我国冷却塔应用现状及面临的挑战

费全昌

(电力规划设计总院，北京 100120)

我国冷却塔应用现状及面临的挑战

费全昌

(电力规划设计总院，北京 100120)

冷却塔在我国火电厂的应用广泛。冷却塔技术在我国的应用起步较晚，但发展极为迅速，尤其是在逆流式通风冷却塔方面，先后建成投产的多座淋水面积超10000m2的超大型自然通风逆流塔(包括海水冷却塔、排烟冷却塔)和超大型间接空冷塔；在内陆核电站冷却塔应用方面，也开展了一系列研究和方案设计；此外，高位收水塔和横流塔方面也有小规模小范围的应用案例。随着冷却塔直径、高度的不断增加，冷却塔已变成火力发电厂内单体体量最大的构筑物，如何设计结构安全、运行安全、冷却效率高的大型冷却塔是我国工程师面临的技术挑战，也给广泛的国际合作创造了条件。

火力发电厂；冷却塔；应用。

1 冷却塔在中国的发展过程

由于我国“缺油、少气、多煤”的自然资源特点，以火力发电为主的能源供应模式必将在相当长时间维持不变。另外，我国还是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为2.77万亿m3，居世界第6位，但人均只有2200m3，仅为世界平均水平的1/4，在世界上名列110位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。因此，除部分南方和海滨地区可以采用直流冷却方式外，大部分地区火力发电厂采用带自然通风冷却塔的二次循环冷却方式，但在北方缺水地区，采用更节水的空冷方式。当采用间接空冷方式时，也需要建设大型的自然通风间接空塔。

我国冷却塔技术起步晚，但发展迅速(图 1)。20世纪80年代末我国引进了比利时哈蒙公司(HAMON)冷却塔的设计技术，并开发了基于有限元分析的电脑辅助计算和绘图程序，促进了双曲线自然通风冷却塔在中国的广泛应用。

图1 冷却塔高度(m)随年度变化图

据估计，全国有超过1000座大小不等的冷却塔，其中绝大部分为常规逆流式自然通风冷却塔。中国的第一座自然通风冷却塔于1936 年建于抚顺发电厂，塔高50m，淋水面积1000m2。随着我国一大批超超临界百万机组电厂的建设，超大型冷却塔(淋水面积超过10000m2)的应用开始在国内逐步出现。正在研究的内陆核电站淋水面积将达到18000m2以上，高度超过200m。随着超大型冷却塔的研究和设计的深入，预示着我国的冷却塔技术进入了新的发展阶段。

2 不同冷却塔形式在中国的应用现状

2.1 常规湿冷塔

常规湿式冷却塔一般采用淡水作为冷却介质，经凝汽器换热后的高温循环水通过设于淋水填料上部的喷头喷淋后，在淋水填料表面形成水膜，与冷空气进行换热。换热后的低温水落入冷却塔水池，而换热后的热空气通过冷却塔上口排入大气中。国内投运最早的超大型冷却塔是山东邹县电厂四期1000MW 火电机组的常规冷却塔，该冷却塔淋水面积为12000m2，塔高165m，进风口高11.64m，喉部直径75.21m，斜支柱(Ф1.1m)48对，风筒最小壁厚220mm，环板型基础。

2.2 海水冷却塔

国际上海水循环冷却水的应用已有多年历史，从20世纪50年代中期，英国公司率先采用了海水冷却塔以来，世界上已经有20多个国家采用了海水冷却塔，尤其如美、英、法、德、南非等国家已经有比较多的应用。随着环保要求的提高，为了减少电厂温排水对敏感海水的影响，我国部分滨海地区的火力发电厂也采用了带自然通风冷却塔海水二次循环冷却方式。如浙江宁海电厂二期工程2×1000MW 机组和天津北疆发电厂一期工程2×1000MW超超临界燃煤发电机组也采用了海水冷却塔。

浙江宁海电厂二期工程2×1000MW机组，每台机组配备一座13000m2海水冷却塔，冷却塔主要尺寸如下：塔高177.15m，进风口高12.0m，塔体底壳直径133.36m，喉部直径77.94m，斜支柱(Ф1.1m)48对，风筒最小壁厚0.22m，环板型基础。

