高位冷却塔节能分析研究

杨永伟，周自强，范诚豪

（1.中国能源建设集团华北电力试验研究院有限公司，天津 300171; 2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；3.上海发电设备成套设计研究院，上海 200240）

高位冷却塔节能分析研究

杨永伟1，周自强2，范诚豪3

（1.中国能源建设集团华北电力试验研究院有限公司，天津 300171; 2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；3.上海发电设备成套设计研究院，上海 200240）

阐述高位收水冷却塔设计及运行特点，提出高位收水冷却塔与常规湿冷塔的优缺点，通过对某660 MW机组的冷却塔布置方案对比分析，总结了高位冷却塔对火电厂节能方面技术经济贡献，为火电厂节能提供技术选择依据。

高位收水冷却塔；节能；技术经济

0 引言

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1 300 MW核电站中开始应用。

20世纪90年代初我国在设计陕西蒲城电厂一期工程2×330 MW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131.48 m，底部直径87.432 m，喉部高度95.323 m，喉部直径46.9 m，出口直径51.834 m。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最早建成的高位收水塔。国内目前最新建成的有重庆万州1 000 MW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13 000 m2，冷却塔总高191.0 m，底部直径140.3 m，进风口高度13.8 m。

1 高位收水塔特点

在常规自然通风冷却塔中，热水由管道通过竖井送入塔内热水分配系统，经配水管再通过喷淋装置，将水洒到填料上；经填料后形成雨状自由跌落至下部集水池，再输送至循环水泵房，然后经过循环水泵房送回主厂房。

在高位收水冷却塔设计中，其配水系统和淋水填料、除水器与常规塔相似，不同之处是用高位收水装置及集水槽取代常规自然塔底部集水池。收水装置包括收水斜板和收水槽两部分，安装于进风口与填料之间。淋水填料上部的配水系统、除水器布置与常规逆流式自然通风冷却塔一致。集水槽为玻璃钢材质，中心间距2 m布置，不同槽段深度、长度不同，分段制造，现场组合。收水板采用玻璃钢材质，45°安装，收水板上方设防溅装置，采用PVC材质。收水装置通过吊杆悬挂于配水层次梁（见图1）。

由于增加了高位收水装置，为尽可能降低塔芯高度，通常采用吊装技术。由于配水管、填料、收水斜板、收水槽均需吊装，吊装安装要求很高。目前国外高位塔设计供货主要为哈蒙公司产品，其填料安装方式采用穿杆悬挂式；而国产化设计填料安装方式主要有穿杆悬挂式和梁柱+玻璃钢栅条搁置式两种形式。两种方式各有利弊，悬挂式减少了填料阻挡面积，提升了换热性能，因此该方式在热力性能上优于搁置式；同时因其悬挂在梁下，检修安装时，人员无法直接到达，不便于更换填料。而搁置式施工检修维护方便，多采用搁置式，对于检修和填料更换更具有优势。

图1 高位收水装置

目前国产填料主要采用综合性能较优的S波，哈蒙公司对于SS（悬浮物含量）不高的水质一般采用SNCS填料。SNCS填料比S波填料冷却数高约11%～13%，阻力比S波填料低约5%～10%，填料综合散热性能比S波填料高约12%～13%。

1.1 节能优势

火电发电厂中循环水泵的总扬程由净扬程和动扬程组成，其中净扬程为冷却塔竖井水位至下部收集水池（冷水槽） 的水位差，动扬程为系统各部分的阻力之和。系统动扬程与系统各部件的配置和布置相关，受冷却塔型式的影响很小，故采用常规自然塔与高位收水塔的系统动扬程差异不大。而对于系统净扬程，与常规冷却塔相比，高位收水冷却塔采用高位收水装置收集冷却水，减少了雨区自由跌落的高度，因此可大幅度降低循环水系统的静扬程（见图2）。

