淺談 高位收水塔在大型燃煤電站的應(yīng)用

文/張林 李倩

1.前 言

高位收水冷卻塔技術(shù)最早是上世紀(jì)70年代末法國(guó)電力公司和比利時(shí)哈蒙冷卻塔公司設(shè)計(jì)研究提出的節(jié)能型冷卻塔，并于80年代中期開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用，最初用在法國(guó)核電站。高位收水冷卻塔相比于常規(guī)冷卻塔，最大的優(yōu)點(diǎn)是淋水不是淋到塔池內(nèi)，而是通過(guò)高位布置的收水斜板、收水槽將淋水進(jìn)行收集并匯流到主集水槽內(nèi)，充分利用淋水下落的勢(shì)能，使水泵前有一個(gè)較高的壓頭，從而達(dá)到降低水泵揚(yáng)程、減小循環(huán)水泵功率的目的。另外，高位收水冷卻塔由于淋水高程低，因此具有噪音小的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，高位收水塔內(nèi)的擋板對(duì)進(jìn)風(fēng)有導(dǎo)流的作用，再加上哈蒙懸吊式結(jié)構(gòu)阻力小的特點(diǎn)和較高性能的填料裝置，高位收水冷卻塔的冷卻效果要優(yōu)于常規(guī)塔。

我國(guó)于上世紀(jì)90年代初最早在蒲城電廠一期2x330MW工程中首次采用高位收水冷卻塔技術(shù)，但由于設(shè)計(jì)和施工存在缺陷，運(yùn)行情況并不理想。常規(guī)火電機(jī)組中，重慶萬(wàn)州電廠2x1000MW機(jī)組、安徽安慶電廠2x1000MW機(jī)組、湖南永州電廠2x1000MW機(jī)組、山東壽光2x1000MW機(jī)組等，均采用了高位收水冷卻塔方案。

可以看出，隨著機(jī)組容量的增大以及節(jié)能降耗需求的增加，高位收水冷卻塔技術(shù)逐漸成為大容量發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)，并且其核心技術(shù)（塔芯收水裝置）也已逐漸實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

2.常規(guī)自然塔與高位收水塔的技術(shù)比較

2.1 常規(guī)自然塔方案

在常規(guī)逆流式自然通風(fēng)冷卻塔中，熱水經(jīng)由豎井送入塔內(nèi)配水系統(tǒng)，經(jīng)配水及噴濺裝置均布至填料層與空氣進(jìn)行熱交換；冷卻水在填料層下部形成雨區(qū)并由底部水池收集后循環(huán)利用。

2.2 高位收水塔方案

與常規(guī)塔相比，高位收水冷卻塔取消了常規(guī)塔底部的水池，而改用高位布置的收水裝置在填料下部收集冷卻水，收集的冷卻水匯入中央集水槽后循環(huán)使用。該冷卻塔型式幾乎沒(méi)有雨區(qū)，可達(dá)到降低靜揚(yáng)程和雨落噪音的目的。高位集水裝置如上圖所示。

高位收水裝置圖示

2.3 常規(guī)自然塔與高位收水塔的技術(shù)比較

2.3.1 循環(huán)水泵揚(yáng)程

循環(huán)水泵的總揚(yáng)程由靜揚(yáng)程和動(dòng)揚(yáng)程組成，其中靜揚(yáng)程為冷卻塔豎井水位至下部收集水池（集水槽）的水位差，動(dòng)揚(yáng)程為系統(tǒng)各部分的阻力之和。

系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)揚(yáng)程差異不大。而對(duì)于系統(tǒng)靜揚(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。

2.3.2 噪音

相關(guān)研究及試驗(yàn)證明，應(yīng)用于1000MW級(jí)火電機(jī)組中的常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口處的噪聲約為82－86dB，是顯著的噪聲源，而雨落水擊是冷卻塔噪聲的主要來(lái)源。高位收水塔雨區(qū)高度僅為常規(guī)自然塔自由跌落高度的20%左右，并且其自由跌落區(qū)均在塔筒之內(nèi)，具備隔聲作用，因此噪聲排放非常低，通?？山档驮胍艏s10分貝。

2.3.3 冷卻塔熱力及阻力特性

1）雨區(qū)熱力及阻力特性

冷卻塔的工作狀態(tài)是進(jìn)塔熱水與進(jìn)塔空氣的熱力平衡及塔筒抽力與阻力平衡的狀態(tài)。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(duì)常規(guī)塔小，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，高位收水冷卻塔落雨高度小，從而大幅減少了雨區(qū)通風(fēng)阻力，使高位塔進(jìn)風(fēng)阻力較常規(guī)塔小，提高了冷卻塔通風(fēng)量和換熱效果。

2）冷卻塔配風(fēng)

常規(guī)冷卻塔由于受雨區(qū)阻力的影響，冷卻塔配風(fēng)表現(xiàn)為四周風(fēng)量高、中間風(fēng)量低，最大進(jìn)風(fēng)量出現(xiàn)在約3/4半徑處，冷卻塔整體配風(fēng)不均。高位收水塔無(wú)雨區(qū)橫向阻力，冷卻塔配風(fēng)表現(xiàn)為中間風(fēng)量高、四周風(fēng)量低，同時(shí)由于收水板可均化通風(fēng)流量，故高位冷卻塔比常規(guī)塔配風(fēng)更加均勻，同等條件下?lián)Q熱效果更好。

