1000MW機(jī)組高位收水冷卻塔項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

吳志祥，王存新

(神華神皖安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246005)

1000MW機(jī)組高位收水冷卻塔項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

吳志祥，王存新

(神華神皖安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246005)

摘要：在安徽某電廠二期擴(kuò)建2×1000 MW工程中，首次論證了高位收水冷卻塔項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，首先介紹了高位收水冷卻塔原理，然后與等效常規(guī)冷卻塔相比，初投資雖增加3726萬元，但可以多向電網(wǎng)供電3000 kW，按年利用5000 h計(jì)算，每年可增加收益609.9萬元，8.3年可回收全部投資，其項(xiàng)目具有可行性。

關(guān)鍵詞：高位收水冷卻塔；常規(guī)冷卻塔；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

在國內(nèi)，燃煤火力發(fā)電很長一段時間內(nèi)仍將占據(jù)發(fā)電領(lǐng)域主導(dǎo)地位。提高發(fā)電效率、降低污染、節(jié)約資源是火電機(jī)組的發(fā)展方向。對電力企業(yè)而言，采用大容量高參數(shù)燃煤機(jī)組降低發(fā)電煤耗的同時，也應(yīng)該在現(xiàn)有電廠的常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備規(guī)范的基礎(chǔ)上，突破原有思路、挖掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)潛力，最大限度地優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高全廠效率。

根據(jù)環(huán)保要求，沿長江建設(shè)的1000 MW機(jī)組不能直排，循環(huán)水系統(tǒng)要采用閉式循環(huán)，冷卻設(shè)備常規(guī)的是采用自然通風(fēng)冷卻塔。

目前采用的自然通風(fēng)冷卻塔，循環(huán)水進(jìn)入淋水裝置后，從其上部淋下，通過與冷空氣進(jìn)行熱交換后，落入位于±0.000 m的集水池，水的勢能全部失去，完全不能利用，循環(huán)水需由循環(huán)水泵從集水池再次提升到淋水裝置的上部，故循環(huán)水泵的能耗不能降低。

針對上述問題，為了利用被提升后的循環(huán)水的勢能，降低循環(huán)水泵的能耗，法國電力公司和比利時哈蒙公司，在上世紀(jì)70年代末研發(fā)了高位收水冷卻塔技術(shù)，并在BEI-IIEVILLE(貝爾維爾)、NOZENT(諾讓)、CHOOZ(舒茲)及GOLFECH(戈?duì)栙M(fèi)什)核電廠建造了8座高位收水冷卻塔，運(yùn)行多年以來，節(jié)能效果顯著。

我國陜西蒲城電廠一期工程安裝2臺330 MW羅馬尼亞引進(jìn)機(jī)組，為單元制供水系統(tǒng)，1臺機(jī)配用l座淋水面積4750 m2的高位收水冷卻塔，1996年投運(yùn)，該塔也是目前國內(nèi)唯一使用該技術(shù)的冷卻塔。

國內(nèi)蒲城電廠的高位收水塔存在一些問題，主要由于淋水填料和高位收水裝置的安裝較難，并且國內(nèi)第一次施工，經(jīng)驗(yàn)不足，與設(shè)計(jì)有偏差；其次是冬季結(jié)冰嚴(yán)重，影響安全運(yùn)行。

1高位收水冷卻塔項(xiàng)目介紹

1.1高位收水冷卻塔原理

高位收水冷卻塔，是將收水裝置直接安裝在進(jìn)風(fēng)口上方的淋水裝置的下部，將循環(huán)水在此收集起來，不讓其落到±0.000 m的集水池，通過密閉的集水流道，保持循環(huán)水的勢能，并將其導(dǎo)入循環(huán)水泵進(jìn)水口，使其能夠利用。此時，循環(huán)水只需由循環(huán)水泵從高位收水裝置處水位再次提升到淋水裝置的上部，從而大大降低了循環(huán)水泵的能耗。

