火電高位收水冷卻塔的控制與儀表設(shè)計(jì)

單耀生

（中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司，上海 200061）

高位收水冷卻塔的概念是由比利時(shí)的哈蒙公司提出，具有降噪、節(jié)能的特點(diǎn)。這種冷卻塔的技術(shù)較為新穎，在國(guó)內(nèi)的研究和應(yīng)用上仍處于起步階段，起初在核電站上的應(yīng)用較多。有些火電廠會(huì)考慮工程特點(diǎn)以及該類型冷卻塔節(jié)能降噪等方面的優(yōu)勢(shì)而引進(jìn)該技術(shù)。本文根據(jù)實(shí)際案例來闡述高位收水冷卻塔在火電廠應(yīng)用的設(shè)計(jì)和控制問題。

1 工藝特點(diǎn)介紹

1.1 傳統(tǒng)冷卻塔

傳統(tǒng)冷卻塔的工作過程如下：熱水由凝汽器通過豎井回流，進(jìn)入塔中的熱水分配系統(tǒng)，再分配至配水管，由管頭噴濺器灑水至填料，接著變?yōu)樗螤睿商盍系稳胂旅娴募匦纬捎陞^(qū)。為便于冷卻，集水池一般為寬淺型水池，即池面積大、深度小。待池中的水冷卻后，再重新循環(huán)利用。這種塔型的不足之處在于雨區(qū)通常為很大的高度，雨滴呈自由落體落下，由勢(shì)能變?yōu)閯?dòng)能，當(dāng)?shù)良?，能量全部損耗，這部分能量是循環(huán)泵將水輸送至高處區(qū)消耗的能量，損耗十分顯著，另外，雨滴落入集水池發(fā)出很大的噪聲，造成明顯的噪聲污染。

1.2 高位收水冷卻塔

高位收水冷卻塔的熱水分配系統(tǒng)、淋水填料過程均與傳統(tǒng)的冷卻塔類似。不同點(diǎn)是不采用集水池，也就沒有雨區(qū)。在高位處布置循環(huán)水泵，且收水裝置和集水槽均在塔內(nèi)高位裝配。這種塔型的示意圖參見圖 1。

該類型收水塔的集水裝置設(shè)計(jì)為很深的水槽，槽面小而窄。開始的工作過程類似1.1中所述，當(dāng)熱水進(jìn)過填料后，由填料下斜板及收水裝置輸送至水槽內(nèi)，冷卻后再由水泵輸送進(jìn)行循環(huán)利用。這種塔調(diào)料和集水裝置的落差很小，首先勢(shì)能的損失很小，節(jié)省了很多能耗，另外，其發(fā)出的噪聲的影響基本可以忽略。這是該塔的主要優(yōu)勢(shì)所在。

由于高位收水冷卻塔與傳統(tǒng)的普通冷卻塔在結(jié)構(gòu)上的不同，其在系統(tǒng)和儀表控制方面也有一定的差異。特別是在運(yùn)行開始階段有一定的控制難度，以下對(duì)此進(jìn)行具體分析。

圖1 高位收水冷卻塔高程示意圖

2 運(yùn)行特點(diǎn)分析

高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)水泵的配置為1 臺(tái)機(jī)組+3臺(tái)水泵，運(yùn)行方式需結(jié)合天氣情況及負(fù)荷狀況來選擇，如1機(jī)2泵、1機(jī)3泵、2機(jī)3泵、2機(jī)5泵等，如有多余的泵，則作為備用，所有水泵均可相互備用。高位收水冷卻塔與傳統(tǒng)冷卻塔相比，運(yùn)行的不同之處主要在于啟停和補(bǔ)水上。

2.1 啟停特點(diǎn)

