高位收水排煙冷卻塔經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)特點(diǎn)分析

吳剛

（華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

高位收水排煙冷卻塔經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)特點(diǎn)分析

吳剛

（華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

冷卻水的冷卻過(guò)程是電力生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前我國(guó)普遍使用冷卻塔來(lái)實(shí)現(xiàn)水冷卻，冷卻塔的冷卻性能直接關(guān)系電站的經(jīng)濟(jì)性、安全性及穩(wěn)定性。本文結(jié)合電廠的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)哈蒙公司在世界范圍內(nèi)首次提出的高位收水排煙冷卻塔的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)特點(diǎn)以及其所采用設(shè)備的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，旨在為新型冷卻塔的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

冷卻塔；經(jīng)濟(jì)性；技術(shù)特點(diǎn)

1 研究背景

火電廠在生產(chǎn)電能的同時(shí)會(huì)排放出大量的熱量，生產(chǎn)過(guò)程中需要大量的水或者空氣來(lái)對(duì)這些熱量進(jìn)行冷卻，冷卻塔就是通過(guò)空氣或水之間的傳熱、傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)水冷卻的關(guān)鍵設(shè)備［1］。冷卻塔在我國(guó)火電廠的應(yīng)用廣泛，其冷卻性能直接關(guān)系電廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。近十年來(lái)，我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展迅速，冷卻塔的直徑和高度不斷增加，冷卻塔已成為我國(guó)火力發(fā)電廠中單體體量最大的構(gòu)筑物；同時(shí)，火電機(jī)組也呈現(xiàn)出向大容量、高參數(shù)、低排放方向發(fā)展的新趨勢(shì)［2］。因此，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定運(yùn)行并且節(jié)能、環(huán)保的大型冷卻塔具有極其重要的理論意義和工程價(jià)值。

哈蒙公司作為冷卻塔行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，一直致力于冷卻塔技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新。在過(guò)去30年間，哈蒙開發(fā)先進(jìn)的冷卻塔設(shè)計(jì)理念、高效的換熱產(chǎn)品以及新型的節(jié)能環(huán)保冷卻塔為發(fā)電站業(yè)主帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為整個(gè)冷卻塔行業(yè)注入了新的活力。本文結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)哈蒙公司提出的高位收水排煙冷卻塔的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)特點(diǎn)以及其所采用設(shè)備的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)分析。高位收水排煙冷卻塔是將煙塔合一與高位收水兩項(xiàng)技術(shù)同時(shí)運(yùn)用于冷卻塔的設(shè)計(jì)之中，這在世界范圍尚屬首例，但技術(shù)準(zhǔn)備是充足的，材料設(shè)備都已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)際工程的驗(yàn)證。通過(guò)整體設(shè)計(jì)優(yōu)化、成熟可靠的設(shè)備制造、可靠產(chǎn)品質(zhì)量，使電站的總體投資得到優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組性能的提升，為我國(guó)新型冷卻塔的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

2 電廠運(yùn)行實(shí)例

2.1 平山電廠運(yùn)行實(shí)例

安徽淮北平山電廠一期工程建設(shè)2×660MW超超臨界發(fā)電機(jī)組，規(guī)劃建設(shè)容量4×660MW。工程采用擴(kuò)大單元制、帶逆流式自然通風(fēng)排煙冷卻塔（以下簡(jiǎn)稱“排煙冷卻塔”）的循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)，冷卻塔同時(shí)排放脫硝、脫硫后的煙氣。每臺(tái)機(jī)組配一座的排煙冷卻塔，本期共建設(shè)2座排煙冷卻塔。主機(jī)配置情況：凝汽器面積為37 000m2循環(huán)水冷卻倍率60倍，循環(huán)水量為20.39m3/s。年平均氣象條件：年平均氣溫14.5℃，大氣壓1 013.0hPa，相對(duì)濕度70%，冷卻塔出水溫度要求不高于20.8℃時(shí)，汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓為4.8kPa。哈蒙公司通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用高效耐結(jié)污結(jié)垢填料并采用懸吊技術(shù)，使冷卻塔淋水面積優(yōu)化到7 800m2，兩座塔土建及防腐造價(jià)節(jié)省超過(guò)1 500萬(wàn)人民幣。

