兩機(jī)一塔技術(shù)在300 MW機(jī)組的應(yīng)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(jī)組于20世紀(jì)60年代末 70年代初建成投產(chǎn)，機(jī)組由于超期運(yùn)行、設(shè)備老化、資源單耗上升、環(huán)保技術(shù)落后、經(jīng)濟(jì)效益降低。華能白楊河電廠貫徹國務(wù)院 “上大壓小”政策，拆除老機(jī)組，以大代小在已有場地上建設(shè)2×300 MW供熱機(jī)組。兩臺300 MW機(jī)組于2009年12月11日和12月20日分別完成168 h試運(yùn)行，投產(chǎn)發(fā)電。

工程由山東電力工程咨詢院負(fù)責(zé)總設(shè)計。電廠、設(shè)計院根據(jù)現(xiàn)有場地的特點(diǎn)，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(jī)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(dǎo)下，電廠和設(shè)計院對總平面設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)針對大型建構(gòu)筑物的布置方案進(jìn)行了研究，其中一項(xiàng)重要措施就是采用了“兩機(jī)一塔”的方案，即改變常規(guī)兩臺300 MW機(jī)組各配 1座5500 m2水塔的方案，采用兩臺機(jī)組合用 1座9000 m2的逆流式自然通風(fēng)冷卻塔。

1 “兩機(jī)一塔”方案的確定

1.1 總平面布置問題

工程建設(shè)場地有以下幾個特點(diǎn)：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(shè)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(dá)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(fèi)用以及土石方工程量。

1.2 兩座水塔方案

2臺300 MW機(jī)組供水系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置是每臺機(jī)組各配1座 5500 m2的逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，單塔塔底直徑為97.24 m，進(jìn)風(fēng)口高7.728 m，進(jìn)風(fēng)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(shè)計規(guī)范》對間距的要求：兩塔之間凈距不小于進(jìn)風(fēng)口下邊緣的塔筒半徑，塔與其它建筑物的凈距不小于塔進(jìn)風(fēng)口高度的 2倍，兩塔實(shí)際占地面積達(dá)25800 m2。電廠和設(shè)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(jìn)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(xué)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(shí)際情況并借鑒其他項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提出了兩臺機(jī)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(diǎn)布置，減少占地。設(shè)計院對“兩機(jī)一塔”方案進(jìn)行了專題研究，從冷卻效果、投資及運(yùn)行維護(hù)等方面分析對比了2臺機(jī)合用1座逆流式自然通風(fēng)冷卻塔、兩臺機(jī)合用1座橫流式自然通風(fēng)冷卻塔、1臺機(jī)配1座瘦高型逆流式自然通風(fēng)冷卻塔以及機(jī)力通風(fēng)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(fēng)冷卻塔布置方案。該水塔布置在廠區(qū)西側(cè)，水塔底部環(huán)基外側(cè)直徑128.252 m，進(jìn)風(fēng)口高度10.334 m，滿足間距要求后的實(shí)際占地面積是22590 m2。實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)“增容不增地”的目標(biāo)。

表1 常規(guī)兩機(jī)配兩塔布置方案所帶來的問題

1.4 “兩機(jī)一塔”與常規(guī)塔主要構(gòu)造特點(diǎn)

2臺機(jī)組配1座 9000 m2逆流式雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔，相當(dāng)于600 MW機(jī)組的1個單塔，從水工結(jié)構(gòu)角度來看，是常規(guī)設(shè)計。對比300 MW所配的5500 m2常規(guī)冷卻塔，兩種塔結(jié)構(gòu)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(shù)存在的主要問題

“兩機(jī)一塔”技術(shù)在國內(nèi)135 MW機(jī)組上曾經(jīng)有過應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在冷卻塔的中央豎井和集水池內(nèi)設(shè)隔墻，每臺機(jī)組各用半座冷卻塔。在2臺機(jī)都正常運(yùn)行時完全能夠滿足機(jī)組的要求。但是，當(dāng)1臺機(jī)停機(jī)檢修時需要停運(yùn)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(chǔ)受力不均勻。使用此技術(shù)的電廠在一次半塔停運(yùn)檢修、半塔運(yùn)行時出現(xiàn)過冷空氣短路現(xiàn)象，造成冷卻塔運(yùn)行側(cè)逆流不能形成。該電廠采取了只運(yùn)行1臺循環(huán)水泵的措施，情況得以好轉(zhuǎn)，但導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷約3%。

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

2.2 在配水方面的改進(jìn)

