兩機一塔技術在300 MW機組的應用

劉 鵬

（華能淄博白楊河發(fā)電有限公司，山東 淄博 255200）

0 引言

華能白楊河電廠3臺50 MW機組于20世紀60年代末 70年代初建成投產(chǎn)，機組由于超期運行、設備老化、資源單耗上升、環(huán)保技術落后、經(jīng)濟效益降低。華能白楊河電廠貫徹國務院 “上大壓小”政策，拆除老機組，以大代小在已有場地上建設2×300 MW供熱機組。兩臺300 MW機組于2009年12月11日和12月20日分別完成168 h試運行，投產(chǎn)發(fā)電。

工程由山東電力工程咨詢院負責總設計。電廠、設計院根據(jù)現(xiàn)有場地的特點，確定了“增容不增地”的總平面布置原則，即在拆小建大、電廠發(fā)電容量增加的同時，新建機組不突破電廠原有廠區(qū)范圍，不新征用地。在此原則的指導下，電廠和設計院對總平面設計進行了優(yōu)化，重點針對大型建構筑物的布置方案進行了研究，其中一項重要措施就是采用了“兩機一塔”的方案，即改變常規(guī)兩臺300 MW機組各配 1座5500 m2水塔的方案，采用兩臺機組合用 1座9000 m2的逆流式自然通風冷卻塔。

1 “兩機一塔”方案的確定

1.1 總平面布置問題

工程建設場地有以下幾個特點：一是就地形地貌而言，場地呈不規(guī)則形，北面狹長，南面寬闊，占地面積較小；二是受歷史上戰(zhàn)備電廠選址思路的影響，工程建設可利用的較為平整的場地處于低洼處，與四周形成較大高差，平均在10m以上，最大高達20m；三是場地外圍地面附著物較多，并多為私營企業(yè)，存在拆遷難度大、成本高的問題。如果本期工程突破了現(xiàn)有場地范圍，將由此增加較大的征地、拆遷費用以及土石方工程量。

1.2 兩座水塔方案

2臺300 MW機組供水系統(tǒng)的標準配置是每臺機組各配1座 5500 m2的逆流式自然通風冷卻塔，單塔塔底直徑為97.24 m，進風口高7.728 m，進風口下邊緣塔筒內(nèi)壁半徑42.8 m。根據(jù)GB/T50102-2003《工業(yè)循環(huán)水冷卻設計規(guī)范》對間距的要求：兩塔之間凈距不小于進風口下邊緣的塔筒半徑，塔與其它建筑物的凈距不小于塔進風口高度的 2倍，兩塔實際占地面積達25800 m2。電廠和設計院本著“增容不增地”的總平面布置原則對兩座水塔的布置方案進行了多次優(yōu)化，主要情況如表1。

從以上情況來看，布置兩座5500 m2水塔的方案均需新征地且增加了廠區(qū)土石方量，同時還需要拆遷部分企業(yè)。雖然方案三充分利用土地的不規(guī)則形狀來布置水塔，征地數(shù)量、新增土石方量和拆遷企業(yè)數(shù)量都較少，但分散布置水塔使供水系統(tǒng)管線增加，循環(huán)水泵房需要分開布置成兩個，同時擠占了如化學水處理等其它區(qū)域的有利位置，給整個工程的工藝布置和施工場地安排帶來了困難。

1.3 單塔布置方案

由于場地條件所限，布置兩座5500 m2的水塔勢必會新增用地，根據(jù)現(xiàn)場實際情況并借鑒其他項目經(jīng)驗，提出了兩臺機組合用一座9000 m2水塔替代常規(guī)兩座5500 m2水塔的方案，盡量利用地形特點布置，減少占地。設計院對“兩機一塔”方案進行了專題研究，從冷卻效果、投資及運行維護等方面分析對比了2臺機合用1座逆流式自然通風冷卻塔、兩臺機合用1座橫流式自然通風冷卻塔、1臺機配1座瘦高型逆流式自然通風冷卻塔以及機力通風冷卻塔等諸多方案，最終確定采用 1座9000 m2的逆流式自然通風冷卻塔布置方案。該水塔布置在廠區(qū)西側，水塔底部環(huán)基外側直徑128.252 m，進風口高度10.334 m，滿足間距要求后的實際占地面積是22590 m2。實現(xiàn)了工程建設“增容不增地”的目標。

