火電高位收水冷卻塔的控制與儀表設計

單耀生

（中機國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的哈蒙公司提出，具有降噪、節能的特點。這種冷卻塔的技術較為新穎，在國內的研究和應用上仍處于起步階段，起初在核電站上的應用較多。有些火電廠會考慮工程特點以及該類型冷卻塔節能降噪等方面的優勢而引進該技術。本文根據實際案例來闡述高位收水冷卻塔在火電廠應用的設計和控制問題。

1 工藝特點介紹

1.1 傳統冷卻塔

傳統冷卻塔的工作過程如下：熱水由凝汽器通過豎井回流，進入塔中的熱水分配系統，再分配至配水管，由管頭噴濺器灑水至填料，接著變為水滴狀，由填料滴入下面的集水池形成雨區。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，再重新循環利用。這種塔型的不足之處在于雨區通常為很大的高度，雨滴呈自由落體落下，由勢能變為動能，當跌至集水池，能量全部損耗，這部分能量是循環泵將水輸送至高處區消耗的能量，損耗十分顯著，另外，雨滴落入集水池發出很大的噪聲，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、淋水填料過程均與傳統的冷卻塔類似。不同點是不采用集水池，也就沒有雨區。在高位處布置循環水泵，且收水裝置和集水槽均在塔內高位裝配。這種塔型的示意圖參見圖 1。

該類型收水塔的集水裝置設計為很深的水槽，槽面小而窄。開始的工作過程類似1.1中所述，當熱水進過填料后，由填料下斜板及收水裝置輸送至水槽內，冷卻后再由水泵輸送進行循環利用。這種塔調料和集水裝置的落差很小，首先勢能的損失很小，節省了很多能耗，另外，其發出的噪聲的影響基本可以忽略。這是該塔的主要優勢所在。

由于高位收水冷卻塔與傳統的普通冷卻塔在結構上的不同，其在系統和儀表控制方面也有一定的差異。特別是在運行開始階段有一定的控制難度，以下對此進行具體分析。

圖1 高位收水冷卻塔高程示意圖

2 運行特點分析

高位收水冷卻塔循環水系統水泵的配置為1 臺機組+3臺水泵，運行方式需結合天氣情況及負荷狀況來選擇，如1機2泵、1機3泵、2機3泵、2機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冷卻塔相比，運行的不同之處主要在于啟停和補水上。

2.1 啟停特點

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

2.2 補水特點

節能是高位收水冷卻塔設計的首要目的，包括2個方面：一是縮短雨區的降落高度，減小勢能損耗；二是控制溢流，減小資源浪費。補水系統是該塔水系統高位置運行的關鍵。因為由于集水槽表層的面積較小，水位很容易受到外界因素影響而迅速降低，如蒸發、排污、風吹等，導致循環水量大幅度減少，甚至停機。對此，科學補水是維持其正常運行的重點工作。

高位收水冷卻塔補水系統有2個來源：一個是江河水由凈水站處理，在通過變頻循環水泵運輸送水，水泵進水間設有活塞式流量自動調節閥來調節水流，為了提高可靠性，水泵采用2+1冗余；另一個水源為工業回水。

3 循環水控制系統的設計

控制系統采用廠級分散控制系統DCS（Distributed Control System），主輔控一體化控制。該控制系統采用局域網技術，圍繞以太網交換機冗余系統，在上層設計集中監視和操作系統，操作員依其權限實現一人對全廠所有主控（單元機組控制系統）和輔控（輔助及公用控制系統）以及設備的控制。該水系統的運行方式為擴大單元制。控制系統根據其特性，在主控系統中納入機組循環水泵、泵出口液控蝶閥及其它聯動裝置，在輔控系統中納入積水槽排水泵、循環水泵聯絡電動門等輔助及公用設備。循環水系統采用DCS遠程I/O，分別配置不同泵組系統的遠程 I/O模件及電源模件。單元機組在泵房設置了3個獨立的機柜，裝設3套遠程 I/O系統，并分別配備3個控制器。于1#機組1#遠程 I/O機柜中裝設公用系統，配獨立遠程 I/O模件及電源模件以及獨立控制器。輔控系統中的補水系統主要負責變頻水泵進水間流量自動調節閥的控制。機組控制系統及公用控制系統遠程 I/O機柜安裝于控制設備間，位于液控蝶閥層之下，由各自的專用電源柜進行供電。控制器機柜安裝于主廠房的電子設備室內。補水系統機柜安裝在凈水站的控制設備間。