在高位收水冷卻塔設(shè)計(jì)中，其配水系統(tǒng)和淋水填料與常規(guī)塔相似，不同之處是取消了常規(guī)冷卻塔底部的集水池，其冷卻后的循環(huán)水在淋水填料底部直接被收水設(shè)備截流收集，再輸送到循環(huán)水泵房，然后經(jīng)過循環(huán)水泵送回主廠房。

因高位收水冷卻塔僅架設(shè)集水槽，無底部水池，能有效防止?jié)B水浸泡地基，所以提高了冷卻塔的塔體安全性，并可降低循環(huán)水泵的揚(yáng)程；在填料底部下落的水滴經(jīng)過收水斜板時被截流收集，落差減小，大大降低了由下落水滴沖擊造成的噪聲污染，且斜板上的防濺墊層也有降噪功能。

圖1　高位收水冷卻塔系統(tǒng)示意圖

圖2　高位收水冷卻塔填料安裝圖

圖3　中央豎井至各配水槽示意圖

高位收水冷卻塔系統(tǒng)如圖1所示，來自從主廠房的循環(huán)水→循環(huán)水管道→冷卻塔中央豎井→配水槽、管、噴濺裝置→淋水填料→落至高位收水裝置→收水槽→平板濾網(wǎng)→集水流道→密閉循環(huán)水泵前池→循環(huán)水泵升壓→循環(huán)水管道→主廠房汽輪機(jī)凝汽器及其他冷卻器(水在此換熱升溫)→循環(huán)水管道→再次進(jìn)入冷卻塔冷卻，此后進(jìn)入下一次循環(huán)。

1.2高位收水冷卻塔主要設(shè)備

(1)填料

填料高度為1.5 m，用管子和不銹鋼絲懸吊在橫梁上，水被噴到填料上之后，沿填料孔邊緣流下，冷風(fēng)從填料下部沿填料孔中心向上走，從而完成在填料中的熱交換工作，如圖2所示。在填料高度一定的條件下，淋水面積越大，冷卻效果越好，同時造價(jià)也越大[1]。經(jīng)過論證，在夏季10%氣象條件下為保證出塔水溫≤31.6 ℃，本工程的淋水填料頂面積采用12 075 m2。

(2)配水系統(tǒng)

從凝汽器回來的循環(huán)水進(jìn)入進(jìn)水槽，然后到中央豎井[2]，中央豎井上部有個配水槽如圖3所示。配水槽有兩個雙層配水槽(南北方向)和兩個單層配水槽(東西方向)，配水槽的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是6個閘門，分別對應(yīng)6個扇區(qū)，如圖4所示。在冬天，A扇區(qū)與B扇區(qū)兩個中央扇區(qū)可以退出運(yùn)行。

在中央豎井頂部設(shè)置了防溢流旁路，如圖5所示。旁路容量為100%，當(dāng)6個扇區(qū)的閘門全部關(guān)閉時，全部容量的水從旁路溢出后，流進(jìn)下面的東西方向的集水槽，從而保證在任何時候不會有水從中央豎井中溢出來。

(3)除水器

圖4 中央豎井至各配水槽內(nèi)部示意圖圖5 中央豎井至旁路示意圖

圖6　噴嘴工作示意圖

在配水管，噴頭和噴嘴正上方，大約與主水槽同樣標(biāo)高的地方設(shè)置了除水器，如圖6所示。任務(wù)是收集隨熱空氣上升帶走的小水滴，本工程要求風(fēng)吹損失水率不大于0.01%[3]。

(4)收水裝置

收水裝置任務(wù)是收集從填料下出來的水(沒有雨區(qū))，收水裝置之間的重疊部分能收集全部流下來的水，理論上是不會有水漏出來。設(shè)置了防濺和防起浪裝置，整個收水裝置采用鋼絲懸掛機(jī)制，用鋼絲懸掛在土建支撐樑上，對整個鋼絲懸掛的施工要求比較高。

