內(nèi)陸核電超大型冷卻塔的選型及配置

王成立，張東文

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100094）

0 引言

世界上面積最大的常規(guī)冷卻塔為德國伊薩II核電1350MW機組，淋水面積16300m2，高度165m；最高的常規(guī)冷卻塔為德國Niederaubem電廠，高度200 m（淋水面積13 788 m2）。

世界上最大的高位集水冷卻塔為法國ChoozⅡ核電廠，1994年投產(chǎn)，淋水面積14 000 m2、高度180 m。

國內(nèi)最大的冷卻塔為寧海電廠13 000 m2的海水常規(guī)塔。

目前國內(nèi)的設(shè)計能力，包括計算、優(yōu)化軟件，能夠完成13 000 m2以下冷卻塔的設(shè)計；13 000 m2以上的冷卻塔，無論高位塔，還是常規(guī)塔其熱力計算、阻力計算、結(jié)構(gòu)計算等均需要進一步研究。

1 核電大塔需要解決的課題

13 000 m2以上核電大塔需要解決的課題：

1）冷卻塔的配置。每臺機組配置一座塔，還是兩座塔，從投資、運行費用、占地、施工條件等方面進行綜合比較，提出推薦建議。

2）冷卻塔的塔型。AP1000核電機組的冷卻水量大，如采用常規(guī)冷卻塔，其供水高度大，運行費用高，必須關(guān)注超大型冷卻塔運行費用高的問題，積極尋求適合核電大冷卻水量、運行費用低的先進塔型。

3）熱力計算修正。冷卻塔的直徑大，內(nèi)區(qū)冷效低，必須解決常規(guī)冷卻塔中心區(qū)域冷效低的難題。

4）配水方式。冷卻塔的配水采用單豎井、雙豎井或是多豎井，配水是否均勻，是否增加通風(fēng)阻力，都會直接影響冷卻塔的冷卻效果。

5）冷卻塔的填料高度問題。通過試驗分析、論證，提出適合核電超大型冷卻塔的填料高度。

6）超高超大、設(shè)計壽命長。AP1000核電廠設(shè)計壽命為60年，作為其重要設(shè)施的冷卻塔在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、耐久性等方面均有比常規(guī)火電冷卻塔更高的要求。

7）超大塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計還需進行風(fēng)工程 （風(fēng)振、塔群、內(nèi)吸力等）、屈曲穩(wěn)定、針對核電特點的荷載取值及荷載組合原則、耐久性等方面需進一步研究。

2 高位集水冷卻塔特點

節(jié)能。高位集水可有效利用冷卻水的位能，降低循環(huán)水泵揚程15 m以上，僅此一項，對于AP1000核電廠，兩臺機組全年可節(jié)省廠用電約1.2億kW·h，符合國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針。

高效。國內(nèi)已建成的大型常規(guī)冷卻塔空氣通過雨區(qū)，塔內(nèi)中心區(qū)域空氣量小、氣溫高、冷效差。而高位集水超大型冷卻塔無雨區(qū)，通風(fēng)阻力小，塔內(nèi)進風(fēng)比較均勻，塔內(nèi)中心區(qū)域與外圈進風(fēng)溫度一致，解決了常規(guī)超大型冷卻塔中心區(qū)域冷效低的技術(shù)難題。

低噪。冷卻塔的噪音主要為配水及雨區(qū)引起的噪音。高位集水冷卻塔從消除雨區(qū)噪聲源著手，可降低噪聲4～8 db。

3 內(nèi)陸核電冷卻塔配置方案及技術(shù)經(jīng)濟比較

3.1 內(nèi)陸核電冷卻塔配置方案

方案1：一機配一座淋水面積約18 300 m2高位集水冷卻塔。

方案2：一機配兩座淋水面積約12000m2常規(guī)塔。

方案3：一機配一座淋水面積19 300 m2常規(guī)塔。

3.2 各配置方案的技術(shù)經(jīng)濟綜合比較

方案1：一機一高位集水塔

優(yōu)點：廠用電少，系統(tǒng)總投資及年費用最低；占地最少，投資最低；世界上先進的塔型，在歐洲有成熟的設(shè)計技術(shù)和運行經(jīng)驗，安全可靠；降噪，從消除雨區(qū)主要噪聲源著手，可降低噪聲4～8 db；總平面布置上具有優(yōu)越性，節(jié)省投資，廠區(qū)布置簡潔明。