2.3 高位收水塔

带有高位收水装置的冷却塔是20世纪70年代末由法国电力公司和比利时哈蒙冷却塔公司设计研究提出的节能型湿式自然通风冷却塔，并在法国20世纪80年代建造的1300MW核电站中开始应用。

20世纪90年初我国在设计陕西蒲城电厂一期工程2×330MW机组，采用了自主设计的2座淋水面积4750m2的高位收水冷却塔，塔高131.48m，底部直径87.432m，喉部高度95.323m，喉部直径46.9m，出口直径51.834m。

高位收水塔造价较常规冷却塔高约22%，但节能效果明显。该高位收水塔为目前国内唯一一座建成的高位收水塔，存在收水装置漏水和冬季结冰等问题，影响了高位收水塔在国内的进一步应用。

国内目前开展工作的还有重庆万州1000MW机组高位收水塔，由国内设计院与HAMON公司联合设计，初步设计方案中淋水面积13000m2，冷却塔总高191.0m，底部直径140.3m，进风口高度13.8m。

2.4 间接空冷塔

目前我国富煤缺水地区电厂已广泛应用空冷系统，间接空冷系统由于其较好的安全性和运行稳定性将可能成为未来的首选，应用前途和市场前景广阔。

我国最早建成投运的大型间接空冷塔为山西阳城电厂空冷塔，塔高150m，环基直径143m。山西山阴发电厂2×300MW机组2机一塔间接空冷塔高165m，直径160m，是国内直径最大的冷却塔。宁夏水洞沟电厂一期2×600MW机组间接空冷塔高172m，直径145.5m。目前，国内间接空冷塔的建造规模已超过国外。

2.5 烟塔合一

烟塔合一方案在国内也广泛应用，其中哈尔滨第一热电厂、天津军粮城电厂和河北三河电厂为国内最早采用烟塔合一方案的电厂。早期的应用经验表明，烟塔合一方案冷却塔的防腐问题比较突出。

目前国内最大的烟塔合一冷却塔是江苏徐州电厂2×1000MW超超临界机组冷却塔。该排烟塔为国内首台百万机组排烟冷却塔，排烟冷却塔风筒采用双曲线型现浇钢筋混凝土结构，塔高167.16m，喉部高129.68m，进风口高11.70m，塔顶内面直径80.688m，喉部内面直径76.79m，进风口内面直径125.042m，风筒壳体采用分段等厚，最小厚度0.22m，最大厚度1.20m，冷却塔风筒由人字柱与环板基础连接，人字柱和环板基础均为现浇钢筋混凝土结构。冷却塔塔体开孔直径为10.50m，中心标高40.50m。玻璃钢内径8.50m玻璃钢烟道壁厚为31mm。

陕西宝鸡第二发电厂扩建(2×660MW)工程采用海勒式间接空冷系统，间接空冷塔为国内第一座“三合一”间接空冷塔，“三合一”指：冷却、脱硫、排烟均利用间接空冷塔，空冷塔塔筒采用双曲线钢筋混凝土结构，塔高170m，出口直径84.466m，进风口标高27.5m，直径125.664m，喉部高145m，直径82m，筒壁最大壁厚1.9m，筒壁最小厚度0.25m，塔筒上端设有刚性环，塔筒外侧分布82条竖向通长凸肋，筒壁下部设置41组 “X”型支柱。

陕西秦岭电厂采用表凝视间接空冷系统，采用“三合一”间接空冷塔，空冷塔高179.81m，底部直径131.5m，喉部直径为83m，出口直径85m，混凝土浇筑总量达到15500m3，共有38对垂直高度为27.8m的 “X”支柱支撑，是目前亚洲同类型机组中最高的间冷塔。

2.6 机械通风冷却塔

机械通风冷却塔在大型火力发电厂应用较少，但在大型燃机发电厂中应用较为广泛。内蒙古包头第二热电厂2×200MW机组，每台机组配6座逆流式机力通风冷却塔，每间冷却水量为4200m3/h，风机功率为160kW。2×200MW机组的2个塔组平行布置，塔组净距为20m。

北京太阳宫燃气热电冷联供电厂位于北京城区，是北京2008年奥运会配套建设项目，建设一套780MW“二拖一”燃气蒸汽联合循环机组，配置9座18×18×24m的机械通风冷却塔，一字型布置。为了减少对邻近居民区的噪声影响，采用单面进风布置，并设置了降噪措施及景观美化。