图2 高位收水塔与常规塔收水示意比较

1.2 降噪优势

所有的大型常规自然通风冷却塔的进风口处的噪音均接近82～86 dB(A)，是最为显著的噪音源，而从塔内高空下落的冷却水与集水池中的水撞击产生的淋水噪声又是冷却塔噪音的主要来源。整个过程是高处的冷却水在重力的作用下势能转化为动能，当下落到与集水池里的水撞击时，其中一部分动能便转化为声能进行传播。水的自由跌落高度越高，产生的噪声也越大。高位收水塔自由跌落高度通常仅为常规塔的26.5%，而且其自由跌落区均在塔体的筒壁之内，相当于跌落于天然隔声墙，因此噪声排放通常可降低10～15 dB(A)。

1.3 热力性能优势

冷却塔换热的主要区域是淋水填料区域，雨区的换热仅为全塔换热的一小部分。高位收水冷却塔的雨区相对常规塔短 (仅在高位收水装置区域)，换热能力较常规塔减少约3%。冷却塔阻力中，雨区的阻力占40%左右，高位收水冷却塔雨水较短，减少了雨区通风阻力，但由于增加了高位收水设施，收水斜板的设置阻挡了部分进风面积，又增加了一定的进风通风阻力。由于高位收水塔的进风口高度一般比常规塔要高，使塔进风阻力较常规塔减小，以提高塔内风速及冷却塔换热效果。同时，高位收水塔内进风更均匀，塔内中心区域与外圈进风温度基本一致，改善了冷却塔的冷却效率。

2 高位收水塔循环水系统运行

2.1 启动前充水

由于高位冷却塔集水槽以上区域不能提前充水，循泵运行初期循环水需先流经配水区域后方可回到集水槽形成循环。从循环水进入配水区至流出期间，集水槽内水量将快速减少（循泵流量远大于补水流量）。由于集水槽水体表面积很小，因此水位下降很快，为防止水位下降导致水泵产生气蚀，启泵前需先对循环水系统充水，以确保循环水泵初启动的水位降低后仍能满足水泵最小淹没深度的要求。

2.2 补水系统要求

高位收水塔中维持集水槽高水位是体现其节能的关键，这就需要设置合理且可靠的补水系统及时补水，同时又需控制溢流，减少浪费。

由于高位冷却塔集水槽面积小，贮存的循环水容积小，而循环水系统蒸发、风吹、排污损失水量大，如补水系统故障或补水不及时，集水槽水位可能下降很快，迅速增加循环水泵静扬程，导致循环水量大幅减少，严重时可能导致循泵淹没深度不足，不能运行而停机。因此可靠性高的补水系统对高位冷却塔循环水系统特别重要。同时运行时要密切注意循环水系统损失的水量和补水量的平衡，防止偱泵淹没深度不足，不能运行而停机。

2.3 停泵前降低水位

为了尽可能地节能，高位收水塔正常运行中都尽可能维持在高水位运行，水位以上的空间很少。如在停泵前未预先降低集水槽水位，停泵时产生的涌水溢出及配送系统的大量余水将很快抬升水位，造成大量的水从集水槽溢出，短时溢水流量与循环水流量相当。因此，正常停泵前应采取预先停止系统补水、降低水位的运行方式。此种方式对于正常停泵是有效的，但当事故断电突然停泵时，仍不能避免大量水涌出。对于这种情况，一种方式是任其涌出，地面设置排水沟收集和排放。另一种是沿集水槽设置溢流堰槽将溢水收存或排放，这种方式将增加土建投资，并要占用一定面积，对淋水面积有一定影响。

3 高位收水冷却塔节能方案对比分析

为对比高位收水塔节能效果，选择某 2× 660 MW新建机组做为研究对象，主要考虑三个方案。方案一：冷却塔采用常规塔，1机1塔，南北向布置，循环水泵1机2泵，立式斜流泵，常规泵房及循环水管沟。方案二：冷却塔采用高位收水塔，1机1塔，循环水泵1机3泵，卧式离心泵，压力式循环水沟和高位水池。方案三：冷却塔采用高位收水塔，2机1塔，循环水泵1机3泵，卧式离心泵，压力式循环水沟和高位水池。常规塔与高位塔的参数对比见表1。

