影響中歐濕式冷卻塔大小的主要因素分析

張東文 ，張宇陽(yáng)

(1. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095；2. 冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102400)

1 概述

德國(guó)林根核電站1300 MWe機(jī)組采用二次循環(huán)供水系統(tǒng)，其冷卻塔的輸入條件和規(guī)模如下：

熱負(fù)荷：2430 MW

循環(huán)水量：158000 t/h

進(jìn)塔水溫：36.3℃

出塔水溫：23.1℃

在此條件下，本工程配置的冷卻塔淋水面積：13050 m2；高度：152 m。

而中國(guó)石島灣核電站1400 MWe機(jī)組，在熱負(fù)荷(2545 MW)相當(dāng)?shù)臈l件下，針對(duì)該廠址的條件，通過循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化確定的冷卻塔淋水面積為18000 m2，高度213.5 m。

中國(guó)石島灣核電站較德國(guó)林根核電站的冷卻塔淋水面積大約為5000 m2，高度相差達(dá)62 m，而冷卻塔淋水面積和高度的增加均會(huì)提高冷卻塔冷效的同時(shí)，也提高了冷卻塔的投資，也影響電站的運(yùn)行年費(fèi)用，分析其影響因素意義重大。

作為電站的冷端重要設(shè)備之一的冷卻塔，影響其規(guī)模大小的因素很多，如汽輪發(fā)電機(jī)組的排汽焓、冷卻塔的單位面積造價(jià)、冷卻塔所在地氣象條件、冷卻塔型式、循環(huán)冷卻倍率、淋水填料類型、循環(huán)水水質(zhì)狀況等。

本文主要針對(duì)德國(guó)林根核電站、中國(guó)石島灣核電站兩個(gè)廠址地域特點(diǎn)，重點(diǎn)從氣象條件和冷卻塔綜合造價(jià)兩個(gè)方面，依次展開論述，計(jì)算、分析影響冷卻塔淋水面積以及塔高的主要因素。而對(duì)于影響冷卻塔淋水面積的常規(guī)因素，如冷卻塔型式、循環(huán)冷卻倍率、淋水填料類型、循環(huán)水水質(zhì)狀況，筆者不再贅述。

2 核電廠址的地域條件差異

2.1 設(shè)計(jì)氣象條件

在濕式冷卻塔中，熱水的溫度高，流過水表面的空氣的溫度低，水將熱量傳給空氣，由空氣帶走，散到大氣中去。濕冷塔散熱有兩種形式：①接觸散熱、②蒸發(fā)散熱。因此冷卻塔所在地的氣溫對(duì)冷卻塔選型有極其重要的影響，在相同的熱負(fù)荷、出塔水溫要求下，冷卻塔淋水面積會(huì)因所在地氣溫不同而差異迥然。德國(guó)林根廠址、中國(guó)石島灣廠址和中國(guó)彭澤廠址的氣象條件見表1。

表1 各廠址的氣象條件

在相同的熱負(fù)荷(2430 MW)和出塔水溫(23.1℃)條件下，計(jì)算所需的濕式海水冷卻塔大小，即淋水面積。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 氣象條件對(duì)冷卻塔選型的影響

由以上計(jì)算結(jié)果可知，氣象條件對(duì)冷卻塔淋水面積的大小有較大影響，濕球溫度由8.0℃到9.7℃，冷卻塔淋水面積增大了9%，到14.5℃淋水面積增大了42%。

2.2 冷卻塔單位面積造價(jià)

在一定的冷端規(guī)模下，當(dāng)冷卻塔單位造價(jià)較高時(shí)，從冷端的角度上講，應(yīng)當(dāng)通過增大凝汽器面積或提高機(jī)組設(shè)計(jì)背壓等方式，以減小冷卻塔在冷端中所起的作用，提高整個(gè)冷端系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

在歐洲，冷卻塔建設(shè)的人工成本及混凝土價(jià)格等因素，使得歐洲的冷卻塔單位造價(jià)比國(guó)內(nèi)高出很多，如歐洲海水冷卻塔的單位面積造價(jià)約為4.53萬(wàn)元/m2，中國(guó)海水冷卻塔的單位面積造價(jià)約為1.7萬(wàn)元/m2，因此與國(guó)內(nèi)機(jī)組容量相同的電站相比，德國(guó)林根核電站適宜采用淋水面積比較小的冷卻塔。

2.3 設(shè)計(jì)背壓

在歐洲，各國(guó)政府基于對(duì)石油危機(jī)等因素的考慮，政策上鼓勵(lì)冬季的采暖及采光等更多地使用電能，而夏季不需空調(diào)制冷，使得冬季電站負(fù)荷較高。根據(jù)這一用電需求特點(diǎn)，需要采用較高設(shè)計(jì)背壓以有利于冬季多發(fā)電，提高冬季的微增收益，進(jìn)而提高電廠的收益。

因此，德國(guó)林根核電站采用了8.95 kPa的設(shè)計(jì)背壓，采用如此高的背壓值，則對(duì)冷端要求較低，出塔水溫就可以提高很多，冷卻塔也就相應(yīng)可以做得小很多。

