高位收水排煙冷卻塔經濟性與技術特點分析

吳剛

（華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇 鎮江 212000）

高位收水排煙冷卻塔經濟性與技術特點分析

吳剛

（華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇 鎮江 212000）

冷卻水的冷卻過程是電力生產中的一個關鍵環節，目前我國普遍使用冷卻塔來實現水冷卻，冷卻塔的冷卻性能直接關系電站的經濟性、安全性及穩定性。本文結合電廠的實際運行經驗，對哈蒙公司在世界范圍內首次提出的高位收水排煙冷卻塔的經濟性、技術特點以及其所采用設備的優勢進行分析，旨在為新型冷卻塔的設計提供技術支持。

冷卻塔；經濟性；技術特點

1 研究背景

火電廠在生產電能的同時會排放出大量的熱量，生產過程中需要大量的水或者空氣來對這些熱量進行冷卻，冷卻塔就是通過空氣或水之間的傳熱、傳質實現水冷卻的關鍵設備［1］。冷卻塔在我國火電廠的應用廣泛，其冷卻性能直接關系電廠的安全、穩定運行。近十年來，我國電力工業發展迅速，冷卻塔的直徑和高度不斷增加，冷卻塔已成為我國火力發電廠中單體體量最大的構筑物；同時，火電機組也呈現出向大容量、高參數、低排放方向發展的新趨勢［2］。因此，設計結構安全、穩定運行并且節能、環保的大型冷卻塔具有極其重要的理論意義和工程價值。

哈蒙公司作為冷卻塔行業的領軍企業，一直致力于冷卻塔技術的不斷發展創新。在過去30年間，哈蒙開發先進的冷卻塔設計理念、高效的換熱產品以及新型的節能環保冷卻塔為發電站業主帶來了可觀的經濟效益，同時也為整個冷卻塔行業注入了新的活力。本文結合項目經驗，對哈蒙公司提出的高位收水排煙冷卻塔的經濟性、技術特點以及其所采用設備的優勢進行詳細分析。高位收水排煙冷卻塔是將煙塔合一與高位收水兩項技術同時運用于冷卻塔的設計之中，這在世界范圍尚屬首例，但技術準備是充足的，材料設備都已經經過實際工程的驗證。通過整體設計優化、成熟可靠的設備制造、可靠產品質量，使電站的總體投資得到優化，實現機組性能的提升，為我國新型冷卻塔的設計提供了技術支持。

2 電廠運行實例

2.1 平山電廠運行實例

安徽淮北平山電廠一期工程建設2×660MW超超臨界發電機組，規劃建設容量4×660MW。工程采用擴大單元制、帶逆流式自然通風排煙冷卻塔（以下簡稱“排煙冷卻塔”）的循環冷卻供水系統，冷卻塔同時排放脫硝、脫硫后的煙氣。每臺機組配一座的排煙冷卻塔，本期共建設2座排煙冷卻塔。主機配置情況：凝汽器面積為37 000m2循環水冷卻倍率60倍，循環水量為20.39m3/s。年平均氣象條件：年平均氣溫14.5℃，大氣壓1 013.0hPa，相對濕度70%，冷卻塔出水溫度要求不高于20.8℃時，汽輪機組的設計背壓為4.8kPa。哈蒙公司通過優化設計，運用高效耐結污結垢填料并采用懸吊技術，使冷卻塔淋水面積優化到7 800m2，兩座塔土建及防腐造價節省超過1 500萬人民幣。

2.2 安慶電廠運行實例

安慶電廠位于在安慶郊區廣濟圩內，一期工程2× 300MW已經建成投產，二期工程擬建設2×1 000MW超超臨界濕冷機組，同步建設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機投產，2015年02月8日#4機投產。循環水系統的冷卻倍率3-11月為60，其他時間為45倍，另外每臺機組的輔機水量約3 400m3/h，據此可計算得TMCR工況下3-11月循環水量為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，相對濕度76%，冷卻塔出水溫度要求不高于21.0℃時，汽輪機組的設計背壓為4.89kPa。