3）填料安裝方式

目前高位塔設(shè)計(jì)供貨主要為哈蒙公司產(chǎn)品，其填料安裝方式采用懸掛式，部分工程采用了國(guó)產(chǎn)填料，而國(guó)產(chǎn)填料安裝方式為梁柱+玻璃鋼柵條擱置式。兩種方式各有利弊，懸掛式減少了填料阻擋面積，該方式在熱力性能上優(yōu)于擱置式；但因其懸掛在梁下，檢修安裝時(shí)，人員無(wú)法直接到達(dá)，不便于更換填料。

4）填料型式

目前，國(guó)產(chǎn)填料主要采用綜合性能較優(yōu)的S波，哈蒙公司對(duì)于SS不高的水質(zhì)一般采用SNCS填料。根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院2014年10月的SNCS填料測(cè)試結(jié)果表明，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%。

2.3.4 循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行

1）補(bǔ)水系統(tǒng)

高位收水塔集水槽表面積僅相當(dāng)于常規(guī)塔水池面積的4-5%，同等系統(tǒng)補(bǔ)水、耗水變化導(dǎo)致的水位變幅將是常規(guī)塔的20-25倍，因此對(duì)補(bǔ)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較高要求。故高位收水塔需通過(guò)變頻調(diào)節(jié)補(bǔ)充水泵的流量，確保集水槽處于安全的高水位運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。

2）停泵工況

為了盡可能的節(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，可調(diào)節(jié)容積很少，若在停泵前未預(yù)先降低集水槽水位，停泵時(shí)產(chǎn)生的涌水及配水系統(tǒng)的大量余水將很快抬升水位，造成循環(huán)水溢出，因此，高位收水塔系統(tǒng)正常停泵前應(yīng)采取預(yù)先停止系統(tǒng)補(bǔ)水，降水位的運(yùn)行方式。

同時(shí)，為減少事故停泵時(shí)集水槽大量涌水，高位收水塔系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)往往采用多配循環(huán)水泵的方案，減少單泵事故時(shí)的涌水量。

3.冷卻塔設(shè)計(jì)方案

某工程規(guī)劃容量為4×1000MW超超臨界燃煤機(jī)組，根據(jù)工程自然和環(huán)保條件，擬采用帶冷卻塔的循環(huán)供水系統(tǒng)。一臺(tái)機(jī)組配置一座常規(guī)冷卻塔或一座高位收水冷卻塔。根據(jù)冷卻水量和進(jìn)出水溫差，在相同設(shè)計(jì)條件下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算分別確定了常規(guī)冷卻塔和高位收水塔的設(shè)計(jì)方案，具體的塔體尺寸及配置見(jiàn)表1。

4.經(jīng)濟(jì)性比較

4.1 方案比較原則

1）經(jīng)濟(jì)比較采用最小年費(fèi)用法。

表1 高位塔和常規(guī)塔參數(shù)對(duì)照表

2）經(jīng)濟(jì)比較以1×1000MW級(jí)機(jī)組為單位進(jìn)行，年費(fèi)用包括年固定費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用兩部分。

3）經(jīng)濟(jì)比較僅針對(duì)兩個(gè)方案主要差異部分，包括冷卻塔、循環(huán)水泵房及設(shè)備、循環(huán)水溝等，循環(huán)水管、凝汽器均相同，不參與比較。

4.2 基本技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)

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)為：

?機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)：4800h；

?年固定費(fèi)用率：12.69%；

?成本電價(jià)：0.303元/kW·h；

?上網(wǎng)電價(jià)：0.472元/kW·h；

?稅后上網(wǎng)電價(jià)：0.403元/kW·h；

?進(jìn)口塔芯單價(jià)：4300元/ m2（含收水裝置、填料等）；

?國(guó)產(chǎn)填料單價(jià)：650元/ m2。

4.3 經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果

針對(duì)本工程，1×1000MW級(jí)機(jī)組冷卻塔不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較詳見(jiàn)表2。

由表2可以看出：

高位收水塔方案單座塔投資比常規(guī)塔方案多4262.7萬(wàn)元，年固定費(fèi)用多支出541萬(wàn)元，年可節(jié)約循泵運(yùn)行費(fèi)670萬(wàn)元，節(jié)煤收益51萬(wàn)元。綜合投資和運(yùn)行費(fèi)用，高位收水塔系統(tǒng)比常規(guī)塔系統(tǒng)年總費(fèi)用低180萬(wàn)元/年。

表2 1×1000MW級(jí)機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

5.結(jié) 論

綜合比較表明：

1.高位收水冷卻塔大幅減小了常規(guī)塔雨區(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(shì)，在大型燃煤電站機(jī)組中的超大型冷卻塔上應(yīng)用高位收水技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.高位收水冷卻塔具有顯著的降低噪音的優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)冷卻塔相比，高位收水冷卻塔運(yùn)行噪音可降低10dB左右，減少了噪音的治理費(fèi)用。

3.對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行而言，因高位收水冷卻塔取消了塔下水池，其系統(tǒng)水體容積小，對(duì)補(bǔ)水系統(tǒng)的可靠性要求較高，運(yùn)行管理相對(duì)復(fù)雜。

4.隨著能源價(jià)格的增加導(dǎo)致電價(jià)的抬高，同時(shí)考慮高位收水塔塔芯材料實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，高位收水冷卻塔的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)還將會(huì)進(jìn)一步突顯。