表1 常規(guī)兩機配兩塔布置方案所帶來的問題

1.4 “兩機一塔”與常規(guī)塔主要構造特點

2臺機組配1座 9000 m2逆流式雙曲線自然通風冷卻塔，相當于600 MW機組的1個單塔，從水工結構角度來看，是常規(guī)設計。對比300 MW所配的5500 m2常規(guī)冷卻塔，兩種塔結構與工藝的主要差異情況如表2。

2 配水系統(tǒng)解決的主要問題

2.1 國內(nèi)同類型技術存在的主要問題

“兩機一塔”技術在國內(nèi)135 MW機組上曾經(jīng)有過應用，其結構特點是在冷卻塔的中央豎井和集水池內(nèi)設隔墻，每臺機組各用半座冷卻塔。在2臺機都正常運行時完全能夠滿足機組的要求。但是，當1臺機停機檢修時需要停運半邊冷卻塔，夏季容易造成冷空氣短路降低冷卻塔冷卻效果，冬季容易產(chǎn)生冷卻塔掛冰現(xiàn)象造成冷卻塔基礎受力不均勻。使用此技術的電廠在一次半塔停運檢修、半塔運行時出現(xiàn)過冷空氣短路現(xiàn)象，造成冷卻塔運行側逆流不能形成。該電廠采取了只運行1臺循環(huán)水泵的措施，情況得以好轉，但導致機組降負荷約3%。

表2 9000m2與5500m2逆流式自然通風冷卻塔數(shù)據(jù)對比表

2.2 在配水方面的改進

在300 MW機組上應用“兩機一塔”技術國內(nèi)尚屬首例，借鑒了國內(nèi)目前“兩機一塔”技術應用的經(jīng)驗，在配水方面采用了內(nèi)外圍配水方式。內(nèi)外圍配水方式是廣泛應用于北方地區(qū)自然通風冷卻塔防止冬季結冰的一項成熟技術。為有效防止半塔運行時的空氣短路現(xiàn)象，在配水工藝方面取消了在塔內(nèi)設隔墻進行物理隔斷的做法，改為通過啟閉機調(diào)整內(nèi)外圍配水來調(diào)節(jié)機組運行所需的冷卻水量。采用這種配水方式可避免冷卻塔半塔運行時出現(xiàn)的冷空氣短路情況，同時啟閉機可采用間隔開啟的方式，避免在冷卻塔停止外圍配水只采用內(nèi)圍配水時，造成冷卻塔冷卻效果下降。

為適應單機運行時水塔運行工況的調(diào)整，“兩機一塔”技術還在內(nèi)外圍配水比例上進行了較大調(diào)整。從表2中可以看出，與常規(guī)兩機配兩塔的方案相比，兩機合用一塔，水塔的內(nèi)圍淋水面積占淋水總面積的百分比從38.1%降低到29%。這一比例的調(diào)整，主要是為了實現(xiàn)水塔單機的配水功能。發(fā)電機組的循環(huán)冷卻水量與汽輪機排汽量密切相關，而汽輪機排汽量受季節(jié)、機組負荷、供熱等因素影響變化較大。300 MW機組夏季循環(huán)水量較大，約為33000 m3/h；冬季循環(huán)水量較小，約為20000m3/h。常規(guī)兩機配兩塔，冷卻塔在夏季為全塔配水；在冬季循環(huán)水量偏小的情況下，為防止結冰，一般會關閉冷卻塔內(nèi)圍配水，只使用外圍配水。為保證淋水密度和速度相對均衡，內(nèi)外圍淋水面積配置比例與冬夏季循環(huán)水量的比例大體一致，內(nèi)圍淋水面積約占總淋水面積的40%［1］。對“兩機一塔”而言，冬季2臺機組運行與兩機配兩塔的配水方式一樣。比較特殊的是冬季單機運行的情況，如果把1臺機組運行的循環(huán)水量再放到較大的外圍淋水面積上去，勢必會造成淋水密度減小、速度降低、淋水面覆蓋不全等情況，很容易結冰。因此，“兩機一塔”冬季單機運行時，配水調(diào)到內(nèi)區(qū)。為保證淋水密度和速度，內(nèi)圍淋水面積配置比例大體等同于冬季1臺循環(huán)水量與夏季兩臺機組循環(huán)水量的比例，即內(nèi)圍淋水面積約占總淋水面積的30%。循環(huán)水系統(tǒng)設有旁通管，可以通過調(diào)節(jié)旁通閥的開度調(diào)整上塔水量，保持配水干管內(nèi)的水流速度在1～1.5m/s的范圍內(nèi)。