缺點：需要通過熱力、阻力、風(fēng)洞、抗震等數(shù)模、物模試驗，掌握超大型冷卻塔的設(shè)計技術(shù)。

方案2：一機兩常規(guī)塔方案

優(yōu)點：設(shè)計和施工技術(shù)成熟；檢修條件較好；防凍性能好。

缺點：占地大，廠區(qū)布置較為擁擠，增加了交通路線和相關(guān)管線的長度；系統(tǒng)、運行管理較復(fù)雜；歐洲或美國的核電廠常布置1臺或2臺機組，而我國內(nèi)陸核電站至少布置4臺機組，必須考慮環(huán)境對冷卻塔群的影響、塔群對周圍環(huán)境的影響。

方案3：一機一常規(guī)塔方案

優(yōu)點：占地較小；通過超大型冷卻塔國家重大專項課題的研究，也可解決該塔型的設(shè)計難題，可有效降低工程進度和施工的風(fēng)險；總平面布置上具有優(yōu)越性，節(jié)省投資，廠區(qū)布置簡潔明快。

缺點：需要通過熱力、阻力、風(fēng)洞、抗震等數(shù)模、物模試驗，掌握超大型冷卻塔的設(shè)計技術(shù)；系統(tǒng)總投資較一機一高位集水塔方案高，年費用高。

3.3 各配置方案的經(jīng)濟比較

3種配置方案的經(jīng)濟比較如圖1所示。

圖1 3種配置方案的經(jīng)濟比較圖

每臺機組配置1座18 300 m2高位集水冷卻塔方案的系統(tǒng)總投資最低，1座19 300 m2常規(guī)冷卻塔方案次之，2座12 000 m2方案的投資最高。

在年費用中，供水高度起著關(guān)鍵的作用，高位集水冷卻塔由于其供水高度小，節(jié)能優(yōu)勢尤其明顯。

冷卻水量越大，高位集水冷卻塔的優(yōu)勢越明顯，因此該塔型特別適用于內(nèi)陸核電超大型冷卻塔。

4 風(fēng)險分析與控制

4.1 保證冷卻塔冷卻效率

高位集水冷卻塔是哈蒙公司的專利技術(shù)，在歐洲有成熟的運行經(jīng)驗，國內(nèi)建設(shè)初期應(yīng)由哈蒙公司提供技術(shù)支持，確保內(nèi)陸核電冷卻塔的冷卻效率。

4.2 保證冷卻塔塔筒結(jié)構(gòu)安全

通過風(fēng)洞、抗震等一系列數(shù)摸、物模試驗，為設(shè)計提供安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)，確保內(nèi)陸核電冷卻塔結(jié)構(gòu)安全及耐久性。

4.3 安全穩(wěn)定運行

可以引進消化哈蒙公司先進的成熟的集水裝置設(shè)計及加工技術(shù)，最大可能地優(yōu)化了結(jié)構(gòu)形式，而且在使用壽命上不低于填料 （可達到20年以上），不會因集水裝置而增加大修的次數(shù)，從根本上杜絕因集水裝置選材及制作問題而影響本項目的運行。

4.4 施工難點及措施

目前冷卻塔施工采用的液壓頂升平橋，設(shè)計最大高度175 m，因此需要生產(chǎn)廠家進行改裝加大。

筒壁每節(jié)模板混凝土方量大。整塔筒壁混凝土共計約33 000 m3，根據(jù)目前施工經(jīng)驗及施工速度，每小時澆筑混凝土約為7～10 m3，如何加快混凝土澆筑速度，避免出現(xiàn)施工縫是該塔施工最關(guān)鍵所在。

考慮該塔鋼筋量較大，因此塔筒鋼筋的運輸問題也是施工中的關(guān)鍵。

液壓頂升平橋廠家可根據(jù)使用高度重新進行驗算、改裝。

對于該塔混凝土澆筑時間及鋼筋上料等問題，考慮以增加施工機械為主，混凝土澆筑過程中趕漿法分層澆灌的開始點增加，加快施工速度。根據(jù)目前國內(nèi)的施工經(jīng)驗和機械，以及現(xiàn)場情況，擬采用2座平橋（附著電梯）和2座垂直運輸布料兩用塔吊，在平橋和塔吊上加裝拖泵，可同時解決混凝土澆筑及鋼筋上料問題。

5 結(jié)語

通過技術(shù)、經(jīng)濟綜合分析，3個配置方案的排序為：高位集水一機一塔配置、常規(guī)塔一機兩塔配置、常規(guī)塔一機一塔配置，內(nèi)陸核電工程推薦一臺機組配一座高位集水冷卻塔方案。