而在中國(guó)的中、南部地區(qū)，夏季比較炎熱、需要空調(diào)、風(fēng)扇等電器降溫，使得夏季用電負(fù)荷最高；同時(shí)又因我國(guó)火電裝機(jī)容量相對(duì)過剩，年發(fā)電小時(shí)數(shù)在4000～5000 h之間。根據(jù)這一用電需求特點(diǎn)，需要根據(jù)具體廠址的氣象條件、主要冷端設(shè)備的綜合造價(jià)、年發(fā)電小時(shí)數(shù)、發(fā)電成本價(jià)或上網(wǎng)電價(jià)等，通過冷端優(yōu)化，合理確定適合具體廠址的冷端規(guī)模，進(jìn)而確定機(jī)組的設(shè)計(jì)背壓。

2.4 計(jì)算實(shí)例

以國(guó)內(nèi)核電廠址——石島灣核電站1400 MWe級(jí)機(jī)組為基礎(chǔ)條件，分析冷卻塔的單位面積造價(jià)對(duì)冷卻塔選型的影響。

目前中國(guó)國(guó)內(nèi)海水冷卻塔的單位面積造價(jià)約為1.7萬(wàn)元/ m2；上網(wǎng)電價(jià)為0.35元/(kWh)。

采用三背壓機(jī)型，經(jīng)冷端優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果見表3，工程適宜的冷卻塔面積為18000 m2、塔高213.50 m、4.37 kPa。

表3 國(guó)內(nèi)冷卻塔造價(jià)、三背壓機(jī)型冷端方案排序

如果僅改變冷卻塔單位造價(jià)為4.53萬(wàn)元/ m2經(jīng)冷端優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果如表4，工程適宜的冷卻塔面積為14000 m2、塔高188.90 m、5.0 kPa。

表4 歐洲冷卻塔造價(jià)、三背壓機(jī)型冷端方案排序

以上優(yōu)化計(jì)算結(jié)果說明：由于歐洲冷卻塔的單位面積造價(jià)比國(guó)內(nèi)高出許多，工程中建設(shè)淋水面積較小的冷卻塔更為經(jīng)濟(jì)合理。

綜合氣象條件和冷卻塔的單位面積造價(jià)等因素的影響，使中國(guó)石島灣核電站較德國(guó)林根核電站的冷卻塔淋水面積大約為5000 m2、高度相差約62 m的配置方案，針對(duì)各廠址條件而言均是經(jīng)濟(jì)合理的。

5 結(jié)論

(1)以德國(guó)林根核電站1300 MWe級(jí)機(jī)組為例，歐洲林根核電站廠址的年平均濕球溫度為8.0℃，石島灣核電站廠址的年平均濕球溫度為9.7℃，在保證相同的熱負(fù)荷和出塔水溫條件下，相應(yīng)配置的濕式常規(guī)海水冷卻塔淋水面積分別為13050 m2、14200 m2，表明冷卻塔所在地氣溫條件直接影響冷卻塔的淋水面積。

(2)以石島灣核電站1400 MWe級(jí)機(jī)組為例，在相同的廠址、三背壓機(jī)型條件下，分別采用歐洲冷卻塔單位面積造價(jià)4.53萬(wàn)元/ m2、國(guó)內(nèi)冷卻塔造價(jià)約為1.7萬(wàn)元/m2，經(jīng)冷端優(yōu)化計(jì)算，所配置的濕式高位集水冷卻塔淋水面積和塔高分別為14000 m2、塔高188.90 m和18000 m2、塔高213.5 m，表明冷卻塔的單位面積造價(jià)也會(huì)直接影響其淋水面積的大小。

(3)作為電站的冷端重要組成之一的冷卻塔，其規(guī)模大小與其廠址條件密切相關(guān)，脫離廠址條件空談冷卻塔的規(guī)模是沒有實(shí)質(zhì)意義的。

德國(guó)林根核電站由于冷卻塔單位面積造價(jià)高、冬季用電負(fù)荷大等客觀原因，決定了其冷端適宜采用較小淋水面積的冷卻塔、高排汽壓力的配置。

相比之下，由于我國(guó)人工和混凝土成本相對(duì)較低使冷卻塔的單位造價(jià)較低，使得冷卻塔的淋水面積傾向大的趨勢(shì)；但在南方氣溫較高、濕度較高，使得冷卻塔的冷卻難度增加，使機(jī)組趨向高排汽壓力運(yùn)行。這就意味著必須針對(duì)具體的廠址條件，通過循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)冷端進(jìn)行全面、綜合優(yōu)化，合理確定冷端的規(guī)模，以期達(dá)到電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

相反不能片面追求年平均工況的發(fā)電容量，導(dǎo)致冷端配置高、工程投資大、平均排汽壓力與阻塞排汽壓力的差值較小，冬季氣溫低時(shí)受阻塞背壓的限制，不能充分利用自然條件實(shí)現(xiàn)多發(fā)電。