节能方案对比中技术经济比较以2×660 MW机组为单位进行年费用比较，年费用包括年固定费用及年运行费用两部分。方案比较包括土建费用、占地费用、设备费用、噪声整治措施费用等。常规塔方案循泵运行模式按热季（5月—10月）1机2泵；冷季（10月—次年4月）1机1泵运行；高位塔方案循泵运行模式按热季（5月—10月）1机3泵；冷季（10月—次年4月）月1机2泵运行（见表2）。

表1 常规塔与高位塔参数对比

表2 不同方案经济性对比 万元

方案分析比较采用年费用最小法，并采用年固定分摊率求年费用。

式中，NF为年费用值；P为计算年的基建投资 (按水工技术规定中的公式计算)；μ为计算年的运行费，包括水泵电耗费，热耗变化而增加(或减少)的燃料费；AFCR为年固定分摊率。

根据本工程汽轮发电机组的技术经济条件，方案比较采取的基本技术经济参数（预测值）为：机组年利用小时数，5000h；年固定费用率，12.69%；经济使用年限，20年；成本电价，0.260元/（kW· h）；标煤价，530元/t；征地费用，9.5万元/亩。

从不同方案经济性对比结果看，采用方案三（2机1塔），年总费用最低，总投资额居中，与常规塔方案一相比年总费用节约147万元，总投资增加1 890万元，方案三比方案一回收年限要缩短至12年，在火电厂寿命期内经济效益比较客观。

4 结论

a） 常规自然通风冷却塔技术成熟，投资低，安装、运行简单，管理方便，目前广泛应用于火力发电厂。冷却塔高位收水技术大幅减小了雨区跌落高度和系统静扬程，具有明显节能和低噪音优势，塔面积愈大，进风口高度愈高，其节能优势愈显著。

b）高位塔比常规塔噪音可减小8～15 dB(A)。随着国家环保政策越发严格，冷却塔的噪声措施处理费用投入较大，已经成为冷却塔方案选择时必须考虑的重要影响因素。

c）不同冷却塔方案对比显示，对于新建机组采用2机1塔的布置方案相比常规塔方案年运行费用更低，虽然初投资比常规方案大，但在火电厂全寿期内，完全可以回收相应多增加的投资成本，具有较好的应用前景。

[1]金熹卿，谢化一，倪季良，等.高位收水冷却塔的设计 [J].中国电力，1993(6)：39-42.

[2]吴志祥，王存新.1 000 MW机组高位收水冷却塔项目的技术经济性分析 [J].东北电力大学学报，2016，36(3):34-40.

[3]李越.常规塔与高位塔经济性比较 [J].华电技术，2015，37 (7):38-42.

Analysis on Energy-saving of High-level Water Collecting Cooling Tower

YANG Yongwei1,ZHOU Ziqiang2,FAN Chenghao3
（1.China Energy Engineering Group North China Electric Power Test Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300202,China; 2.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi030001,China; 3.Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai200240,China）

The design and operation characteristics of high-level water collecting cooling tower are analyzed,and the advantages and disadvantages of high-level water collecting cooling towers and regular wet cooling towers are compared.Through analyzing the layout schemes of the cooling tower of a 660 MW unit,the contributions of high-level water collecting cooling tower in energy saving and economical efficiencyare summarized,which provides references for coal power plants tobe energy-saving.

high-level water collectingcoolingtower;energysaving;technical economic analysis

TU991.42

B

1671-0320（2017）02-0058-04

2016-12-01，

2017-02-20

杨永伟（1983），男，山西忻州人，2006年毕业于太原科技大学自动化专业，工程师，从事各类型火力发电厂的整套调试工作、性能试验及燃烧优化调整等工作；

周自强（1984），男，江苏徐州人，2009年毕业于东南大学动力机械及工程专业，硕士，高级工程师，从事电力信息化工作；

范诚豪（1982），男，上海人，2009年毕业于东南大学动力机械及工程专业，硕士，工程师，从事各类火力发电性能试验等工作。