在300 MW機(jī)組上應(yīng)用“兩機(jī)一塔”技術(shù)國內(nèi)尚屬首例，借鑒了國內(nèi)目前“兩機(jī)一塔”技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)用于北方地區(qū)自然通風(fēng)冷卻塔防止冬季結(jié)冰的一項(xiàng)成熟技術(shù)。為有效防止半塔運(yùn)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(shè)隔墻進(jìn)行物理隔斷的做法，改為通過啟閉機(jī)調(diào)整內(nèi)外圍配水來調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)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(yùn)行時出現(xiàn)的冷空氣短路情況，同時啟閉機(jī)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(yīng)單機(jī)運(yùn)行時水塔運(yùn)行工況的調(diào)整，“兩機(jī)一塔”技術(shù)還在內(nèi)外圍配水比例上進(jìn)行了較大調(diào)整。從表2中可以看出，與常規(guī)兩機(jī)配兩塔的方案相比，兩機(jī)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(shí)現(xiàn)水塔單機(jī)的配水功能。發(fā)電機(jī)組的循環(huán)冷卻水量與汽輪機(jī)排汽量密切相關(guān)，而汽輪機(jī)排汽量受季節(jié)、機(jī)組負(fù)荷、供熱等因素影響變化較大。300 MW機(jī)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(jī)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(jié)冰，一般會關(guān)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(jī)一塔”而言，冬季2臺機(jī)組運(yùn)行與兩機(jī)配兩塔的配水方式一樣。比較特殊的是冬季單機(jī)運(yùn)行的情況，如果把1臺機(jī)組運(yùn)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(jié)冰。因此，“兩機(jī)一塔”冬季單機(jī)運(yùn)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(jī)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(shè)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(jī)組合用1座9000 m2冷卻塔，冷卻塔配水區(qū)域設(shè)內(nèi)、外兩區(qū)，通過啟閉機(jī)封閉內(nèi)圍配水槽或外圍配水槽來實(shí)現(xiàn)水塔的內(nèi)、外兩區(qū)配水、淋水，保證1臺機(jī)組停運(yùn)或檢修時，另1臺機(jī)組能夠正常運(yùn)行，不受影響。

配水槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(diǎn)是雙層結(jié)構(gòu)，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(diǎn)是單層結(jié)構(gòu)，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(biāo)高范圍內(nèi)。每條內(nèi)圍配水槽單側(cè)每隔2 m均布配水管12套，管徑355 mm，加上另一側(cè)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(zhì)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(yùn)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(chǔ)上節(jié)省用電，每臺機(jī)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(jī)。循環(huán)水泵的主要技術(shù)參數(shù)見表3。

機(jī)組投運(yùn)時的配水。每臺機(jī)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(jìn)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(biāo)高12.8 m后，內(nèi)圍配水槽開始進(jìn)水。當(dāng)配水槽內(nèi)水位高于配水管標(biāo)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(biāo)高［2］。

表3 循環(huán)水泵主要技術(shù)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(jī)組1臺定速循環(huán)水泵加1臺雙速循環(huán)水泵低速運(yùn)行，全塔配水。進(jìn)入冬季，為避免冷卻塔結(jié)冰，冬季工況為每臺機(jī)組1臺定速循環(huán)水泵運(yùn)行或1臺雙速循環(huán)水泵高速運(yùn)行，全塔配水轉(zhuǎn)入外圍配水運(yùn)行，可操作啟閉機(jī)關(guān)閉內(nèi)圍配水槽閘門，此時內(nèi)圍配水管不再出水。當(dāng)電廠在冬季投運(yùn)1臺機(jī)組時，可關(guān)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(yùn)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(jìn)入春季，要求全塔配水。此時可將每臺機(jī)組停運(yùn)的循環(huán)水泵開啟。每臺機(jī)組1臺定速循環(huán)水泵加1臺雙速循環(huán)水泵低速運(yùn)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(jìn)水，當(dāng)升至配水管標(biāo)高14 m后，內(nèi)圍配水管開始出流，形成全塔配水。進(jìn)入夏季，每臺機(jī)組1臺定速循環(huán)水泵加1臺雙速循環(huán)水泵高速運(yùn)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(jī)封閉冷卻塔豎井中內(nèi)圍配水槽，內(nèi)圍配水槽停運(yùn)，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(jī)封閉外圍配水槽，外圍配水槽停運(yùn)，水通過內(nèi)圍配水槽配水，短時間內(nèi)不影響機(jī)組的運(yùn)行。