3 內(nèi)外圍配水及工況調(diào)整

3.1 內(nèi)外圍配水布置

2臺機組合用1座9000 m2冷卻塔，冷卻塔配水區(qū)域設內(nèi)、外兩區(qū)，通過啟閉機封閉內(nèi)圍配水槽或外圍配水槽來實現(xiàn)水塔的內(nèi)、外兩區(qū)配水、淋水，保證1臺機組停運或檢修時，另1臺機組能夠正常運行，不受影響。

配水槽為鋼筋混凝土結構，單條長50.15 m，共4條，呈“十”字型交叉匯集到中央豎井內(nèi)。配水槽可分為前后兩部分，前部從中央豎井外壁連接處至配水槽22.5 m處，其特點是雙層結構，中間有隔層上、下分隔成內(nèi)、外圍配水槽；后部是從配水槽22.5 m處直到末端50.15 m處，其特點是單層結構，并通過一段30°的傾斜段向下與前部下層的外圍配水槽相接，形成一條整體貫通的外圍配水槽。

位于配水槽前部上層的內(nèi)圍配水槽長22.5 m，內(nèi)截面為1.5 m×1.5 m，布置在塔內(nèi)12.8～14.5 m標高范圍內(nèi)。每條內(nèi)圍配水槽單側每隔2 m均布配水管12套，管徑355 mm，加上另一側頭部布置的一條配水管，全塔共52套。內(nèi)區(qū)面積為53 m×53 m，淋水凈面積2614.2m2，占凈淋水總面積的29%。

外圍配水槽長50.15 m，內(nèi)截面為1.5 m×2.5 m。位于前部下層的外圍配水槽布置在塔內(nèi)10.1～12.8 m標高范圍內(nèi)；位于后部的外圍配水槽布置在塔內(nèi)11.8～14.5m標高范圍內(nèi)。外圍配水槽的前后部通過一段30°的傾斜段連接貫通成一體。外圍配水又分為兩區(qū)，外圍一區(qū)配水管管徑400 mm，隔2 m均布配水管8套，全塔共64套；外圍二區(qū)配水管管徑355mm，隔2m均布配水管6套，全塔共48套。外圍淋水凈面積6405.8m2，占凈淋水總面積的71%。

連接在內(nèi)外圍配水槽上的配水管中心均布置于標高14m處。配水管為PVC薄壁塑料管，采用承插接口連接方式。噴頭采用XPH旋流式噴頭，材質為ABS工程塑料。噴頭直徑內(nèi)區(qū)采用36mm，外區(qū)分別采用 38mm、40mm。

3.2 配水調(diào)節(jié)與運行工況

循環(huán)水泵的配置。為增加循環(huán)水系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性，使各工況調(diào)整時能夠在滿足冷卻效果的基礎上節(jié)省用電，每臺機組配2臺各占50%夏季循環(huán)水量的立式斜流循環(huán)水泵，其中1臺泵配雙速電機。循環(huán)水泵的主要技術參數(shù)見表3。

機組投運時的配水。每臺機組2臺循環(huán)水泵相繼開啟，冷卻塔豎井水位上升。循環(huán)水先進入配水槽下部的外圍配水槽。隨著水量增多，豎井水位上升到超過配水槽上部內(nèi)圍配水槽底標高12.8 m后，內(nèi)圍配水槽開始進水。當配水槽內(nèi)水位高于配水管標高14 m后，配水管開始出流，豎井水位會逐漸穩(wěn)定在某一標高［2］。