2.2 安慶電廠運(yùn)行實(shí)例

安慶電廠位于在安慶郊區(qū)廣濟(jì)圩內(nèi)，一期工程2× 300MW已經(jīng)建成投產(chǎn)，二期工程擬建設(shè)2×1 000MW超超臨界濕冷機(jī)組，同步建設(shè)煙氣脫硫裝置和脫硝裝置。于2012年12月8日正式開工，2014年12月8日#3機(jī)投產(chǎn)，2015年02月8日#4機(jī)投產(chǎn)。循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻倍率3-11月為60，其他時(shí)間為45倍，另外每臺(tái)機(jī)組的輔機(jī)水量約3 400m3/h，據(jù)此可計(jì)算得TMCR工況下3-11月循環(huán)水量為29.05m3/s，其他為22.03m3/s。溫度條件為：年平均氣溫16.5℃，大氣壓1 014.0hPa，相對(duì)濕度76%，冷卻塔出水溫度要求不高于21.0℃時(shí)，汽輪機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓為4.89kPa。

安慶項(xiàng)目作為第一批采用哈蒙高位收水冷卻塔技術(shù)的工程項(xiàng)目，目前已經(jīng)成功投運(yùn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足業(yè)主要求。哈蒙公司在安慶項(xiàng)目后，積極實(shí)施在國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)優(yōu)化，降低高位塔設(shè)備制造成本和管理成本，在后續(xù)項(xiàng)目中可以使設(shè)備部分成本降低約8%，進(jìn)一步提高了高位塔的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 廬江項(xiàng)目實(shí)例

廬江項(xiàng)目和平山項(xiàng)目同在安徽省境內(nèi)，氣象條件、機(jī)組規(guī)模都較為接近。廬江項(xiàng)目對(duì)于機(jī)組背壓要求較平山項(xiàng)目更高，淋水面積會(huì)超過(guò)8 000m2，初步考慮配置冷卻塔淋水面積約為8 300m2，冷卻塔高度175m。實(shí)施高位煙塔方案，兩座塔的總體投資（包括土建、塔芯設(shè)備、冷卻塔防腐以及塔內(nèi)玻璃鋼煙道等）約為23 000萬(wàn)元。

如果冷卻塔淋水面積加大到9 500m2，冷卻塔高度升高到185m，冷卻塔投資會(huì)加大，但是冷卻塔能力會(huì)有明顯提升，出塔水溫可以下降1℃，降低到20℃以下，背壓可下降約0.3kPa，有助于機(jī)組提升出力、降低煤耗?？傮w投資增加約3 000萬(wàn)元（包括土建投資增加、煙塔防腐材料和施工的增加、塔內(nèi)煙道和塔芯設(shè)備的增加等）達(dá)到26 000萬(wàn)元；單純從煤耗節(jié)省角度考慮，兩個(gè)方案相比每年節(jié)煤成本約為200萬(wàn)元，而如果同時(shí)考慮出力增加和部分節(jié)煤效果，粗略估計(jì)收益可超過(guò)300萬(wàn)人民幣。這樣比較，增加的投資回收期大約在10～15年。

以上經(jīng)濟(jì)分析比較粗略，對(duì)于相關(guān)的投資預(yù)算和收益比較還需要進(jìn)一步細(xì)化?？傮w上講，方案一從優(yōu)化初投資角度來(lái)看是理想的選擇，而方案二則能為業(yè)主帶來(lái)長(zhǎng)期收益，因此進(jìn)一步的論證和優(yōu)化還是非常有必要的。

3 高位收水排煙冷卻塔的技術(shù)特點(diǎn)

哈蒙公司通過(guò)長(zhǎng)期的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的高位收水排煙冷卻塔性能得到整體優(yōu)化，具體細(xì)節(jié)如下。