2與常規(guī)冷卻塔比較

高位收水冷卻塔雖然配水系統(tǒng)和淋水填料與常規(guī)塔相似，但與常規(guī)冷卻塔相比高位收水冷卻塔有著不同的特性。

2.1降低泵揚(yáng)程

高位收水塔填料下方的水經(jīng)收水裝置，在大約14 m的高度回收，這部分水流到冷水槽中。在冷水槽中建立起水面如圖8所示。水面高度越高，回收的水勢能越大，一般這個高度在運(yùn)行中控制在13.7 m左右。循環(huán)水泵入口是正壓，這樣就自然減少了泵的揚(yáng)程，這個數(shù)值在13.7 m的基礎(chǔ)上再減去流動損失在10 m左右。針對此項(xiàng)工程，每臺循環(huán)水泵可減少1 000 kW，三臺33%容量的循環(huán)水泵共減少3 000 kW。但收水裝置高位布置，懸吊在淋水架構(gòu)的下面，如果有維護(hù)量相對來說難度增加。

圖7 收水裝置結(jié)構(gòu)圖圖8 高位收水冷卻塔節(jié)能原理圖

2.2沒有雨區(qū)帶來的好處

由于沒有雨區(qū)，因此大大降低噪聲。通常冷卻塔的噪聲約為85 dBA，采用高位收水技術(shù)后，噪聲降低了約10 dBA。沒有雨區(qū)，進(jìn)風(fēng)阻力減少，由于有高位收水裝置所以不需設(shè)集水池。

2.3熱力性能相當(dāng)

收水槽導(dǎo)致空氣流動的阻力增加，但雨區(qū)高度變小，從而使空氣流入塔內(nèi)的總阻力減少。阻力的增加量與減少量基本相當(dāng)，所以熱力性能基本一致。在相同條件下，熱力性能主要用出塔水溫來評價(jià)[4]。

2.4使用渦殼泵可降低水泵和土建費(fèi)用

在循環(huán)水泵的選擇上，一般有兩種型號，一種是使用較多的多級斜流泵[5]，一種是單級立式蝸殼泵[6]。相對來說，單級立式蝸殼泵比立式斜流泵設(shè)備簡單，只有一級葉輪，進(jìn)口可以是正壓，并可設(shè)置泵進(jìn)口蝶閥，可實(shí)現(xiàn)在線檢修時的隔斷用。如果采用立式斜流泵，由于是多級泵本身及土建的費(fèi)用相對比蝸殼泵要高得多，所以采用單級立式蝸殼泵，可降低水泵本身和土建費(fèi)用。

3本工程氣象條件

廠址區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，具有四季分明、雨量適中、梅雨顯著、夏雨集中、秋高氣爽、冬季降雪期短等特征。主要?dú)庀筇卣髦等缦拢?/p>

(1)氣壓

歷年極端最高氣壓：1044.8 hPa(1955年1月15日)；

歷年極端最低氣壓：976.1 hPa(1956年8月2日)；

歷年平均氣壓：1014.0 hPa。

(2)氣溫

歷年極端最高氣溫：40.2 ℃(1953年8月11日)；

歷年極端最低氣溫：-12.5 ℃(1969年2月5日)；

歷年平均氣溫：16.5 ℃。

(3)相對濕度

歷年平均相對濕度：76%。

(4)累年逐月氣象要素特征見表1所示。

表1　逐月氣象要素表

(5)夏季頻率10%的濕球溫度為27.5 ℃，與之相應(yīng)的氣象要素見表2所示。

表2　頻率10%日平均濕球溫度對應(yīng)的其它氣象要素特征表

(6)風(fēng)向

夏季(6、7、8月)：主導(dǎo)風(fēng)向NE，風(fēng)向頻率22%；次主導(dǎo)風(fēng)向SW，風(fēng)向頻率18%。

冬季(12、1、2月)：主導(dǎo)風(fēng)向NE，風(fēng)向頻率34%。

全年：主導(dǎo)風(fēng)向NE，風(fēng)向頻率30%。

因此本工程具備建設(shè)、運(yùn)行高位收水冷卻塔條件，整個冷卻塔設(shè)計(jì)按夏季10%氣象條件下來考慮，表明在夏季90%的氣象條件下能滿足低于31.6 ℃出塔水溫的要求，但仍有10%氣象條件下，出塔水溫會超過31.6 ℃，為避免將冷卻塔做得過大，這樣考慮是合理的。