在運(yùn)行的開始階段，循環(huán)水泵從集水槽抽水，后流入配水區(qū)域，再流回集水槽。循環(huán)泵抽水的速度大大高于配水的速度，如此集水槽的水位會(huì)迅速下降，很可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)汽蝕水泵的情況。所以，啟動(dòng)水泵前必須先對(duì)集水槽進(jìn)行充水，待水位上升至13.7 m后，依次序啟動(dòng)單泵，繼而為配水區(qū)域充水。另外，為控制水位，在配水單元配置多個(gè)電動(dòng)閥以分區(qū)配水，這也在一定程度上提高了啟動(dòng)速度。通常在運(yùn)行過程中，一般要保持水位線在集水槽較高的位置為宜。但在停泵時(shí)，需要先降低水位，否則水錘效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致水泵進(jìn)水間水波動(dòng)和大量涌水，加上水槽上不配水剩余的水會(huì)迅速溢過集水槽而泄露，造成很大的浪費(fèi)。所以，為了確保停運(yùn)時(shí)這些水量不會(huì)造成集水槽的溢流，正確的停水順序應(yīng)是先停補(bǔ)水系統(tǒng)直至進(jìn)水間水量達(dá)到一定量時(shí)，再逐臺(tái)停循環(huán)水泵。但該方案不針對(duì)事故或斷電的情況。對(duì)于事故，此種水塔集水裝置高位布置的特點(diǎn)可大大減小水泵內(nèi)水的勢(shì)能，回流力度和水量都不會(huì)太大，因此不用通過水泵倒轉(zhuǎn)來控制回水，僅需要控制閥門關(guān)閉的速度來限制進(jìn)水間的水錘壓力即可。另外，系統(tǒng)的溢流擋水墻設(shè)置也可以將溢出的水再回收利用。

2.2 補(bǔ)水特點(diǎn)

節(jié)能是高位收水冷卻塔設(shè)計(jì)的首要目的，包括2個(gè)方面：一是縮短雨區(qū)的降落高度，減小勢(shì)能損耗；二是控制溢流，減小資源浪費(fèi)。補(bǔ)水系統(tǒng)是該塔水系統(tǒng)高位置運(yùn)行的關(guān)鍵。因?yàn)橛捎诩郾韺拥拿娣e較小，水位很容易受到外界因素影響而迅速降低，如蒸發(fā)、排污、風(fēng)吹等，導(dǎo)致循環(huán)水量大幅度減少，甚至停機(jī)。對(duì)此，科學(xué)補(bǔ)水是維持其正常運(yùn)行的重點(diǎn)工作。

高位收水冷卻塔補(bǔ)水系統(tǒng)有2個(gè)來源：一個(gè)是江河水由凈水站處理，在通過變頻循環(huán)水泵運(yùn)輸送水，水泵進(jìn)水間設(shè)有活塞式流量自動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)水流，為了提高可靠性，水泵采用2+1冗余；另一個(gè)水源為工業(yè)回水。

3 循環(huán)水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用廠級(jí)分散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System），主輔控一體化控制。該控制系統(tǒng)采用局域網(wǎng)技術(shù)，圍繞以太網(wǎng)交換機(jī)冗余系統(tǒng)，在上層設(shè)計(jì)集中監(jiān)視和操作系統(tǒng)，操作員依其權(quán)限實(shí)現(xiàn)一人對(duì)全廠所有主控（單元機(jī)組控制系統(tǒng)）和輔控（輔助及公用控制系統(tǒng)）以及設(shè)備的控制。該水系統(tǒng)的運(yùn)行方式為擴(kuò)大單元制。控制系統(tǒng)根據(jù)其特性，在主控系統(tǒng)中納入機(jī)組循環(huán)水泵、泵出口液控蝶閥及其它聯(lián)動(dòng)裝置，在輔控系統(tǒng)中納入積水槽排水泵、循環(huán)水泵聯(lián)絡(luò)電動(dòng)門等輔助及公用設(shè)備。循環(huán)水系統(tǒng)采用DCS遠(yuǎn)程I/O，分別配置不同泵組系統(tǒng)的遠(yuǎn)程 I/O模件及電源模件。單元機(jī)組在泵房設(shè)置了3個(gè)獨(dú)立的機(jī)柜，裝設(shè)3套遠(yuǎn)程 I/O系統(tǒng)，并分別配備3個(gè)控制器。于1#機(jī)組1#遠(yuǎn)程 I/O機(jī)柜中裝設(shè)公用系統(tǒng)，配獨(dú)立遠(yuǎn)程 I/O模件及電源模件以及獨(dú)立控制器。輔控系統(tǒng)中的補(bǔ)水系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)變頻水泵進(jìn)水間流量自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制。機(jī)組控制系統(tǒng)及公用控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程 I/O機(jī)柜安裝于控制設(shè)備間，位于液控蝶閥層之下，由各自的專用電源柜進(jìn)行供電?？刂破鳈C(jī)柜安裝于主廠房的電子設(shè)備室內(nèi)。補(bǔ)水系統(tǒng)機(jī)柜安裝在凈水站的控制設(shè)備間。

4 儀表設(shè)計(jì)