①采用的8×8m柱間距降低了空氣阻力，提高換熱效果，同時(shí)也簡(jiǎn)化了土建工作；塔內(nèi)豎井設(shè)計(jì)降低空氣阻力，減小對(duì)空氣的阻礙作用［3］。

②在塔內(nèi)半徑位置上設(shè)置混凝土擋風(fēng)墻，自進(jìn)風(fēng)口至塔中心、水面至填料下方，有效調(diào)整塔內(nèi)空氣分配狀況；塔內(nèi)只有一層水泥梁設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化塔內(nèi)結(jié)構(gòu)，降低空氣阻力，提高換熱能力；符合空氣動(dòng)力學(xué)的下環(huán)梁和人字柱設(shè)計(jì)，優(yōu)化空氣阻力（如圖1所示）。

圖1 氣流方向示意圖

③采用高效換熱填料并且填料全部懸吊，換熱面積完全沒有被阻擋；自動(dòng)的溢流旁通設(shè)計(jì)不需要安裝閥門和多孔管，同時(shí)溢流旁通設(shè)計(jì)可以允許在不規(guī)則的水流量狀況下，在配水槽中保持相同的水平面，優(yōu)化、穩(wěn)定配水效果。

④中央豎井管的進(jìn)水口在水池底下，避免了由于水池底部的阻礙物而造成的水流波動(dòng)；冷卻塔出水口前設(shè)置了清淤池，有效將淤泥積存于固定位置，方便清淤工作；冷卻分區(qū)設(shè)計(jì)使機(jī)組調(diào)節(jié)靈活，有效避免冬季運(yùn)行中結(jié)冰現(xiàn)象，保障機(jī)組安全運(yùn)行。

4 高位收水排煙冷卻塔的設(shè)備優(yōu)勢(shì)

4.1 懸吊式設(shè)計(jì)

近年來(lái)，在電站大型冷卻塔中，哈蒙換熱填料總是采用懸吊形式（如圖2所示）。這樣就可以在冷卻塔內(nèi)部，配水管道和淋水區(qū)域上方只布置一層梁網(wǎng)。取消了填料下方的支撐梁，對(duì)水流、空氣沒有任何阻擋，提高了整體的性能。

圖2 懸吊式裝置示意圖

相對(duì)于通用的擱置布置，懸吊布置有以下幾點(diǎn)顯著的優(yōu)勢(shì)：①換熱效率高，對(duì)于相同尺寸的冷卻塔出水溫度更低；塔內(nèi)通風(fēng)區(qū)域可高達(dá)90%；降低阻風(fēng)面積約為11%；②有限降低塔內(nèi)空氣阻力，最大程度降低冷卻塔出水溫度；降低水泵揚(yáng)程，廠用電消耗更低；③塔內(nèi)只有一層混凝土梁，塔內(nèi)支柱布置采用大間距布置；塔內(nèi)混凝土用量少節(jié)約投資而且施工進(jìn)度更快。

4.2 塔芯設(shè)備優(yōu)勢(shì)

哈蒙公司堅(jiān)持在其自己的工廠（法國(guó)、印度或中國(guó)）中生產(chǎn)主要的熱力設(shè)備已經(jīng)有30多年。通過(guò)高水平的生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，提供性能優(yōu)越、可靠、耐用的產(chǎn)品。保證設(shè)備有較長(zhǎng)的使用壽命，這也是哈蒙公司的產(chǎn)品備受核電公司的青睞的原因。

4.2.1 換熱填料。哈蒙的填料開發(fā)，長(zhǎng)期以來(lái)不但注重改善其換熱性能，更兼顧了產(chǎn)品的耐用性和對(duì)不同條件的適用性。依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同、水質(zhì)不同選取最為適合的填料種類，以確保設(shè)備使用不會(huì)有污臟和結(jié)垢問題出現(xiàn)。為此，哈蒙公司推出了一系列的產(chǎn)品（如圖3所示）。

