高位冷卻塔節(jié)能分析研究

楊永偉，周自強(qiáng)，范誠豪

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)華北電力試驗研究院有限公司，天津 300171; 2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240）

高位冷卻塔節(jié)能分析研究

楊永偉1，周自強(qiáng)2，范誠豪3

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)華北電力試驗研究院有限公司，天津 300171; 2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；3.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240）

闡述高位收水冷卻塔設(shè)計及運(yùn)行特點(diǎn)，提出高位收水冷卻塔與常規(guī)濕冷塔的優(yōu)缺點(diǎn)，通過對某660 MW機(jī)組的冷卻塔布置方案對比分析，總結(jié)了高位冷卻塔對火電廠節(jié)能方面技術(shù)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)，為火電廠節(jié)能提供技術(shù)選擇依據(jù)。

高位收水冷卻塔；節(jié)能；技術(shù)經(jīng)濟(jì)

0 引言

帶有高位收水裝置的冷卻塔是20世紀(jì)70年代末，由法國電力公司和比利時哈蒙冷卻塔公司設(shè)計研究提出的節(jié)能型濕式自然通風(fēng)冷卻塔，并在法國20世紀(jì)80年代建造的1 300 MW核電站中開始應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代初我國在設(shè)計陜西蒲城電廠一期工程2×330 MW機(jī)組，采用了自主設(shè)計的2座淋水面積4750m2的高位收水冷卻塔，塔高131.48 m，底部直徑87.432 m，喉部高度95.323 m，喉部直徑46.9 m，出口直徑51.834 m。高位收水塔造價較常規(guī)冷卻塔高約22%，但節(jié)能效果明顯。該高位收水塔為目前國內(nèi)最早建成的高位收水塔。國內(nèi)目前最新建成的有重慶萬州1 000 MW機(jī)組高位收水塔，由國內(nèi)設(shè)計院與HAMON公司聯(lián)合設(shè)計，初步設(shè)計方案中淋水面積13 000 m2，冷卻塔總高191.0 m，底部直徑140.3 m，進(jìn)風(fēng)口高度13.8 m。

1 高位收水塔特點(diǎn)

在常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔中，熱水由管道通過豎井送入塔內(nèi)熱水分配系統(tǒng)，經(jīng)配水管再通過噴淋裝置，將水灑到填料上；經(jīng)填料后形成雨狀自由跌落至下部集水池，再輸送至循環(huán)水泵房，然后經(jīng)過循環(huán)水泵房送回主廠房。

在高位收水冷卻塔設(shè)計中，其配水系統(tǒng)和淋水填料、除水器與常規(guī)塔相似，不同之處是用高位收水裝置及集水槽取代常規(guī)自然塔底部集水池。收水裝置包括收水斜板和收水槽兩部分，安裝于進(jìn)風(fēng)口與填料之間。淋水填料上部的配水系統(tǒng)、除水器布置與常規(guī)逆流式自然通風(fēng)冷卻塔一致。集水槽為玻璃鋼材質(zhì)，中心間距2 m布置，不同槽段深度、長度不同，分段制造，現(xiàn)場組合。收水板采用玻璃鋼材質(zhì)，45°安裝，收水板上方設(shè)防濺裝置，采用PVC材質(zhì)。收水裝置通過吊桿懸掛于配水層次梁（見圖1）。

由于增加了高位收水裝置，為盡可能降低塔芯高度，通常采用吊裝技術(shù)。由于配水管、填料、收水斜板、收水槽均需吊裝，吊裝安裝要求很高。目前國外高位塔設(shè)計供貨主要為哈蒙公司產(chǎn)品，其填料安裝方式采用穿桿懸掛式；而國產(chǎn)化設(shè)計填料安裝方式主要有穿桿懸掛式和梁柱+玻璃鋼柵條擱置式兩種形式。兩種方式各有利弊，懸掛式減少了填料阻擋面積，提升了換熱性能，因此該方式在熱力性能上優(yōu)于擱置式；同時因其懸掛在梁下，檢修安裝時，人員無法直接到達(dá)，不便于更換填料。而擱置式施工檢修維護(hù)方便，多采用擱置式，對于檢修和填料更換更具有優(yōu)勢。

