèi)用、占地、施工條件等方面進(jìn)行綜合比較，提出推薦建議。

2）冷卻塔的塔型。AP1000核電機(jī)組的冷卻水量大，如采用常規(guī)冷卻塔，其供水高度大，運(yùn)行費(fèi)用高，必須關(guān)注超大型冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用高的問題，積極尋求適合核電大冷卻水量、運(yùn)行費(fèi)用低的先進(jìn)塔型。

3）熱力計(jì)算修正。冷卻塔的直徑大，內(nèi)區(qū)冷效低，必須解決常規(guī)冷卻塔中心區(qū)域冷效低的難題。

4）配水方式。冷卻塔的配水采用單豎井、雙豎井或是多豎井，配水是否均勻，是否增加通風(fēng)阻力，都會(huì)直接影響冷卻塔的冷卻效果。

5）冷卻塔的填料高度問題。通過試驗(yàn)分析、論證，提出適合核電超大型冷卻塔的填料高度。

6）超高超大、設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)。AP1000核電廠設(shè)計(jì)壽命為60年，作為其重要設(shè)施的冷卻塔在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、耐久性等方面均有比常規(guī)火電冷卻塔更高的要求。

7）超大塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需進(jìn)行風(fēng)工程 （風(fēng)振、塔群、內(nèi)吸力等）、屈曲穩(wěn)定、針對(duì)核電特點(diǎn)的荷載取值及荷載組合原則、耐久性等方面需進(jìn)一步研究。

2 高位集水冷卻塔特點(diǎn)

節(jié)能。高位集水可有效利用冷卻水的位能，降低循環(huán)水泵揚(yáng)程15 m以上，僅此一項(xiàng)，對(duì)于AP1000核電廠，兩臺(tái)機(jī)組全年可節(jié)省廠用電約1.2億kW·h，符合國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針。

高效。國(guó)內(nèi)已建成的大型常規(guī)冷卻塔空氣通過雨區(qū)，塔內(nèi)中心區(qū)域空氣量小、氣溫高、冷效差。而高位集水超大型冷卻塔無(wú)雨區(qū)，通風(fēng)阻力小，塔內(nèi)進(jìn)風(fēng)比較均勻，塔內(nèi)中心區(qū)域與外圈進(jìn)風(fēng)溫度一致，解決了常規(guī)超大型冷卻塔中心區(qū)域冷效低的技術(shù)難題。

低噪。冷卻塔的噪音主要為配水及雨區(qū)引起的噪音。高位集水冷卻塔從消除雨區(qū)噪聲源著手，可降低噪聲4～8 db。

3 內(nèi)陸核電冷卻塔配置方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 內(nèi)陸核電冷卻塔配置方案

方案1：一機(jī)配一座淋水面積約18 300 m2高位集水冷卻塔。

方案2：一機(jī)配兩座淋水面積約12000m2常規(guī)塔。

方案3：一機(jī)配一座淋水面積19 300 m2常規(guī)塔。

3.2 各配置方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較

方案1：一機(jī)一高位集水塔

優(yōu)點(diǎn)：廠用電少，系統(tǒng)總投資及年費(fèi)用最低；占地最少，投資最低；世界上先進(jìn)的塔型，在歐洲有成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，安全可靠；降噪，從消除雨區(qū)主要噪聲源著手，可降低噪聲4～8 db；總平面布置上具有優(yōu)越性，節(jié)省投資，廠區(qū)布置簡(jiǎn)潔明。

缺點(diǎn)：需要通過熱力、阻力、風(fēng)洞、抗震等數(shù)模、物模試驗(yàn)，掌握超大型冷卻塔的設(shè)計(jì)技術(shù)。

方案2：一機(jī)兩常規(guī)塔方案

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)和施工技術(shù)成熟；檢修條件較好；防凍性能好。

缺點(diǎn)：占地大，廠區(qū)布置較為擁擠，增加了交通路線和相關(guān)管線的長(zhǎng)度；系統(tǒng)、運(yùn)行管理較復(fù)雜；歐洲或美國(guó)的核電廠常布置1臺(tái)或2臺(tái)機(jī)組，而我國(guó)內(nèi)陸核電站至少布置4臺(tái)機(jī)組，必須考慮環(huán)境對(duì)冷卻塔群的影響、塔群對(duì)周圍環(huán)境的影響。