表3 循環(huán)水泵主要技術參數(shù)表

不同季節(jié)條件下的配水調(diào)整原則。春秋季工況為每臺機組1臺定速循環(huán)水泵加1臺雙速循環(huán)水泵低速運行，全塔配水。進入冬季，為避免冷卻塔結冰，冬季工況為每臺機組1臺定速循環(huán)水泵運行或1臺雙速循環(huán)水泵高速運行，全塔配水轉入外圍配水運行，可操作啟閉機關閉內(nèi)圍配水槽閘門，此時內(nèi)圍配水管不再出水。當電廠在冬季投運1臺機組時，可關閉冷卻塔外圍配水槽閘門，開啟1臺定速循環(huán)水泵或1臺雙速循環(huán)水泵高速運行，同時開啟冷卻塔旁通管，以避免冬季循環(huán)水溫過低。冬季過后進入春季，要求全塔配水。此時可將每臺機組停運的循環(huán)水泵開啟。每臺機組1臺定速循環(huán)水泵加1臺雙速循環(huán)水泵低速運行。循環(huán)水泵開啟后，水量增大，開啟內(nèi)圍配水槽閘門，水位超過12.8 m后內(nèi)圍配水槽進水，當升至配水管標高14 m后，內(nèi)圍配水管開始出流，形成全塔配水。進入夏季，每臺機組1臺定速循環(huán)水泵加1臺雙速循環(huán)水泵高速運行，全塔配水［3］。

冷卻塔檢修時的配水調(diào)整。檢修冷卻塔內(nèi)區(qū)時，可操作啟閉機封閉冷卻塔豎井中內(nèi)圍配水槽，內(nèi)圍配水槽停運，水通過外圍配水槽配水；檢修冷卻塔外區(qū)時，可操作啟閉機封閉外圍配水槽，外圍配水槽停運，水通過內(nèi)圍配水槽配水，短時間內(nèi)不影響機組的運行。

3.3 水塔運行工況調(diào)整

“兩機一塔”的配水與季節(jié)、機組停運及運行工況等情況密切相關。針對不同季節(jié)條件，水塔的內(nèi)外圍配水和循環(huán)水泵的運行方式均需要做相應的調(diào)整，以達到滿足機組運行所需的冷卻效果。運行中何時切換配水系統(tǒng)，應根據(jù)運行實踐和運行條件確定，一般以出水溫度不低于10～15℃為原則。

機組2009年底雙投后，冬季單機運行時曾出現(xiàn)過水塔大面積掛冰的情況。這種情況的產(chǎn)生除了天氣異常寒冷的因素外，與當時水塔的配水也有一定的關系。冬季單機運行時，循環(huán)水上塔水量與其它季節(jié)相比減少較多。根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)在冬季工況下的配水原則，應關閉水塔外圍配水，啟動1臺定速循環(huán)水泵或1臺雙速循環(huán)水泵高速運行。冬季單機運行時，循環(huán)水量大約是夏季兩機運行的30%。如果還是采用全塔配水方式，循環(huán)水量不足以分配到全部配水管上，勢必造成淋水密度和速度的降低。特別是水塔周圈的外二區(qū)淋水水量不足，配水不穩(wěn)定，造成間歇有水或流速極低，遇到溫度較低的進塔冷風，很容易結冰。結冰后淋水速度會更慢，導致惡性循環(huán)，結冰面蔓延，形成大面積掛冰的情況。這種情況的出現(xiàn)，一方面，會造成水塔進風狀況惡化，逆流風量不均勻，降低冷卻效果；另一方面，大面積掛冰增加了風筒、淋水構架、人字柱和塔基的荷載，造成塔體受力不均勻，給水塔的安全穩(wěn)定運行帶來威脅。