4 儀表設計

儀表設計有以下需要注意的幾點。第一，為了發揮高位收水冷卻塔的最大節能效果，集水槽水位以保持在高水位為宜，通常在13.7m上下。為了更好地監測水位，需在集水槽內設置水位測點，以隨時觀察水位。另外，添加低水位（12.4m）和高水位/溢流水位（13.9m）的報警提醒達到更為人性化的設計。為了更準確地監測水位情況，防止水位波動的干擾，在集水槽兩側共裝有4個超聲波液位計，以其均值作為參考。第二，在冷卻塔中央豎井水裝設1套入式靜壓液位變送器，以對運行狀況進行監視。第三，對每個循環泵加入水溫測點，以監控每一個扇區的水溫，從水溫也可以推斷扇區開啟與否。第四，由于在氣溫<3℃時，必須先將水溫提升到常溫（25℃）后才可進入配水程序，開始系統的運行，故需設置氣溫測點。第五，集水槽高水位運行時，循環水泵進水間也為高水位，這有利于循環水泵的運行環境，為避免低液位的影響，需設置進水間的水位測點，以在低水位時將水泵跳閘保護。

5 控制邏輯設計

5.1 配水方式與邏輯

配水方式為分扇區配水，一共有6個扇區，見圖2。

圖2 冷卻塔配水扇區示意圖

夏季運行啟動時，先開啟1臺循環水泵，再開啟全部6個扇區，接著依次開啟其它水泵；冬季運行時，先依次開啟3臺循環水泵，之后開啟扇區。如果根據需要只開1臺水泵，則搭配4、6扇區，需開2臺水泵，則搭配3～6扇區，需開所有3臺水泵，則搭配全部的6個扇區。

5.2 運行控制邏輯與補水控制邏輯

圖3 冷卻塔運行邏輯圖

冷卻塔運行控制邏輯參見圖3。補水有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單的閉環控制方式，取水泵房進水間的水位作為反饋信號來調節補水管的流量調節閥。由變頻補水泵來進行壓力調控。該方式比較可靠，但補水泵變頻節能的特點未能很好地展現。第二，流量控制方案。該控制邏輯相對復雜。取水位改變速度以及冷卻系統表面積作為反饋信號，DCS可求得補水泵和調節閥的流量/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）作為變頻補水泵和流量調節閥的給定，再根據現場工況進行校正處理。該控制邏輯方案優勢在于調控精確，補水泵變頻節能優勢充分返回。一般的DCS系統機組DCS和輔控DCS二者是孤立存在的，這里，會導致調節閥和補水泵信號的孤立，這種情況只能選擇第1種方案。但本系統為廠級DCS，廠級網絡將所有數據聯系起來，為第2種邏輯方式提供條件。

6 結語

高位收水冷卻塔相對于傳統的收水冷卻塔，展現出優異的節能降噪效果，在未來火力發電站的設計中具有很大的潛力。文章對這種冷卻塔的運行特點、循環水控制設計、儀表設計、控制邏輯設計等方面的內容進行深入的闡述和分析。根據塔的特點和優勢，點明設計的核心方案以及需要注意的要點，為該類型冷卻塔設計提供有益的參考。

[1] 費全昌.我國冷卻塔應用現狀及面臨的挑戰[J].電力勘測設計,2014年02期.

[2] 蔡興初,朱一鳴,顧勇.某1000MW級火電廠自然通風冷卻塔選型[J].給水排水,2016年10期.

[3] 董勝憲.超大型冷卻塔結構設計與研究[J].電力勘測設計,2011年02期.

[4] 趙云馳,侯燕鴻,王東海,管永濤,劉德有.超大型高位收水冷卻塔工藝設計探討[J].給水排水,2009年11期.

[5] 趙世偉,王川川,馬心雨.高位收水冷卻塔技術在百萬千瓦火電機組中的應用[J];黑龍江電力,2017年02期.

[6] 何磊,黃濤,陳紹林.高位收水冷卻塔集水槽結構設計[J];電力勘測設計,2015年03期.

[7] 王先董.自然通風高位收水冷卻塔收水裝置的數值模擬和優化研究[D].華北電力大學,2016年.