圖1 高位收水裝置

目前國產(chǎn)填料主要采用綜合性能較優(yōu)的S波，哈蒙公司對于SS（懸浮物含量）不高的水質(zhì)一般采用SNCS填料。SNCS填料比S波填料冷卻數(shù)高約11%～13%，阻力比S波填料低約5%～10%，填料綜合散熱性能比S波填料高約12%～13%。

1.1 節(jié)能優(yōu)勢

火電發(fā)電廠中循環(huán)水泵的總揚(yáng)程由凈揚(yáng)程和動揚(yáng)程組成，其中凈揚(yáng)程為冷卻塔豎井水位至下部收集水池（冷水槽） 的水位差，動揚(yáng)程為系統(tǒng)各部分的阻力之和。系統(tǒng)動揚(yáng)程與系統(tǒng)各部件的配置和布置相關(guān)，受冷卻塔型式的影響很小，故采用常規(guī)自然塔與高位收水塔的系統(tǒng)動揚(yáng)程差異不大。而對于系統(tǒng)凈揚(yáng)程，與常規(guī)冷卻塔相比，高位收水冷卻塔采用高位收水裝置收集冷卻水，減少了雨區(qū)自由跌落的高度，因此可大幅度降低循環(huán)水系統(tǒng)的靜揚(yáng)程（見圖2）。

圖2 高位收水塔與常規(guī)塔收水示意比較

1.2 降噪優(yōu)勢

所有的大型常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔的進(jìn)風(fēng)口處的噪音均接近82～86 dB(A)，是最為顯著的噪音源，而從塔內(nèi)高空下落的冷卻水與集水池中的水撞擊產(chǎn)生的淋水噪聲又是冷卻塔噪音的主要來源。整個過程是高處的冷卻水在重力的作用下勢能轉(zhuǎn)化為動能，當(dāng)下落到與集水池里的水撞擊時，其中一部分動能便轉(zhuǎn)化為聲能進(jìn)行傳播。水的自由跌落高度越高，產(chǎn)生的噪聲也越大。高位收水塔自由跌落高度通常僅為常規(guī)塔的26.5%，而且其自由跌落區(qū)均在塔體的筒壁之內(nèi)，相當(dāng)于跌落于天然隔聲墻，因此噪聲排放通?？山档?0～15 dB(A)。

1.3 熱力性能優(yōu)勢

冷卻塔換熱的主要區(qū)域是淋水填料區(qū)域，雨區(qū)的換熱僅為全塔換熱的一小部分。高位收水冷卻塔的雨區(qū)相對常規(guī)塔短 (僅在高位收水裝置區(qū)域)，換熱能力較常規(guī)塔減少約3%。冷卻塔阻力中，雨區(qū)的阻力占40%左右，高位收水冷卻塔雨水較短，減少了雨區(qū)通風(fēng)阻力，但由于增加了高位收水設(shè)施，收水斜板的設(shè)置阻擋了部分進(jìn)風(fēng)面積，又增加了一定的進(jìn)風(fēng)通風(fēng)阻力。由于高位收水塔的進(jìn)風(fēng)口高度一般比常規(guī)塔要高，使塔進(jìn)風(fēng)阻力較常規(guī)塔減小，以提高塔內(nèi)風(fēng)速及冷卻塔換熱效果。同時，高位收水塔內(nèi)進(jìn)風(fēng)更均勻，塔內(nèi)中心區(qū)域與外圈進(jìn)風(fēng)溫度基本一致，改善了冷卻塔的冷卻效率。

2 高位收水塔循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行

2.1 啟動前充水

由于高位冷卻塔集水槽以上區(qū)域不能提前充水，循泵運(yùn)行初期循環(huán)水需先流經(jīng)配水區(qū)域后方可回到集水槽形成循環(huán)。從循環(huán)水進(jìn)入配水區(qū)至流出期間，集水槽內(nèi)水量將快速減少（循泵流量遠(yuǎn)大于補(bǔ)水流量）。由于集水槽水體表面積很小，因此水位下降很快，為防止水位下降導(dǎo)致水泵產(chǎn)生氣蝕，啟泵前需先對循環(huán)水系統(tǒng)充水，以確保循環(huán)水泵初啟動的水位降低后仍能滿足水泵最小淹沒深度的要求。