安慶項目作為第一批采用哈蒙高位收水冷卻塔技術的工程項目，目前已經成功投運，各項指標滿足業主要求。哈蒙公司在安慶項目后，積極實施在國內的生產優化，降低高位塔設備制造成本和管理成本，在后續項目中可以使設備部分成本降低約8%，進一步提高了高位塔的經濟性。

2.3 廬江項目實例

廬江項目和平山項目同在安徽省境內，氣象條件、機組規模都較為接近。廬江項目對于機組背壓要求較平山項目更高，淋水面積會超過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。實施高位煙塔方案，兩座塔的總體投資（包括土建、塔芯設備、冷卻塔防腐以及塔內玻璃鋼煙道等）約為23 000萬元。

如果冷卻塔淋水面積加大到9 500m2，冷卻塔高度升高到185m，冷卻塔投資會加大，但是冷卻塔能力會有明顯提升，出塔水溫可以下降1℃，降低到20℃以下，背壓可下降約0.3kPa，有助于機組提升出力、降低煤耗。總體投資增加約3 000萬元（包括土建投資增加、煙塔防腐材料和施工的增加、塔內煙道和塔芯設備的增加等）達到26 000萬元；單純從煤耗節省角度考慮，兩個方案相比每年節煤成本約為200萬元，而如果同時考慮出力增加和部分節煤效果，粗略估計收益可超過300萬人民幣。這樣比較，增加的投資回收期大約在10～15年。

以上經濟分析比較粗略，對于相關的投資預算和收益比較還需要進一步細化。總體上講，方案一從優化初投資角度來看是理想的選擇，而方案二則能為業主帶來長期收益，因此進一步的論證和優化還是非常有必要的。

3 高位收水排煙冷卻塔的技術特點

哈蒙公司通過長期的優化設計，使所設計的高位收水排煙冷卻塔性能得到整體優化，具體細節如下。

①采用的8×8m柱間距降低了空氣阻力，提高換熱效果，同時也簡化了土建工作；塔內豎井設計降低空氣阻力，減小對空氣的阻礙作用［3］。

②在塔內半徑位置上設置混凝土擋風墻，自進風口至塔中心、水面至填料下方，有效調整塔內空氣分配狀況；塔內只有一層水泥梁設計，簡化塔內結構，降低空氣阻力，提高換熱能力；符合空氣動力學的下環梁和人字柱設計，優化空氣阻力（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；自動的溢流旁通設計不需要安裝閥門和多孔管，同時溢流旁通設計可以允許在不規則的水流量狀況下，在配水槽中保持相同的水平面，優化、穩定配水效果。

④中央豎井管的進水口在水池底下，避免了由于水池底部的阻礙物而造成的水流波動；冷卻塔出水口前設置了清淤池，有效將淤泥積存于固定位置，方便清淤工作；冷卻分區設計使機組調節靈活，有效避免冬季運行中結冰現象，保障機組安全運行。

4 高位收水排煙冷卻塔的設備優勢

4.1 懸吊式設計

近年來，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部，配水管道和淋水區域上方只布置一層梁網。取消了填料下方的支撐梁，對水流、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

相對于通用的擱置布置，懸吊布置有以下幾點顯著的優勢：①換熱效率高，對于相同尺寸的冷卻塔出水溫度更低；塔內通風區域可高達90%；降低阻風面積約為11%；②有限降低塔內空氣阻力，最大程度降低冷卻塔出水溫度；降低水泵揚程，廠用電消耗更低；③塔內只有一層混凝土梁，塔內支柱布置采用大間距布置；塔內混凝土用量少節約投資而且施工進度更快。

4.2 塔芯設備優勢

哈蒙公司堅持在其自己的工廠（法國、印度或中國）中生產主要的熱力設備已經有30多年。通過高水平的生產管理經驗和先進的生產設備，提供性能優越、可靠、耐用的產品。保證設備有較長的使用壽命，這也是哈蒙公司的產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，長期以來不但注重改善其換熱性能，更兼顧了產品的耐用性和對不同條件的適用性。依據應用領域不同、水質不同選取最為適合的填料種類，以確保設備使用不會有污臟和結垢問題出現。為此，哈蒙公司推出了一系列的產品（如圖3所示）。