冬季2臺機組運行時，設計要求每臺機開1臺定速循環(huán)水泵或1臺雙速循環(huán)水泵高速運行，關閉內(nèi)圍配水，只開啟外圍配水。通過計算，在這種運行方式下，外圍配水干管截面流速約為0.8 m/s，流速較低，在冬季嚴寒時段容易結冰。因此，在嚴寒時段的運行方式上可考慮再開1臺雙速循環(huán)水泵低速運行，這樣能使外圍配水干管截面流速提高到1.15 m/s，有利于防止水塔結冰。

4 “兩機一塔”的優(yōu)勢及問題

4.1 優(yōu)勢

“兩機一塔”方案節(jié)省了占地、投資，實現(xiàn)了“增容不增地”的目標?！皟蓹C一塔”方案與常規(guī)布置2臺5500 m2逆流式自然通風冷卻塔相比，建設期投資可節(jié)省3154萬元，運行期每年可節(jié)省12萬元，機組單位容量占地面積僅為0.26m2/kW，比標準值0.38 m2/kW降低31.6%。

“兩機一塔”方案增加了水塔抽力，提高了循環(huán)水系統(tǒng)冷卻效率。逆流式自然通風冷卻塔的抽力與淋水填料中部到塔項的高度差He和進出水塔的濕空氣密度差成正比。9000 m2自然通風冷卻塔的He為138.2 m，常規(guī)5500 m2自然通風冷卻塔的He為105.6 m。單就結構而言，“兩機一塔”方案的水塔抽力要比常規(guī)方案提高31%，有利于循環(huán)水系統(tǒng)保持較好的循環(huán)冷卻效果。

4.2 存在的問題

冷卻塔上水高度較高，增大了循環(huán)水泵的耗電量。兩臺機組合用1座水塔，水塔的淋水面積和進風量都增加了近1倍，相應抬高了進風口高度，進水口高度也隨之提高。9000 m2水塔的配水管標高達到了14 m，而300 MW機組常規(guī)5500 m2水塔的配水管標高為10.648 m。另外，兩機一塔合用1條回水管，也增加了壓阻。這些因素均增大了循環(huán)水泵的揚程，從而增加了耗電量。工程所配循環(huán)水泵的功率達到1900 kW，而300 MW機組常規(guī)兩機兩塔所配的循環(huán)水泵功率一般為1400 kW。

水塔檢修時，工作環(huán)境較差。水塔檢修時，通過切換內(nèi)外圍配水來停運工作面淋水。由于水塔風筒為一個整體，不能從根本上防止筒壁范圍內(nèi)的水汽彌散。因此，遇有檢修時，工作人員需要穿防水服作業(yè)，工作環(huán)境較差。

水塔徹底清淤受到限制。水塔集水池作為一個整體，結構上未進行分隔。水塔淤泥通過布置在水塔底部的排泥槽排除。排泥槽長112 m，寬度500 mm，深度為140～700 mm，布置在水塔底板以下。整個水塔底板從兩側以0.5%的斜度向排泥槽傾斜，排泥槽自身也以0.5%的斜度由北向南傾斜，并通過預埋在水塔南側的排泥管和排泥閥排至塔外。由于實際運行中，兩臺機組同時長時間停運的機率較少，兩機合用1座水塔的清淤工作，不可能像常規(guī)兩機配兩塔那樣，單機停運、單塔放水后徹底清理，只能依靠加強定期的排泥操作來維持水塔的清潔。建議設計院在今后的類似設計中，考慮設置機械清淤的方案。

5 結語

“兩機一塔”是華能白楊河電廠根據(jù)四期工程場地狹小的特點，并融合水塔內(nèi)外圍配水技術而進行的一次技術創(chuàng)新。采用這種技術有效地解決了工程總平面布置的困難，從工程的各方面權衡，利大于弊。對于“兩機一塔”技術，需要在今后的運行實踐中總結經(jīng)驗，加強對比分析，改進存在的問題，進一步優(yōu)化設計，使之更加完善。

［1］趙振國.冷卻塔［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［2］史佑吉.冷卻塔運行與試驗［M］.北京：水利電力出版社，1990.

［3］曾建柱.虹吸式豎井配水冷卻塔設計、施工、運行中的問題與對策［J］.電力建設，2007，28（1）:49－50.