圖3 換熱填料系列產(chǎn)品圖

在本項(xiàng)目上的海水水質(zhì)，哈蒙依據(jù)其水質(zhì)情況推薦是CleanFlow+TM填料。這種填料形式有非常好的通過(guò)性，在最大程度上優(yōu)化了換熱性能，同時(shí)盡可能降低結(jié)污、結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，以達(dá)到更長(zhǎng)的使用壽命［4］。通過(guò)“非接觸式”設(shè)計(jì)，熱水在填料片表面均勻分布，經(jīng)過(guò)特定波紋加強(qiáng)了水團(tuán)的旋轉(zhuǎn)和與空氣的接觸，而不會(huì)積存任何臟污固體。與早期的復(fù)合波填料相比，CleanFlow+TM填料的臟污率僅為其49%?？砷L(zhǎng)期在懸浮物濃度80mg/kg的循環(huán)水中工作，短時(shí)懸浮物濃度接受度可達(dá)到100mg/kg。哈蒙提供的優(yōu)質(zhì)的填料，有非常好的機(jī)械性能，正常條件下其使用壽命可以超過(guò)20a，節(jié)約后期維護(hù)成本，并能降低運(yùn)行中因填料質(zhì)量而造成的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.2 配水與噴頭。通過(guò)間距均勻排布的配水管道網(wǎng)絡(luò)，合理的配水設(shè)計(jì)，可以使熱水被均勻地分布在其下方的填料上。通過(guò)配水槽上部的開口給這些管道供水，這樣循環(huán)水中的淤泥將沉淀在布水槽底部而不會(huì)被帶到管道中造成堵塞（如圖4所示）。

圖4 噴頭和噴水設(shè)施

在管道的下部都留有預(yù)鉆孔，并裝有處理過(guò)的塑料卡盤用來(lái)安裝噴頭和濺水盤。每套噴頭和濺水盤都可以根據(jù)需要單獨(dú)拆下，有非常好的可互換性。在每列管子的段頭都安有防水沖擊的端蓋。向下的配水過(guò)程事實(shí)上是一種自清洗的過(guò)程，通常不需要額外的維護(hù)。碰頭的直徑也可以有效避免凝汽器通球造成阻塞［5］。碰頭的下濺水盤除了采用PP材料以外，還加入纖維材料增加其強(qiáng)度和韌性，確保可以使用20a。

4.2.3 除水器。放置單層除水器以有效降低漂滴造成的水損失。除水器包括預(yù)組裝的PVC波紋板和聚丙烯定距器（45mm），由防銹夾具固定（見圖5）。除水器放置在水泥梁上，可以方便拆卸，以進(jìn)入查看布水管道。板片厚度1.2mm，確保20a使用壽命。

圖5 除水器實(shí)物圖

45mm間距的除水器可滿足技術(shù)規(guī)范中漂滴損失的要求（0.01%）。但當(dāng)項(xiàng)目處于較干旱地區(qū)、用水相對(duì)緊張時(shí)，如果有更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，可采用哈蒙Wave25的除水器，可將漂滴損失縮小一個(gè)量級(jí)達(dá)到0.001%。

4.2.4 高位收水裝置。對(duì)于蒸發(fā)式冷卻塔的一項(xiàng)主要選擇因素是水泵揚(yáng)程。實(shí)際上，閉式循環(huán)自然通風(fēng)冷卻塔大約有近70%的運(yùn)行費(fèi)用來(lái)自泵的消耗，這需要同投資成本一起進(jìn)行優(yōu)化。高位收水裝置可以使循環(huán)水維持較高的勢(shì)能；另一項(xiàng)顯著的優(yōu)點(diǎn)是沒有雨區(qū)降雨噪聲（噪聲水平可以降低大約8～10dB）在自然通風(fēng)冷卻塔中降雨是主要的噪聲來(lái)源［6］。由于使用高位收水裝置，可以使降雨基本全部消除。這保證了對(duì)環(huán)境只造成非常小的噪聲影響，也因此不再需要額外的減噪裝置（如空氣進(jìn)口處的隔板、冷水水池處的斜板或圍繞冷卻塔的隔音墻）。高位收水裝置仿真模型見圖6。