方案3：一機(jī)一常規(guī)塔方案

優(yōu)點(diǎn)：占地較??；通過超大型冷卻塔國(guó)家重大專項(xiàng)課題的研究，也可解決該塔型的設(shè)計(jì)難題，可有效降低工程進(jìn)度和施工的風(fēng)險(xiǎn)；總平面布置上具有優(yōu)越性，節(jié)省投資，廠區(qū)布置簡(jiǎn)潔明快。

缺點(diǎn)：需要通過熱力、阻力、風(fēng)洞、抗震等數(shù)模、物模試驗(yàn)，掌握超大型冷卻塔的設(shè)計(jì)技術(shù)；系統(tǒng)總投資較一機(jī)一高位集水塔方案高，年費(fèi)用高。

3.3 各配置方案的經(jīng)濟(jì)比較

3種配置方案的經(jīng)濟(jì)比較如圖1所示。

圖1 3種配置方案的經(jīng)濟(jì)比較圖

每臺(tái)機(jī)組配置1座18 300 m2高位集水冷卻塔方案的系統(tǒng)總投資最低，1座19 300 m2常規(guī)冷卻塔方案次之，2座12 000 m2方案的投資最高。

在年費(fèi)用中，供水高度起著關(guān)鍵的作用，高位集水冷卻塔由于其供水高度小，節(jié)能優(yōu)勢(shì)尤其明顯。

冷卻水量越大，高位集水冷卻塔的優(yōu)勢(shì)越明顯，因此該塔型特別適用于內(nèi)陸核電超大型冷卻塔。

4 風(fēng)險(xiǎn)分析與控制

4.1 保證冷卻塔冷卻效率

高位集水冷卻塔是哈蒙公司的專利技術(shù)，在歐洲有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)建設(shè)初期應(yīng)由哈蒙公司提供技術(shù)支持，確保內(nèi)陸核電冷卻塔的冷卻效率。

4.2 保證冷卻塔塔筒結(jié)構(gòu)安全

通過風(fēng)洞、抗震等一系列數(shù)摸、物模試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確保內(nèi)陸核電冷卻塔結(jié)構(gòu)安全及耐久性。

4.3 安全穩(wěn)定運(yùn)行

可以引進(jìn)消化哈蒙公司先進(jìn)的成熟的集水裝置設(shè)計(jì)及加工技術(shù)，最大可能地優(yōu)化了結(jié)構(gòu)形式，而且在使用壽命上不低于填料 （可達(dá)到20年以上），不會(huì)因集水裝置而增加大修的次數(shù)，從根本上杜絕因集水裝置選材及制作問題而影響本項(xiàng)目的運(yùn)行。

4.4 施工難點(diǎn)及措施

目前冷卻塔施工采用的液壓頂升平橋，設(shè)計(jì)最大高度175 m，因此需要生產(chǎn)廠家進(jìn)行改裝加大。

筒壁每節(jié)模板混凝土方量大。整塔筒壁混凝土共計(jì)約33 000 m3，根據(jù)目前施工經(jīng)驗(yàn)及施工速度，每小時(shí)澆筑混凝土約為7～10 m3，如何加快混凝土澆筑速度，避免出現(xiàn)施工縫是該塔施工最關(guān)鍵所在。

考慮該塔鋼筋量較大，因此塔筒鋼筋的運(yùn)輸問題也是施工中的關(guān)鍵。

液壓頂升平橋廠家可根據(jù)使用高度重新進(jìn)行驗(yàn)算、改裝。

對(duì)于該塔混凝土澆筑時(shí)間及鋼筋上料等問題，考慮以增加施工機(jī)械為主，混凝土澆筑過程中趕漿法分層澆灌的開始點(diǎn)增加，加快施工速度。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械，以及現(xiàn)場(chǎng)情況，擬采用2座平橋（附著電梯）和2座垂直運(yùn)輸布料兩用塔吊，在平橋和塔吊上加裝拖泵，可同時(shí)解決混凝土澆筑及鋼筋上料問題。

5 結(jié)語(yǔ)

通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合分析，3個(gè)配置方案的排序?yàn)椋焊呶患粰C(jī)一塔配置、常規(guī)塔一機(jī)兩塔配置、常規(guī)塔一機(jī)一塔配置，內(nèi)陸核電工程推薦一臺(tái)機(jī)組配一座高位集水冷卻塔方案。