2.2 補(bǔ)水系統(tǒng)要求

高位收水塔中維持集水槽高水位是體現(xiàn)其節(jié)能的關(guān)鍵，這就需要設(shè)置合理且可靠的補(bǔ)水系統(tǒng)及時補(bǔ)水，同時又需控制溢流，減少浪費(fèi)。

由于高位冷卻塔集水槽面積小，貯存的循環(huán)水容積小，而循環(huán)水系統(tǒng)蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污損失水量大，如補(bǔ)水系統(tǒng)故障或補(bǔ)水不及時，集水槽水位可能下降很快，迅速增加循環(huán)水泵靜揚(yáng)程，導(dǎo)致循環(huán)水量大幅減少，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致循泵淹沒深度不足，不能運(yùn)行而停機(jī)。因此可靠性高的補(bǔ)水系統(tǒng)對高位冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)特別重要。同時運(yùn)行時要密切注意循環(huán)水系統(tǒng)損失的水量和補(bǔ)水量的平衡，防止偱泵淹沒深度不足，不能運(yùn)行而停機(jī)。

2.3 停泵前降低水位

為了盡可能地節(jié)能，高位收水塔正常運(yùn)行中都盡可能維持在高水位運(yùn)行，水位以上的空間很少。如在停泵前未預(yù)先降低集水槽水位，停泵時產(chǎn)生的涌水溢出及配送系統(tǒng)的大量余水將很快抬升水位，造成大量的水從集水槽溢出，短時溢水流量與循環(huán)水流量相當(dāng)。因此，正常停泵前應(yīng)采取預(yù)先停止系統(tǒng)補(bǔ)水、降低水位的運(yùn)行方式。此種方式對于正常停泵是有效的，但當(dāng)事故斷電突然停泵時，仍不能避免大量水涌出。對于這種情況，一種方式是任其涌出，地面設(shè)置排水溝收集和排放。另一種是沿集水槽設(shè)置溢流堰槽將溢水收存或排放，這種方式將增加土建投資，并要占用一定面積，對淋水面積有一定影響。

3 高位收水冷卻塔節(jié)能方案對比分析

為對比高位收水塔節(jié)能效果，選擇某 2× 660 MW新建機(jī)組做為研究對象，主要考慮三個方案。方案一：冷卻塔采用常規(guī)塔，1機(jī)1塔，南北向布置，循環(huán)水泵1機(jī)2泵，立式斜流泵，常規(guī)泵房及循環(huán)水管溝。方案二：冷卻塔采用高位收水塔，1機(jī)1塔，循環(huán)水泵1機(jī)3泵，臥式離心泵，壓力式循環(huán)水溝和高位水池。方案三：冷卻塔采用高位收水塔，2機(jī)1塔，循環(huán)水泵1機(jī)3泵，臥式離心泵，壓力式循環(huán)水溝和高位水池。常規(guī)塔與高位塔的參數(shù)對比見表1。

節(jié)能方案對比中技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較以2×660 MW機(jī)組為單位進(jìn)行年費(fèi)用比較，年費(fèi)用包括年固定費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用兩部分。方案比較包括土建費(fèi)用、占地費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用、噪聲整治措施費(fèi)用等。常規(guī)塔方案循泵運(yùn)行模式按熱季（5月—10月）1機(jī)2泵；冷季（10月—次年4月）1機(jī)1泵運(yùn)行；高位塔方案循泵運(yùn)行模式按熱季（5月—10月）1機(jī)3泵；冷季（10月—次年4月）月1機(jī)2泵運(yùn)行（見表2）。

