淺談 高位收水塔在大型燃煤電站的應用

文/張林 李倩

1.前 言

高位收水冷卻塔技術最早是上世紀70年代末法國電力公司和比利時哈蒙冷卻塔公司設計研究提出的節能型冷卻塔，并于80年代中期開始工業應用，最初用在法國核電站。高位收水冷卻塔相比于常規冷卻塔，最大的優點是淋水不是淋到塔池內，而是通過高位布置的收水斜板、收水槽將淋水進行收集并匯流到主集水槽內，充分利用淋水下落的勢能，使水泵前有一個較高的壓頭，從而達到降低水泵揚程、減小循環水泵功率的目的。另外，高位收水冷卻塔由于淋水高程低，因此具有噪音小的優點；同時，高位收水塔內的擋板對進風有導流的作用，再加上哈蒙懸吊式結構阻力小的特點和較高性能的填料裝置，高位收水冷卻塔的冷卻效果要優于常規塔。

我國于上世紀90年代初最早在蒲城電廠一期2x330MW工程中首次采用高位收水冷卻塔技術，但由于設計和施工存在缺陷，運行情況并不理想。常規火電機組中，重慶萬州電廠2x1000MW機組、安徽安慶電廠2x1000MW機組、湖南永州電廠2x1000MW機組、山東壽光2x1000MW機組等，均采用了高位收水冷卻塔方案。

可以看出，隨著機組容量的增大以及節能降耗需求的增加，高位收水冷卻塔技術逐漸成為大容量發電機組應用的熱點技術，并且其核心技術（塔芯收水裝置）也已逐漸實現國產化。

2.常規自然塔與高位收水塔的技術比較

2.1 常規自然塔方案

在常規逆流式自然通風冷卻塔中，熱水經由豎井送入塔內配水系統，經配水及噴濺裝置均布至填料層與空氣進行熱交換；冷卻水在填料層下部形成雨區并由底部水池收集后循環利用。

2.2 高位收水塔方案

與常規塔相比，高位收水冷卻塔取消了常規塔底部的水池，而改用高位布置的收水裝置在填料下部收集冷卻水，收集的冷卻水匯入中央集水槽后循環使用。該冷卻塔型式幾乎沒有雨區，可達到降低靜揚程和雨落噪音的目的。高位集水裝置如上圖所示。

高位收水裝置圖示

2.3 常規自然塔與高位收水塔的技術比較

2.3.1 循環水泵揚程

循環水泵的總揚程由靜揚程和動揚程組成，其中靜揚程為冷卻塔豎井水位至下部收集水池（集水槽）的水位差，動揚程為系統各部分的阻力之和。

系統動揚程與系統各部件的配置和布置相關，受冷卻塔型式的影響很小，故采用常規自然塔與高位收水塔的系統動揚程差異不大。而對于系統靜揚程，與常規冷卻塔相比，高位收水冷卻塔采用高位收水裝置收集冷卻水，減少了雨區自由跌落的高度，因此可大幅度降低循環水系統的靜揚程。

2.3.2 噪音

相關研究及試驗證明，應用于1000MW級火電機組中的常規自然通風冷卻塔進風口處的噪聲約為82－86dB，是顯著的噪聲源，而雨落水擊是冷卻塔噪聲的主要來源。高位收水塔雨區高度僅為常規自然塔自由跌落高度的20%左右，并且其自由跌落區均在塔筒之內，具備隔聲作用，因此噪聲排放非常低，通常可降低噪音約10分貝。

2.3.3 冷卻塔熱力及阻力特性

1）雨區熱力及阻力特性

冷卻塔的工作狀態是進塔熱水與進塔空氣的熱力平衡及塔筒抽力與阻力平衡的狀態。冷卻塔換熱的主要區域是淋水填料區域，雨區的換熱僅為全塔換熱的一小部分。高位收水冷卻塔的雨區相對常規塔小，換熱能力較常規塔減少約3%。冷卻塔阻力中，雨區的阻力占40%左右，高位收水冷卻塔落雨高度小，從而大幅減少了雨區通風阻力，使高位塔進風阻力較常規塔小，提高了冷卻塔通風量和換熱效果。

2）冷卻塔配風

常規冷卻塔由于受雨區阻力的影響，冷卻塔配風表現為四周風量高、中間風量低，最大進風量出現在約3/4半徑處，冷卻塔整體配風不均。高位收水塔無雨區橫向阻力，冷卻塔配風表現為中間風量高、四周風量低，同時由于收水板可均化通風流量，故高位冷卻塔比常規塔配風更加均勻，同等條件下換熱效果更好。