3 冷却塔设计研究现状

中国现有20多家火力发电设计单位，设计单位具有600MW机组以上设计资质和工程经验。全国从事冷却塔设计的工程师约数百人，具有良好的教育背景、丰富的工程经验和完善的软硬件设施。国内也有多家研究机构和大学在冷却塔方面均有较深的研究能力，如北京水利水电科学研究院、北京大学和浙江大学等。

近几年，针对大型火力发电厂和内陆核电建设的需要，多家设计单位与国内科研机构针对大型冷却塔、烟塔、海水冷却塔等开展了一系列实验研究，包括大型风洞实验、冷却塔风荷载实测、冷却塔塔群效应分析、大型冷却塔有限元动静力分析、三维有限元结构分析、不同有限元软件对比分析、多国标准对比分析、冷却塔倒塌研究、多维有限元热力分析优化等，积累了大量的研究数据，对大型冷却塔的设计建设提供了一定基础支撑。同时，多家设计单位以实际工程为原型的大型冷却塔联合设计也已开展到相当的深度，如华东设计院与GEA公司研究的湖南桃花江核电大塔高200m，已完成初步设计方案；HAMON公司参与设计湖北咸宁核电大塔、江西彭泽核电站大塔设计等已完成初步设计方案。此外，中国能源建设建团还成立了专门的大型冷却塔研究中心。

国内设计院根据现有规范和自主研发的完善的冷却塔热力计算、结构有限元计算软件，可以完成一般的冷却塔设计工作，同时，多家设计院和研究机构采用FLUENT软件或其他有限元程序对冷却塔的热力性能进行二维、三维模拟计算，确保满足设计工况要求和运行安全；采用通用有限元程序ANSYS、SAP、ASTRAN和ABAQUSD等同步进行力学分析对比，以保证冷却塔满足的结构安全。在与国外著名冷却塔设计公司如HAMON、GEA等联合设计过程也表明，国内设计能力与国际公司处于同一水平。

4 面临的挑战

4.1 大容量机组需要建设更大型的冷却塔

中国电力工业发展迅速，近10年电力工业年均发电量增速达11%，火电机组呈现出向高参数、大容量、低排放方向发展，目前单机容量已达1000MW，超1000MW机组也在研究中。内陆1000MW级核电机组和北方缺水富煤地区火电发电厂1000MW间接空冷系统也正在研究中。大容量火电机组及内陆核电的建设对大型冷却塔的设计和建设提出了迫切需要。

随着冷却塔的大型化、多样化，对冷却塔安全的也提出了更高的要求。冷却塔的安全涉及两个方面：一是运行安全。冷却塔的设计和建设应满足电厂安全经济运行的要求，满足不同设计工况下的冷却性能要求。二是结构的安全。冷却塔作为大体量薄壁壳体结构，在不同荷载作用下、在整个设计寿命周期内的结构安全问题事关重大，随着冷却塔高度、直径的加大，如何确保冷却塔的整体、局部的结构安全显得愈加重要，需要更加深入的研究。同时，还要在满足安全的前提下，尽可能降低工程造价，也是工程师的重要任务。

4.2 冷却塔设计应更加注重环境保护

中国经济高速发展也正在付出严重的环境代价，全国多地多次出现的严重雾霾天气就是一个很好例子。火力发电厂作为大型燃煤企业，也成为了众矢之的。国家对火力发电厂的建设提出了更高的环保要求，同步建设脱硫脱硝设施，并对脱汞进行研究，而且禁止在部分人口密集的发达地区禁止新建火力发电厂。因此，冷却塔的建设也应满足更高的环保要求，部分城市地区要求减少或消除冷却塔雾羽、飘滴以及对冷却塔本体进行美化，减少对城市景观的影响；要求降低冷却塔对周边或厂内的噪音影响，设置降噪措施或采用低噪音冷却塔方案；为节约淡水资源与减低海洋热污染，要求采用海水冷却塔；对用地范围、烟囱限高或其它条件受限的电厂项目，要求采用排烟冷却塔的方案等。