儀表設(shè)計(jì)有以下需要注意的幾點(diǎn)。第一，為了發(fā)揮高位收水冷卻塔的最大節(jié)能效果，集水槽水位以保持在高水位為宜，通常在13.7m上下。為了更好地監(jiān)測(cè)水位，需在集水槽內(nèi)設(shè)置水位測(cè)點(diǎn)，以隨時(shí)觀察水位。另外，添加低水位（12.4m）和高水位/溢流水位（13.9m）的報(bào)警提醒達(dá)到更為人性化的設(shè)計(jì)。為了更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)水位情況，防止水位波動(dòng)的干擾，在集水槽兩側(cè)共裝有4個(gè)超聲波液位計(jì)，以其均值作為參考。第二，在冷卻塔中央豎井水裝設(shè)1套入式靜壓液位變送器，以對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。第三，對(duì)每個(gè)循環(huán)泵加入水溫測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)控每一個(gè)扇區(qū)的水溫，從水溫也可以推斷扇區(qū)開啟與否。第四，由于在氣溫<3℃時(shí)，必須先將水溫提升到常溫（25℃）后才可進(jìn)入配水程序，開始系統(tǒng)的運(yùn)行，故需設(shè)置氣溫測(cè)點(diǎn)。第五，集水槽高水位運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水泵進(jìn)水間也為高水位，這有利于循環(huán)水泵的運(yùn)行環(huán)境，為避免低液位的影響，需設(shè)置進(jìn)水間的水位測(cè)點(diǎn)，以在低水位時(shí)將水泵跳閘保護(hù)。

5 控制邏輯設(shè)計(jì)

5.1 配水方式與邏輯

配水方式為分扇區(qū)配水，一共有6個(gè)扇區(qū)，見圖2。

圖2 冷卻塔配水扇區(qū)示意圖

夏季運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)，先開啟1臺(tái)循環(huán)水泵，再開啟全部6個(gè)扇區(qū)，接著依次開啟其它水泵；冬季運(yùn)行時(shí)，先依次開啟3臺(tái)循環(huán)水泵，之后開啟扇區(qū)。如果根據(jù)需要只開1臺(tái)水泵，則搭配4、6扇區(qū)，需開2臺(tái)水泵，則搭配3～6扇區(qū)，需開所有3臺(tái)水泵，則搭配全部的6個(gè)扇區(qū)。

5.2 運(yùn)行控制邏輯與補(bǔ)水控制邏輯

圖3 冷卻塔運(yùn)行邏輯圖

冷卻塔運(yùn)行控制邏輯參見圖3。補(bǔ)水有2種邏輯方案可以選擇：第一，水位控制方案。這種控制邏輯為一簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制方式，取水泵房進(jìn)水間的水位作為反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)補(bǔ)水管的流量調(diào)節(jié)閥。由變頻補(bǔ)水泵來進(jìn)行壓力調(diào)控。該方式比較可靠，但補(bǔ)水泵變頻節(jié)能的特點(diǎn)未能很好地展現(xiàn)。第二，流量控制方案。該控制邏輯相對(duì)復(fù)雜。取水位改變速度以及冷卻系統(tǒng)表面積作為反饋信號(hào)，DCS可求得補(bǔ)水泵和調(diào)節(jié)閥的流量/頻率-開度曲線，并選取最低的頻率曲線，取該曲線的信息（頻率及開度值）作為變頻補(bǔ)水泵和流量調(diào)節(jié)閥的給定，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行校正處理。該控制邏輯方案優(yōu)勢(shì)在于調(diào)控精確，補(bǔ)水泵變頻節(jié)能優(yōu)勢(shì)充分返回。一般的DCS系統(tǒng)機(jī)組DCS和輔控DCS二者是孤立存在的，這里，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥和補(bǔ)水泵信號(hào)的孤立，這種情況只能選擇第1種方案。但本系統(tǒng)為廠級(jí)DCS，廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)將所有數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，為第2種邏輯方式提供條件。

6 結(jié)語

高位收水冷卻塔相對(duì)于傳統(tǒng)的收水冷卻塔，展現(xiàn)出優(yōu)異的節(jié)能降噪效果，在未來火力發(fā)電站的設(shè)計(jì)中具有很大的潛力。文章對(duì)這種冷卻塔的運(yùn)行特點(diǎn)、循環(huán)水控制設(shè)計(jì)、儀表設(shè)計(jì)、控制邏輯設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容進(jìn)行深入的闡述和分析。根據(jù)塔的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，點(diǎn)明設(shè)計(jì)的核心方案以及需要注意的要點(diǎn)，為該類型冷卻塔設(shè)計(jì)提供有益的參考。

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