3）填料安裝方式

目前高位塔設計供貨主要為哈蒙公司產品，其填料安裝方式采用懸掛式，部分工程采用了國產填料，而國產填料安裝方式為梁柱+玻璃鋼柵條擱置式。兩種方式各有利弊，懸掛式減少了填料阻擋面積，該方式在熱力性能上優于擱置式；但因其懸掛在梁下，檢修安裝時，人員無法直接到達，不便于更換填料。

4）填料型式

目前，國產填料主要采用綜合性能較優的S波，哈蒙公司對于SS不高的水質一般采用SNCS填料。根據中國水利水電科學研究院2014年10月的SNCS填料測試結果表明，SNCS填料比S波填料冷卻數高約11-13%，阻力比S波填料低約5-10%，填料綜合散熱性能比S波填料高約12-13%。

2.3.4 循環水系統運行

1）補水系統

高位收水塔集水槽表面積僅相當于常規塔水池面積的4-5%，同等系統補水、耗水變化導致的水位變幅將是常規塔的20-25倍，因此對補水系統的穩定性和可靠性有較高要求。故高位收水塔需通過變頻調節補充水泵的流量，確保集水槽處于安全的高水位運行，以達到節能運行的目的。

2）停泵工況

為了盡可能的節能，高位收水塔正常運行中都盡可能維持在高水位運行，可調節容積很少，若在停泵前未預先降低集水槽水位，停泵時產生的涌水及配水系統的大量余水將很快抬升水位，造成循環水溢出，因此，高位收水塔系統正常停泵前應采取預先停止系統補水，降水位的運行方式。

同時，為減少事故停泵時集水槽大量涌水，高位收水塔系統工程設計時往往采用多配循環水泵的方案，減少單泵事故時的涌水量。

3.冷卻塔設計方案

某工程規劃容量為4×1000MW超超臨界燃煤機組，根據工程自然和環保條件，擬采用帶冷卻塔的循環供水系統。一臺機組配置一座常規冷卻塔或一座高位收水冷卻塔。根據冷卻水量和進出水溫差，在相同設計條件下，經過優化計算分別確定了常規冷卻塔和高位收水塔的設計方案，具體的塔體尺寸及配置見表1。

4.經濟性比較

4.1 方案比較原則

1）經濟比較采用最小年費用法。

表1 高位塔和常規塔參數對照表

2）經濟比較以1×1000MW級機組為單位進行，年費用包括年固定費用及年運行費用兩部分。

3）經濟比較僅針對兩個方案主要差異部分，包括冷卻塔、循環水泵房及設備、循環水溝等，循環水管、凝汽器均相同，不參與比較。

4.2 基本技術經濟參數

根據本工程汽輪發電機組的技術經濟條件，方案比較采取的基本技術經濟參數為：

?機組年利用小時數：4800h；

?年固定費用率：12.69%；

?成本電價：0.303元/kW·h；

?上網電價：0.472元/kW·h；

?稅后上網電價：0.403元/kW·h；

?進口塔芯單價：4300元/ m2（含收水裝置、填料等）；

?國產填料單價：650元/ m2。

4.3 經濟比較結果

針對本工程，1×1000MW級機組冷卻塔不同方案的技術經濟比較詳見表2。

由表2可以看出：

高位收水塔方案單座塔投資比常規塔方案多4262.7萬元，年固定費用多支出541萬元，年可節約循泵運行費670萬元，節煤收益51萬元。綜合投資和運行費用，高位收水塔系統比常規塔系統年總費用低180萬元/年。

表2 1×1000MW級機組技術經濟比較表

5.結 論

綜合比較表明：

1.高位收水冷卻塔大幅減小了常規塔雨區跌落高度和系統靜揚程，具有明顯節能和低噪音優勢，在大型燃煤電站機組中的超大型冷卻塔上應用高位收水技術具有廣闊的應用前景。

2.高位收水冷卻塔具有顯著的降低噪音的優點。與常規冷卻塔相比，高位收水冷卻塔運行噪音可降低10dB左右，減少了噪音的治理費用。

3.對于系統運行而言，因高位收水冷卻塔取消了塔下水池，其系統水體容積小，對補水系統的可靠性要求較高，運行管理相對復雜。

4.隨著能源價格的增加導致電價的抬高，同時考慮高位收水塔塔芯材料實現國產化，高位收水冷卻塔的經濟優勢還將會進一步突顯。