1000MW机组高位收水冷却塔项目的技术经济性分析

吴志祥，王存新

(神华神皖安庆皖江发电有限责任公司，安徽 安庆 246005)

1000MW机组高位收水冷却塔项目的技术经济性分析

吴志祥，王存新

(神华神皖安庆皖江发电有限责任公司，安徽 安庆 246005)

摘要：在安徽某电厂二期扩建2×1000 MW工程中，首次论证了高位收水冷却塔项目的技术经济性，首先介绍了高位收水冷却塔原理，然后与等效常规冷却塔相比，初投资虽增加3726万元，但可以多向电网供电3000 kW，按年利用5000 h计算，每年可增加收益609.9万元，8.3年可回收全部投资，其项目具有可行性。

关键词：高位收水冷却塔；常规冷却塔；技术经济性分析

在国内，燃煤火力发电很长一段时间内仍将占据发电领域主导地位。提高发电效率、降低污染、节约资源是火电机组的发展方向。对电力企业而言，采用大容量高参数燃煤机组降低发电煤耗的同时，也应该在现有电厂的常规系统设计和设备规范的基础上，突破原有思路、挖掘系统设计潜力，最大限度地优化系统设计，提高全厂效率。

根据环保要求，沿长江建设的1000 MW机组不能直排，循环水系统要采用闭式循环，冷却设备常规的是采用自然通风冷却塔。

目前采用的自然通风冷却塔，循环水进入淋水装置后，从其上部淋下，通过与冷空气进行热交换后，落入位于±0.000 m的集水池，水的势能全部失去，完全不能利用，循环水需由循环水泵从集水池再次提升到淋水装置的上部，故循环水泵的能耗不能降低。

针对上述问题，为了利用被提升后的循环水的势能，降低循环水泵的能耗，法国电力公司和比利时哈蒙公司，在上世纪70年代末研发了高位收水冷却塔技术，并在BEI-IIEVILLE(贝尔维尔)、NOZENT(诺让)、CHOOZ(舒兹)及GOLFECH(戈尔费什)核电厂建造了8座高位收水冷却塔，运行多年以来，节能效果显著。

我国陕西蒲城电厂一期工程安装2台330 MW罗马尼亚引进机组，为单元制供水系统，1台机配用l座淋水面积4750 m2的高位收水冷却塔，1996年投运，该塔也是目前国内唯一使用该技术的冷却塔。

国内蒲城电厂的高位收水塔存在一些问题，主要由于淋水填料和高位收水装置的安装较难，并且国内第一次施工，经验不足，与设计有偏差；其次是冬季结冰严重，影响安全运行。

1高位收水冷却塔项目介绍

1.1高位收水冷却塔原理

高位收水冷却塔，是将收水装置直接安装在进风口上方的淋水装置的下部，将循环水在此收集起来，不让其落到±0.000 m的集水池，通过密闭的集水流道，保持循环水的势能，并将其导入循环水泵进水口，使其能够利用。此时，循环水只需由循环水泵从高位收水装置处水位再次提升到淋水装置的上部，从而大大降低了循环水泵的能耗。

在高位收水冷却塔设计中，其配水系统和淋水填料与常规塔相似，不同之处是取消了常规冷却塔底部的集水池，其冷却后的循环水在淋水填料底部直接被收水设备截流收集，再输送到循环水泵房，然后经过循环水泵送回主厂房。

因高位收水冷却塔仅架设集水槽，无底部水池，能有效防止渗水浸泡地基，所以提高了冷却塔的塔体安全性，并可降低循环水泵的扬程；在填料底部下落的水滴经过收水斜板时被截流收集，落差减小，大大降低了由下落水滴冲击造成的噪声污染，且斜板上的防溅垫层也有降噪功能。