3.3 水塔運(yùn)行工況調(diào)整

“兩機(jī)一塔”的配水與季節(jié)、機(jī)組停運(yùn)及運(yùn)行工況等情況密切相關(guān)。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(yùn)行方式均需要做相應(yīng)的調(diào)整，以達(dá)到滿足機(jī)組運(yùn)行所需的冷卻效果。運(yùn)行中何時切換配水系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐和運(yùn)行條件確定，一般以出水溫度不低于10～15℃為原則。

機(jī)組2009年底雙投后，冬季單機(jī)運(yùn)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(dāng)時水塔的配水也有一定的關(guān)系。冬季單機(jī)運(yùn)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(yīng)關(guān)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(yùn)行。冬季單機(jī)運(yùn)行時，循環(huán)水量大約是夏季兩機(jī)運(yùn)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(jìn)塔冷風(fēng)，很容易結(jié)冰。結(jié)冰后淋水速度會更慢，導(dǎo)致惡性循環(huán)，結(jié)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(jìn)風(fēng)狀況惡化，逆流風(fēng)量不均勻，降低冷卻效果；另一方面，大面積掛冰增加了風(fēng)筒、淋水構(gòu)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(yùn)行帶來威脅。

冬季2臺機(jī)組運(yùn)行時，設(shè)計要求每臺機(jī)開1臺定速循環(huán)水泵或1臺雙速循環(huán)水泵高速運(yùn)行，關(guān)閉內(nèi)圍配水，只開啟外圍配水。通過計算，在這種運(yùn)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(yán)寒時段容易結(jié)冰。因此，在嚴(yán)寒時段的運(yùn)行方式上可考慮再開1臺雙速循環(huán)水泵低速運(yùn)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(jié)冰。

4 “兩機(jī)一塔”的優(yōu)勢及問題

4.1 優(yōu)勢

“兩機(jī)一塔”方案節(jié)省了占地、投資，實(shí)現(xiàn)了“增容不增地”的目標(biāo)。“兩機(jī)一塔”方案與常規(guī)布置2臺5500 m2逆流式自然通風(fēng)冷卻塔相比，建設(shè)期投資可節(jié)省3154萬元，運(yùn)行期每年可節(jié)省12萬元，機(jī)組單位容量占地面積僅為0.26m2/kW，比標(biāo)準(zhǔn)值0.38 m2/kW降低31.6%。

“兩機(jī)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(fēng)冷卻塔的抽力與淋水填料中部到塔項(xiàng)的高度差He和進(jìn)出水塔的濕空氣密度差成正比。9000 m2自然通風(fēng)冷卻塔的He為138.2 m，常規(guī)5500 m2自然通風(fēng)冷卻塔的He為105.6 m。單就結(jié)構(gòu)而言，“兩機(jī)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(jī)組合用1座水塔，水塔的淋水面積和進(jìn)風(fēng)量都增加了近1倍，相應(yīng)抬高了進(jìn)風(fēng)口高度，進(jìn)水口高度也隨之提高。9000 m2水塔的配水管標(biāo)高達(dá)到了14 m，而300 MW機(jī)組常規(guī)5500 m2水塔的配水管標(biāo)高為10.648 m。另外，兩機(jī)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(yáng)程，從而增加了耗電量。工程所配循環(huán)水泵的功率達(dá)到1900 kW，而300 MW機(jī)組常規(guī)兩機(jī)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(yùn)工作面淋水。由于水塔風(fēng)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(jié)構(gòu)上未進(jìn)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(cè)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(yù)埋在水塔南側(cè)的排泥管和排泥閥排至塔外。由于實(shí)際運(yùn)行中，兩臺機(jī)組同時長時間停運(yùn)的機(jī)率較少，兩機(jī)合用1座水塔的清淤工作，不可能像常規(guī)兩機(jī)配兩塔那樣，單機(jī)停運(yùn)、單塔放水后徹底清理，只能依靠加強(qiáng)定期的排泥操作來維持水塔的清潔。建議設(shè)計院在今后的類似設(shè)計中，考慮設(shè)置機(jī)械清淤的方案。

5 結(jié)語

“兩機(jī)一塔”是華能白楊河電廠根據(jù)四期工程場地狹小的特點(diǎn)，并融合水塔內(nèi)外圍配水技術(shù)而進(jìn)行的一次技術(shù)創(chuàng)新。采用這種技術(shù)有效地解決了工程總平面布置的困難，從工程的各方面權(quán)衡，利大于弊。對于“兩機(jī)一塔”技術(shù)，需要在今后的運(yùn)行實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對比分析，改進(jìn)存在的問題，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)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(yùn)行與試驗(yàn)［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(shè)計、施工、運(yùn)行中的問題與對策［J］.電力建設(shè)，2007，28（1）:49－50.