圖6 高位收水裝置仿真模型

①更好的配風(fēng)和對(duì)換熱的控制。為了降低空氣阻力和內(nèi)部水側(cè)阻力，高位收水裝置的形狀經(jīng)過(guò)了哈蒙公司特別的研究和設(shè)計(jì)。取消了雨區(qū)之后，冷空氣可以自由地到達(dá)冷卻塔中心不被阻擋，并不被加熱（在常規(guī)的降雨式的冷卻塔中會(huì)發(fā)生），特別是對(duì)于超大型冷卻塔，高位收水裝置具有良好的換熱功能。

②降低了軍團(tuán)菌風(fēng)險(xiǎn)（沒有與冷卻水接觸或接近）。在空氣進(jìn)口處沒有水濺出。避免了降雨加強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)時(shí)水的濺出。此外，收水裝置上裝有防濺出材料。這種材料裝在收水裝置的斜板上，水滴在防濺出材料上被收集防止了水滴的濺出。同時(shí)，這種材料也防止了水滴撞擊斜板產(chǎn)生的噪音。

③干水池。在冷卻塔底部沒有冷卻水水池，所以池子是干燥的，這使得可以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)入塔內(nèi)對(duì)水泥支柱進(jìn)行肉眼檢查。與傳統(tǒng)的“降雨式”冷卻塔不同，高位收水塔不需要深的泵坑。出水借口得到簡(jiǎn)化。每個(gè)收水裝置由PVC斜板開始，之后水流入FRP水槽中。需要注意的是，收水裝置被設(shè)計(jì)為沒有任何中間支撐的自支撐結(jié)構(gòu)。在許多由良好的操作員運(yùn)行的自然通風(fēng)冷卻塔中，高位收水裝置已經(jīng)運(yùn)行30多年，沒有任何問題。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)能源發(fā)展策略的調(diào)整，高效環(huán)保、節(jié)能減排已經(jīng)成為發(fā)電行業(yè)的新趨勢(shì)，高參數(shù)大容量的機(jī)組將成為能源行業(yè)的主要發(fā)展方向，本文所介紹的高位收水排煙冷卻塔符合節(jié)能環(huán)保的要求，其技術(shù)成熟可靠，材料設(shè)備通過(guò)了實(shí)際工程的驗(yàn)證，這項(xiàng)創(chuàng)新舉措為我國(guó)新型冷卻塔的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，同時(shí)也將使電廠的綜合性能以及環(huán)保指標(biāo)再創(chuàng)新高。

［1］張曉東，王清照.側(cè)風(fēng)對(duì)自然通風(fēng)空冷塔冷卻性能的影響［J］.中國(guó)電力，1999（6）：34-36.

［2］劉明.自然通風(fēng)濕式冷卻塔配水特性及氣動(dòng)特性的數(shù)值分析［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2004.

［3］趙振國(guó).冷卻塔［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

［4］李秀云，林萬(wàn)超.冷卻塔的節(jié)能潛力分析［J］.中國(guó)電力，1997（10）：34-36.

［5］趙振國(guó)，石金玲，魏慶鼎，等.自然風(fēng)對(duì)空冷塔的不利影響及其改善措施［J］.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，1998（1）：112-120.

［6］杜向東.干式冷卻塔風(fēng)影響實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京：北京大學(xué)，1996.

Research on the Economic and Technical Characteristics of High Temperature Water Absorption and Exhaust Cooling Tower

Wu Gang
（Huadian Jiangsu Energy Co.,Ltd.Jurong Power Plant，Zhenjiang Jiangsu 212000）

The cooling process of cooling water is very important in power generation industry.At present,cooling tower is widely used in our country,the performance of cooling tower has great effect on economy,stability and securi?ty of power plant.The economic performance,technical characteristics and advantages of the equipment of Harmon's first cooling tower are analyzed in detail combined with the actual operation experience in this paper.The goal of this paper is to provide technical support for the design of new cooling tower.

cooling tower；economy；technical characteristics

TK124

A

1003-5168（2017）08-0086-04

2017-07-01

吳剛（1972-），男，大專，助理工程師，研究方向：各類大型水泵的檢修與技術(shù)研究。