4本工程閉式循環(huán)水系統(tǒng)擬定

4.1高位收水冷卻塔

(1)高位收水冷卻塔主要參數(shù)

冷卻塔總高：189.000 m；

底部直徑：137.500 m；

喉部直徑：82.500 m；

進(jìn)風(fēng)口高度：13.800 m；

填料頂部高度：18.000 m；

填料層直徑：126.200 m；

填料層面積：12500 m2；

填料平均高度：1.500 m；

采用塑料填料，PVC除水器。

(2)高位收水冷卻塔布置

高位收水冷卻塔布置參照哈蒙公司(hamon)的模式布置。塔內(nèi)僅設(shè)1層支撐結(jié)構(gòu)[7]，除水器、配水管道、淋水填料、收水裝置、集結(jié)的循環(huán)水等荷載均由支撐結(jié)構(gòu)承受。

4.2濾網(wǎng)

經(jīng)論證，此項(xiàng)工程采用在冷水槽的上方設(shè)置平板濾網(wǎng)方案，孔徑為(10×10)mm，以保護(hù)循環(huán)水泵葉輪。此方案基于以下分析：

(1)系統(tǒng)中的循環(huán)水處于半封閉狀態(tài)，循環(huán)水只在噴濺裝置以下至收水裝置之間，直接暴露在大氣之中，在此，外界雜物不易進(jìn)入系統(tǒng)；

(2)循環(huán)水補(bǔ)給水水源為長江水，且還要經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，水質(zhì)可保持清潔；

(3)淋水系統(tǒng)包括除水器、配水管道、噴濺裝置、淋水填料、收水裝置等，只要產(chǎn)品質(zhì)量可靠，并做好運(yùn)行維護(hù)，就不會產(chǎn)生破碎；

(4)濾網(wǎng)的清理視運(yùn)行情況而定，停機(jī)后檢修人員可進(jìn)入濾網(wǎng)上部清理；

(5)該方案相對來說最簡單可靠，并節(jié)省土建投資80萬元以上。

4.3循環(huán)水泵

根據(jù)系統(tǒng)布置和水泵進(jìn)水條件特點(diǎn)，本工程循環(huán)水泵采用蝸殼泵。該型水泵的特點(diǎn)是：效率高達(dá)89%，比多級斜流泵的86.8%高2.2%，進(jìn)水流道做成有壓鋼制管道，且進(jìn)水管上可設(shè)蝶閥，安裝或檢修水泵時，可將進(jìn)水蝶閥關(guān)閉，不需放空前池循環(huán)水，適于閉式前池安裝。

循環(huán)水泵配置有“1機(jī)3泵”和“1機(jī)4泵”2個方案。按目前掌握的資料，“1機(jī)4泵”方案的循環(huán)水泵，國內(nèi)制造廠有成熟的制造能力和應(yīng)用業(yè)績?！?機(jī)3泵” 方案的循環(huán)水泵，若在1000 MW機(jī)組上應(yīng)用，將是64英寸的泵(YJG64-50)，還沒有這么大的蝸殼泵在百萬機(jī)組上的應(yīng)用業(yè)績，但長沙某水泵廠有這方面技術(shù)貯備，技術(shù)上是沒有問題的?！?機(jī)4泵”方案具有產(chǎn)品成熟，運(yùn)行靈活的優(yōu)點(diǎn)，但較“1機(jī)3泵”相比，泵房長度需增加9 m，設(shè)備投資較多?！?機(jī)3泵”方案與“1機(jī)4泵”相比，具有土建投資和設(shè)備投資較少的優(yōu)點(diǎn)，但沒有生產(chǎn)業(yè)績。因此，本工程采用“1機(jī)3泵”方案。

4.4循環(huán)水泵自身冷卻水系統(tǒng)