表1 常規(guī)塔與高位塔參數(shù)對比

表2 不同方案經(jīng)濟(jì)性對比 萬元

方案分析比較采用年費(fèi)用最小法，并采用年固定分?jǐn)偮是竽曩M(fèi)用。

式中，NF為年費(fèi)用值；P為計算年的基建投資 (按水工技術(shù)規(guī)定中的公式計算)；μ為計算年的運(yùn)行費(fèi)，包括水泵電耗費(fèi)，熱耗變化而增加(或減少)的燃料費(fèi)；AFCR為年固定分?jǐn)偮省?/p>

根據(jù)本工程汽輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，方案比較采取的基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)（預(yù)測值）為：機(jī)組年利用小時數(shù)，5000h；年固定費(fèi)用率，12.69%；經(jīng)濟(jì)使用年限，20年；成本電價，0.260元/（kW· h）；標(biāo)煤價，530元/t；征地費(fèi)用，9.5萬元/畝。

從不同方案經(jīng)濟(jì)性對比結(jié)果看，采用方案三（2機(jī)1塔），年總費(fèi)用最低，總投資額居中，與常規(guī)塔方案一相比年總費(fèi)用節(jié)約147萬元，總投資增加1 890萬元，方案三比方案一回收年限要縮短至12年，在火電廠壽命期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益比較客觀。

4 結(jié)論

a） 常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔技術(shù)成熟，投資低，安裝、運(yùn)行簡單，管理方便，目前廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠。冷卻塔高位收水技術(shù)大幅減小了雨區(qū)跌落高度和系統(tǒng)靜揚(yáng)程，具有明顯節(jié)能和低噪音優(yōu)勢，塔面積愈大，進(jìn)風(fēng)口高度愈高，其節(jié)能優(yōu)勢愈顯著。

b）高位塔比常規(guī)塔噪音可減小8～15 dB(A)。隨著國家環(huán)保政策越發(fā)嚴(yán)格，冷卻塔的噪聲措施處理費(fèi)用投入較大，已經(jīng)成為冷卻塔方案選擇時必須考慮的重要影響因素。

c）不同冷卻塔方案對比顯示，對于新建機(jī)組采用2機(jī)1塔的布置方案相比常規(guī)塔方案年運(yùn)行費(fèi)用更低，雖然初投資比常規(guī)方案大，但在火電廠全壽期內(nèi)，完全可以回收相應(yīng)多增加的投資成本，具有較好的應(yīng)用前景。

[1]金熹卿，謝化一，倪季良，等.高位收水冷卻塔的設(shè)計 [J].中國電力，1993(6)：39-42.

[2]吳志祥，王存新.1 000 MW機(jī)組高位收水冷卻塔項目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 [J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2016，36(3):34-40.

[3]李越.常規(guī)塔與高位塔經(jīng)濟(jì)性比較 [J].華電技術(shù)，2015，37 (7):38-42.

Analysis on Energy-saving of High-level Water Collecting Cooling Tower

YANG Yongwei1,ZHOU Ziqiang2,FAN Chenghao3
（1.China Energy Engineering Group North China Electric Power Test Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300202,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China; 3.Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai200240,China）

The design and operation characteristics of high-level water collecting cooling tower are analyzed,and the advantages and disadvantages of high-level water collecting cooling towers and regular wet cooling towers are compared.Through analyzing the layout schemes of the cooling tower of a 660 MW unit,the contributions of high-level water collecting cooling tower in energy saving and economical efficiencyare summarized,which provides references for coal power plants tobe energy-saving.

high-level water collectingcoolingtower;energysaving;technical economic analysis

TU991.42

B

1671-0320（2017）02-0058-04

2016-12-01，

2017-02-20

楊永偉（1983），男，山西忻州人，2006年畢業(yè)于太原科技大學(xué)自動化專業(yè)，工程師，從事各類型火力發(fā)電廠的整套調(diào)試工作、性能試驗及燃燒優(yōu)化調(diào)整等工作；

周自強(qiáng)（1984），男，江蘇徐州人，2009年畢業(yè)于東南大學(xué)動力機(jī)械及工程專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電力信息化工作；

范誠豪（1982），男，上海人，2009年畢業(yè)于東南大學(xué)動力機(jī)械及工程專業(yè)，碩士，工程師，從事各類火力發(fā)電性能試驗等工作。