图1　高位收水冷却塔系统示意图

图2　高位收水冷却塔填料安装图

图3　中央竖井至各配水槽示意图

高位收水冷却塔系统如图1所示，来自从主厂房的循环水→循环水管道→冷却塔中央竖井→配水槽、管、喷溅装置→淋水填料→落至高位收水装置→收水槽→平板滤网→集水流道→密闭循环水泵前池→循环水泵升压→循环水管道→主厂房汽轮机凝汽器及其他冷却器(水在此换热升温)→循环水管道→再次进入冷却塔冷却，此后进入下一次循环。

1.2高位收水冷却塔主要设备

(1)填料

填料高度为1.5 m，用管子和不锈钢丝悬吊在横梁上，水被喷到填料上之后，沿填料孔边缘流下，冷风从填料下部沿填料孔中心向上走，从而完成在填料中的热交换工作，如图2所示。在填料高度一定的条件下，淋水面积越大，冷却效果越好，同时造价也越大[1]。经过论证，在夏季10%气象条件下为保证出塔水温≤31.6 ℃，本工程的淋水填料顶面积采用12 075 m2。

(2)配水系统

从凝汽器回来的循环水进入进水槽，然后到中央竖井[2]，中央竖井上部有个配水槽如图3所示。配水槽有两个双层配水槽(南北方向)和两个单层配水槽(东西方向)，配水槽的执行机构是6个闸门，分别对应6个扇区，如图4所示。在冬天，A扇区与B扇区两个中央扇区可以退出运行。

在中央竖井顶部设置了防溢流旁路，如图5所示。旁路容量为100%，当6个扇区的闸门全部关闭时，全部容量的水从旁路溢出后，流进下面的东西方向的集水槽，从而保证在任何时候不会有水从中央竖井中溢出来。

(3)除水器

图4 中央竖井至各配水槽内部示意图图5 中央竖井至旁路示意图

图6　喷嘴工作示意图

在配水管，喷头和喷嘴正上方，大约与主水槽同样标高的地方设置了除水器，如图6所示。任务是收集随热空气上升带走的小水滴，本工程要求风吹损失水率不大于0.01%[3]。

(4)收水装置

收水装置任务是收集从填料下出来的水(没有雨区)，收水装置之间的重叠部分能收集全部流下来的水，理论上是不会有水漏出来。设置了防溅和防起浪装置，整个收水装置采用钢丝悬挂机制，用钢丝悬挂在土建支撑樑上，对整个钢丝悬挂的施工要求比较高。

2与常规冷却塔比较

高位收水冷却塔虽然配水系统和淋水填料与常规塔相似，但与常规冷却塔相比高位收水冷却塔有着不同的特性。

2.1降低泵扬程

高位收水塔填料下方的水经收水装置，在大约14 m的高度回收，这部分水流到冷水槽中。在冷水槽中建立起水面如图8所示。水面高度越高，回收的水势能越大，一般这个高度在运行中控制在13.7 m左右。循环水泵入口是正压，这样就自然减少了泵的扬程，这个数值在13.7 m的基础上再减去流动损失在10 m左右。针对此项工程，每台循环水泵可减少1 000 kW，三台33%容量的循环水泵共减少3 000 kW。但收水装置高位布置，悬吊在淋水架构的下面，如果有维护量相对来说难度增加。

图7 收水装置结构图图8 高位收水冷却塔节能原理图

2.2没有雨区带来的好处

由于没有雨区，因此大大降低噪声。通常冷却塔的噪声约为85 dBA，采用高位收水技术后，噪声降低了约10 dBA。没有雨区，进风阻力减少，由于有高位收水装置所以不需设集水池。

2.3热力性能相当

收水槽导致空气流动的阻力增加，但雨区高度变小，从而使空气流入塔内的总阻力减少。阻力的增加量与减少量基本相当，所以热力性能基本一致。在相同条件下，热力性能主要用出塔水温来评价[4]。

2.4使用涡壳泵可降低水泵和土建费用

在循环水泵的选择上，一般有两种型号，一种是使用较多的多级斜流泵[5]，一种是单级立式蜗壳泵[6]。相对来说，单级立式蜗壳泵比立式斜流泵设备简单，只有一级叶轮，进口可以是正压，并可设置泵进口蝶阀，可实现在线检修时的隔断用。如果采用立式斜流泵，由于是多级泵本身及土建的费用相对比蜗壳泵要高得多，所以采用单级立式蜗壳泵，可降低水泵本身和土建费用。