循環(huán)水泵本身及電機(jī)的冷卻水由循環(huán)水泵出口的水倒流回冷卻器、再回循環(huán)水泵入口實(shí)現(xiàn)，正常運(yùn)行時不需要外部冷卻水，外部冷卻水可做作備用，實(shí)現(xiàn)了最大可能的簡化系統(tǒng)、節(jié)約廠用電。

5經(jīng)濟(jì)比較

表1　高位收水冷卻塔與常規(guī)塔經(jīng)濟(jì)比較(1臺機(jī)組)

采用高位收水塔加上蝸殼泵的閉式循環(huán)水系統(tǒng)，相比等效常規(guī)冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)，每小時可節(jié)省3 000 kW功率，按年利用5 000 h計(jì)算，每年可節(jié)省1 500萬kWh的電量，按上網(wǎng)電價(jià)按0.406 6元/kWh來計(jì)算，每年可增加收益609.9萬元，初投資雖然增加3 726萬元，但8.3年就可收回成本(銀行貸款利率按7.05%計(jì)算)，項(xiàng)目投資回收期少于10年，項(xiàng)目是可行的。

6結(jié)論和建議

本工程首次在1 000 MW機(jī)組采用高位收水冷卻塔后，經(jīng)濟(jì)效益較為明顯，1座高位收水冷卻塔與等效常規(guī)冷卻塔相比，初投資雖然增加3 726萬元，但是可減少廠用電約3 000 kW，即可多向電網(wǎng)供電3 000 kW，按年利用5 000 h計(jì)算，每年節(jié)省電費(fèi)609.9萬元，8.3年即可回收全部投資。而且，采用高位收水冷卻塔噪音下降，對附近居民影響降到了最低，同時收到了良好的社會效益。因此，本工程建議建設(shè)高位收水冷卻塔項(xiàng)目，可以收到良好的節(jié)能減排效益與社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1]楊劍永，張武.大型機(jī)組冷卻塔節(jié)能潛力分析[J].東北電力技術(shù)，2010(6)：1-5.

[2]唐磊，劉自力，易超.電廠逆流式自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代電力，2010，27(6)：35-39.

[3]國家發(fā)展和改革委員會.DL/T1027-2006.工業(yè)冷卻塔測試規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2007:2.

[4]王浩，王勇，王鴻儒.淺析冷卻塔節(jié)能改造的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].電站輔機(jī)，2015，36(1)：28-31.

[5]喬鳳杰，白晶.電廠水泵故障分析及整治方法研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(5)：51-55.

[6]周云龍，劉帥.長距離漿體管道并聯(lián)泵系統(tǒng)水錘計(jì)算[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(3)：26-30.

[7]章立新，陳巖永，沈艷，等.濕球溫度與閉式冷卻塔蒸發(fā)冷卻能力關(guān)系的研究[J].工業(yè)用水與廢水，2011,42(2)：65-68.

Technical and Economic Analysis of the Project of the High Water Cooling Tower of 1000MW Unit

WU Zhi-xiang，WANG Chun-xin

(Shenhua God Anhui Anqing Wanjiang Power Generation Co.Ltd.，The Two Phase of The Expansion，Anqing Anhui 246005)

Abstract：In a power plant of the 2x1000MW project in Anhui，this paper first demonstrates the technical and economic characteristics of the project of the cooling tower of the high level.AT first introduced the principle of the high water cooling tower，and then compared with the equivalent conventional cooling tower，although the initial investment increased by ￥37，260，000，but that can take more than the power 3000kW，We calculated the number of hours in accordance with the 5000h，Our annual income is ￥6099000，So as long as 8.3 years we can recover the initial investment，the project is feasible.

Key words：High water cooling tower；Conventional cooling tower；Technical and economic analysis

收稿日期：2016-04-12

作者簡介：吳志祥(1978-)，男，安徽省樅陽市人，神華神皖安慶皖江發(fā)電有限公司高級工程師，碩士，主要研究方向：事電廠汽輪機(jī)設(shè)備管.

文章編號：1005-2992(2016)03-0034-07

中圖分類號：TK262

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A