圖3 換熱填料系列產品圖

在本項目上的海水水質，哈蒙依據其水質情況推薦是CleanFlow+TM填料。這種填料形式有非常好的通過性，在最大程度上優化了換熱性能，同時盡可能降低結污、結垢風險，以達到更長的使用壽命［4］。通過“非接觸式”設計，熱水在填料片表面均勻分布，經過特定波紋加強了水團的旋轉和與空氣的接觸，而不會積存任何臟污固體。與早期的復合波填料相比，CleanFlow+TM填料的臟污率僅為其49%。可長期在懸浮物濃度80mg/kg的循環水中工作，短時懸浮物濃度接受度可達到100mg/kg。哈蒙提供的優質的填料，有非常好的機械性能，正常條件下其使用壽命可以超過20a，節約后期維護成本，并能降低運行中因填料質量而造成的風險。

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

圖4 噴頭和噴水設施

在管道的下部都留有預鉆孔，并裝有處理過的塑料卡盤用來安裝噴頭和濺水盤。每套噴頭和濺水盤都可以根據需要單獨拆下，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。向下的配水過程事實上是一種自清洗的過程，通常不需要額外的維護。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 除水器實物圖

45mm間距的除水器可滿足技術規范中漂滴損失的要求（0.01%）。但當項目處于較干旱地區、用水相對緊張時，如果有更高標準的要求，可采用哈蒙Wave25的除水器，可將漂滴損失縮小一個量級達到0.001%。

4.2.4 高位收水裝置。對于蒸發式冷卻塔的一項主要選擇因素是水泵揚程。實際上，閉式循環自然通風冷卻塔大約有近70%的運行費用來自泵的消耗，這需要同投資成本一起進行優化。高位收水裝置可以使循環水維持較高的勢能；另一項顯著的優點是沒有雨區降雨噪聲（噪聲水平可以降低大約8～10dB）在自然通風冷卻塔中降雨是主要的噪聲來源［6］。由于使用高位收水裝置，可以使降雨基本全部消除。這保證了對環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更好的配風和對換熱的控制。為了降低空氣阻力和內部水側阻力，高位收水裝置的形狀經過了哈蒙公司特別的研究和設計。取消了雨區之后，冷空氣可以自由地到達冷卻塔中心不被阻擋，并不被加熱（在常規的降雨式的冷卻塔中會發生），特別是對于超大型冷卻塔，高位收水裝置具有良好的換熱功能。

②降低了軍團菌風險（沒有與冷卻水接觸或接近）。在空氣進口處沒有水濺出。避免了降雨加強風出現時水的濺出。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，這種材料也防止了水滴撞擊斜板產生的噪音。

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，這使得可以在運行時進入塔內對水泥支柱進行肉眼檢查。與傳統的“降雨式”冷卻塔不同，高位收水塔不需要深的泵坑。出水借口得到簡化。每個收水裝置由PVC斜板開始，之后水流入FRP水槽中。需要注意的是，收水裝置被設計為沒有任何中間支撐的自支撐結構。在許多由良好的操作員運行的自然通風冷卻塔中，高位收水裝置已經運行30多年，沒有任何問題。

5 結語

隨著我國能源發展策略的調整，高效環保、節能減排已經成為發電行業的新趨勢，高參數大容量的機組將成為能源行業的主要發展方向，本文所介紹的高位收水排煙冷卻塔符合節能環保的要求，其技術成熟可靠，材料設備通過了實際工程的驗證，這項創新舉措為我國新型冷卻塔的設計提供了技術支持，同時也將使電廠的綜合性能以及環保指標再創新高。

［1］張曉東，王清照.側風對自然通風空冷塔冷卻性能的影響［J］.中國電力，1999（6）：34-36.

［2］劉明.自然通風濕式冷卻塔配水特性及氣動特性的數值分析［D］.濟南：山東大學，2004.

［3］趙振國.冷卻塔［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［4］李秀云，林萬超.冷卻塔的節能潛力分析［J］.中國電力，1997（10）：34-36.

［5］趙振國，石金玲，魏慶鼎，等.自然風對空冷塔的不利影響及其改善措施［J］.應用科學學報，1998（1）：112-120.

［6］杜向東.干式冷卻塔風影響實驗研究［D］.北京：北京大學，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研究。