3本工程气象条件

厂址区域属亚热带湿润季风气候区，具有四季分明、雨量适中、梅雨显著、夏雨集中、秋高气爽、冬季降雪期短等特征。主要气象特征值如下：

(1)气压

历年极端最高气压：1044.8 hPa(1955年1月15日)；

历年极端最低气压：976.1 hPa(1956年8月2日)；

历年平均气压：1014.0 hPa。

(2)气温

历年极端最高气温：40.2 ℃(1953年8月11日)；

历年极端最低气温：-12.5 ℃(1969年2月5日)；

历年平均气温：16.5 ℃。

(3)相对湿度

历年平均相对湿度：76%。

(4)累年逐月气象要素特征见表1所示。

表1　逐月气象要素表

(5)夏季频率10%的湿球温度为27.5 ℃，与之相应的气象要素见表2所示。

表2　频率10%日平均湿球温度对应的其它气象要素特征表

(6)风向

夏季(6、7、8月)：主导风向NE，风向频率22%；次主导风向SW，风向频率18%。

冬季(12、1、2月)：主导风向NE，风向频率34%。

全年：主导风向NE，风向频率30%。

因此本工程具备建设、运行高位收水冷却塔条件，整个冷却塔设计按夏季10%气象条件下来考虑，表明在夏季90%的气象条件下能满足低于31.6 ℃出塔水温的要求，但仍有10%气象条件下，出塔水温会超过31.6 ℃，为避免将冷却塔做得过大，这样考虑是合理的。

4本工程闭式循环水系统拟定

4.1高位收水冷却塔

(1)高位收水冷却塔主要参数

冷却塔总高：189.000 m；

底部直径：137.500 m；

喉部直径：82.500 m；

进风口高度：13.800 m；

填料顶部高度：18.000 m；

填料层直径：126.200 m；

填料层面积：12500 m2；

填料平均高度：1.500 m；

采用塑料填料，PVC除水器。

(2)高位收水冷却塔布置

高位收水冷却塔布置参照哈蒙公司(hamon)的模式布置。塔内仅设1层支撑结构[7]，除水器、配水管道、淋水填料、收水装置、集结的循环水等荷载均由支撑结构承受。

4.2滤网

经论证，此项工程采用在冷水槽的上方设置平板滤网方案，孔径为(10×10)mm，以保护循环水泵叶轮。此方案基于以下分析：

(1)系统中的循环水处于半封闭状态，循环水只在喷溅装置以下至收水装置之间，直接暴露在大气之中，在此，外界杂物不易进入系统；

(2)循环水补给水水源为长江水，且还要经预处理系统进行处理，水质可保持清洁；

(3)淋水系统包括除水器、配水管道、喷溅装置、淋水填料、收水装置等，只要产品质量可靠，并做好运行维护，就不会产生破碎；

(4)滤网的清理视运行情况而定，停机后检修人员可进入滤网上部清理；

(5)该方案相对来说最简单可靠，并节省土建投资80万元以上。

4.3循环水泵

根据系统布置和水泵进水条件特点，本工程循环水泵采用蜗壳泵。该型水泵的特点是：效率高达89%，比多级斜流泵的86.8%高2.2%，进水流道做成有压钢制管道，且进水管上可设蝶阀，安装或检修水泵时，可将进水蝶阀关闭，不需放空前池循环水，适于闭式前池安装。

循环水泵配置有“1机3泵”和“1机4泵”2个方案。按目前掌握的资料，“1机4泵”方案的循环水泵，国内制造厂有成熟的制造能力和应用业绩。“1机3泵” 方案的循环水泵，若在1000 MW机组上应用，将是64英寸的泵(YJG64-50)，还没有这么大的蜗壳泵在百万机组上的应用业绩，但长沙某水泵厂有这方面技术贮备，技术上是没有问题的。“1机4泵”方案具有产品成熟，运行灵活的优点，但较“1机3泵”相比，泵房长度需增加9 m，设备投资较多。“1机3泵”方案与“1机4泵”相比，具有土建投资和设备投资较少的优点，但没有生产业绩。因此，本工程采用“1机3泵”方案。