4.3 冷却塔设计应更加注重节能降耗

为了大幅降低能耗，国家对项目建设提出了严格的节能标准。同时，不断上涨的基础能源价格，如煤价，也促进了节能技术和设计理念的推广。作为火电机组，较低的冷却水温可以减低机组运行背压，而较低的机组背压可以减少单位煤耗，从而达到节能的目的。但较低的冷却水温却对冷却塔的设计提出了挑战，一是加大冷却塔的面积；二是更高效率的淋水填料；三是更加均匀的配风配水系统；四是减少过程中水力损失，如采用高位收水塔；五是提高预热利用等。

冷却塔的主要功能是冷却，在湿冷塔和空冷塔中，塔芯材料和散热器分别是保证冷效的关键产品。我国湿冷塔塔芯材料在20世纪80、90年代随着HAMON冷却塔技术的引进吸收和消化，有过一个时期的产品研发和改进高潮，但近十年鲜有高效新产品问世，空冷散热器新产品研发能力不足，产品更新慢，这或已成为国内冷却塔技术持续发展的一个薄弱环节，因此跟踪国外先进产品信息、加强新产品研发也将成为必须。

4.4 落后的标准对冷却塔设计的制约。

国内虽然已经建设了多座淋水面积超10000m2的冷却塔，但对200m以上的大型冷却塔的设计还没有达成共识。近几年国内多家设计研究单位，已经开展了多方面的研究工作，如中国能源建设集团还相继制订《超大型冷却塔设计导则》、《排烟冷却塔设计导则》、《海水冷却塔设计导则》等，很大程度弥补了这方面的不足。国家也已经制定了部分有关冷却塔的设计技术标准和规范，但是在相关冷却塔标准方面还比较落后，且更新速度也不能满足冷却塔技术的发展和应用。同时，由于缺乏长期和持续的研究投入，我国还面临着基础研究和科技人才的缺乏的不利局面，制约了大型冷却塔和不同类型冷却塔在中国的应用。

五 结语

综上所述，我国冷却塔技术起步晚，发展快，目前已接近国际领先水平。已建成多座淋水面积超10000m2超大型自然通风常规塔、海水冷却塔、排烟冷却塔、“三合一”冷却塔、间接空冷塔等，正在研究适用于内陆核电淋水面积将达到18000m2，高度超过200m以上的冷却塔。

随着我国的能源发展政策的调整，高效环保、节能减排是我国发电行业的发展趋势，高参数大容量机组以及核电站等将成为我国能源行业主要发展方向。火、核电单机容量的增加以及大型间接空冷机组的建设，超大型冷却塔研究和设计需求量将急剧增加。虽然塔底部直径达180m～190m、高度超过200m的超大型冷却塔研究已经起步，但还面临着基础研究薄弱、市场要求迫切、设计标准落后、更高环保要求等多方面的诸多难题。如何设计更大型、更高效、更多样、更安全的冷却塔设计是中国工程师面临的重大挑战，也给与国外著名冷却塔设计企业合作提供了广阔空间。

[1]中国电力企业联合会．中电联发布2012年全国电力工业运行简况[EB/OL]．(2013-01-18)[2013-10-25].http://www.cec.org.cn．

[2]全国发电机组手册(2012年度)[M]．北京：电力可靠性管理中心，2013．

[3]中国工程院“21世纪中国可持续发展水资源战略研究”项目组．中国可持续发展水资源战略研究综合报告[J]．中国工程科学，2000，2(8)．

[4]陈志恺．中国水资源的可持续利用问题[J]．中国水利，2000，(8)．

Applications and Challenges of Cooling Tower in Chin

FEI Quan-chang
(Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China)

Cooling tower has been widely used in China. Cooling tower technology started late in China, but experienced rapid development. Several large-scale cooling towers, including natural draft counter-flow cooling tower,seawater cooling tower, tower with flue gas dispersion and indirect dry cooling tower, with nominated water spraying area up to 10,000m2have been built around China. The large-scale natural draft counter-flow cooling tower for inland nuclear power has also been designing in China. In addition, natural cooling tower with water collecting system and cross flow cooling tower have also been used in small scale and scope. With the dramatic increasing of diameter and height of the cooling tower, how to design large-scale cooling towers with structural safety and high efficiency is the great technical challenge faced by domestic engineers, also creates opportunities for broad international cooperation.

thermal power plant; cooling tower; application.

TM621

C

1671-9913(2014)02-0029-05

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.02.008

2013-11-04

费全昌(1969- )，男，甘肃永登县人，硕士，高级工程师，主要从事火力发电厂水工设计、咨询和评审等工作。