4.4循环水泵自身冷却水系统

循环水泵本身及电机的冷却水由循环水泵出口的水倒流回冷却器、再回循环水泵入口实现，正常运行时不需要外部冷却水，外部冷却水可做作备用，实现了最大可能的简化系统、节约厂用电。

5经济比较

表1　高位收水冷却塔与常规塔经济比较(1台机组)

采用高位收水塔加上蜗壳泵的闭式循环水系统，相比等效常规冷却塔循环水系统，每小时可节省3 000 kW功率，按年利用5 000 h计算，每年可节省1 500万kWh的电量，按上网电价按0.406 6元/kWh来计算，每年可增加收益609.9万元，初投资虽然增加3 726万元，但8.3年就可收回成本(银行贷款利率按7.05%计算)，项目投资回收期少于10年，项目是可行的。

6结论和建议

本工程首次在1 000 MW机组采用高位收水冷却塔后，经济效益较为明显，1座高位收水冷却塔与等效常规冷却塔相比，初投资虽然增加3 726万元，但是可减少厂用电约3 000 kW，即可多向电网供电3 000 kW，按年利用5 000 h计算，每年节省电费609.9万元，8.3年即可回收全部投资。而且，采用高位收水冷却塔噪音下降，对附近居民影响降到了最低，同时收到了良好的社会效益。因此，本工程建议建设高位收水冷却塔项目，可以收到良好的节能减排效益与社会效益。

参考文献

[1]杨剑永，张武.大型机组冷却塔节能潜力分析[J].东北电力技术，2010(6)：1-5.

[2]唐磊，刘自力，易超.电厂逆流式自然通风冷却塔热力性能研究进展[J].现代电力，2010，27(6)：35-39.

[3]国家发展和改革委员会.DL/T1027-2006.工业冷却塔测试规程[S].北京：中国电力出版社，2007:2.

[4]王浩，王勇，王鸿儒.浅析冷却塔节能改造的关键技术与应用[J].电站辅机，2015，36(1)：28-31.

[5]乔凤杰，白晶.电厂水泵故障分析及整治方法研究[J].东北电力大学学报，2015，35(5)：51-55.

[6]周云龙，刘帅.长距离浆体管道并联泵系统水锤计算[J].东北电力大学学报，2015,35(3)：26-30.

[7]章立新，陈岩永，沈艳，等.湿球温度与闭式冷却塔蒸发冷却能力关系的研究[J].工业用水与废水，2011,42(2)：65-68.

Technical and Economic Analysis of the Project of the High Water Cooling Tower of 1000MW Unit

WU Zhi-xiang，WANG Chun-xin

(Shenhua God Anhui Anqing Wanjiang Power Generation Co.Ltd.，The Two Phase of The Expansion，Anqing Anhui 246005)

Abstract：In a power plant of the 2x1000MW project in Anhui，this paper first demonstrates the technical and economic characteristics of the project of the cooling tower of the high level.AT first introduced the principle of the high water cooling tower，and then compared with the equivalent conventional cooling tower，although the initial investment increased by ￥37，260，000，but that can take more than the power 3000kW，We calculated the number of hours in accordance with the 5000h，Our annual income is ￥6099000，So as long as 8.3 years we can recover the initial investment，the project is feasible.

Key words：High water cooling tower；Conventional cooling tower；Technical and economic analysis

收稿日期：2016-04-12

作者简介：吴志祥(1978-)，男，安徽省枞阳市人，神华神皖安庆皖江发电有限公司高级工程师，硕士，主要研究方向：事电厂汽轮机设备管.

文章编号：1005-2992(2016)03-0034-07

中图分类号：TK262

文献标识码：A