高位收水排烟冷却塔经济性与技术特点分析

吴刚

（华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏 镇江 212000）

高位收水排烟冷却塔经济性与技术特点分析

吴刚

（华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏 镇江 212000）

冷却水的冷却过程是电力生产中的一个关键环节，目前我国普遍使用冷却塔来实现水冷却，冷却塔的冷却性能直接关系电站的经济性、安全性及稳定性。本文结合电厂的实际运行经验，对哈蒙公司在世界范围内首次提出的高位收水排烟冷却塔的经济性、技术特点以及其所采用设备的优势进行分析，旨在为新型冷却塔的设计提供技术支持。

冷却塔；经济性；技术特点

1 研究背景

火电厂在生产电能的同时会排放出大量的热量，生产过程中需要大量的水或者空气来对这些热量进行冷却，冷却塔就是通过空气或水之间的传热、传质实现水冷却的关键设备［1］。冷却塔在我国火电厂的应用广泛，其冷却性能直接关系电厂的安全、稳定运行。近十年来，我国电力工业发展迅速，冷却塔的直径和高度不断增加，冷却塔已成为我国火力发电厂中单体体量最大的构筑物；同时，火电机组也呈现出向大容量、高参数、低排放方向发展的新趋势［2］。因此，设计结构安全、稳定运行并且节能、环保的大型冷却塔具有极其重要的理论意义和工程价值。

哈蒙公司作为冷却塔行业的领军企业，一直致力于冷却塔技术的不断发展创新。在过去30年间，哈蒙开发先进的冷却塔设计理念、高效的换热产品以及新型的节能环保冷却塔为发电站业主带来了可观的经济效益，同时也为整个冷却塔行业注入了新的活力。本文结合项目经验，对哈蒙公司提出的高位收水排烟冷却塔的经济性、技术特点以及其所采用设备的优势进行详细分析。高位收水排烟冷却塔是将烟塔合一与高位收水两项技术同时运用于冷却塔的设计之中，这在世界范围尚属首例，但技术准备是充足的，材料设备都已经经过实际工程的验证。通过整体设计优化、成熟可靠的设备制造、可靠产品质量，使电站的总体投资得到优化，实现机组性能的提升，为我国新型冷却塔的设计提供了技术支持。

2 电厂运行实例

2.1 平山电厂运行实例

安徽淮北平山电厂一期工程建设2×660MW超超临界发电机组，规划建设容量4×660MW。工程采用扩大单元制、带逆流式自然通风排烟冷却塔（以下简称“排烟冷却塔”）的循环冷却供水系统，冷却塔同时排放脱硝、脱硫后的烟气。每台机组配一座的排烟冷却塔，本期共建设2座排烟冷却塔。主机配置情况：凝汽器面积为37 000m2循环水冷却倍率60倍，循环水量为20.39m3/s。年平均气象条件：年平均气温14.5℃，大气压1 013.0hPa，相对湿度70%，冷却塔出水温度要求不高于20.8℃时，汽轮机组的设计背压为4.8kPa。哈蒙公司通过优化设计，运用高效耐结污结垢填料并采用悬吊技术，使冷却塔淋水面积优化到7 800m2，两座塔土建及防腐造价节省超过1 500万人民币。

2.2 安庆电厂运行实例

安庆电厂位于在安庆郊区广济圩内，一期工程2× 300MW已经建成投产，二期工程拟建设2×1 000MW超超临界湿冷机组，同步建设烟气脱硫装置和脱硝装置。于2012年12月8日正式开工，2014年12月8日#3机投产，2015年02月8日#4机投产。循环水系统的冷却倍率3-11月为60，其他时间为45倍，另外每台机组的辅机水量约3 400m3/h，据此可计算得TMCR工况下3-11月循环水量为29.05m3/s，其他为22.03m3/s。温度条件为：年平均气温16.5℃，大气压1 014.0hPa，相对湿度76%，冷却塔出水温度要求不高于21.0℃时，汽轮机组的设计背压为4.89kPa。

安庆项目作为第一批采用哈蒙高位收水冷却塔技术的工程项目，目前已经成功投运，各项指标满足业主要求。哈蒙公司在安庆项目后，积极实施在国内的生产优化，降低高位塔设备制造成本和管理成本，在后续项目中可以使设备部分成本降低约8%，进一步提高了高位塔的经济性。

2.3 庐江项目实例

庐江项目和平山项目同在安徽省境内，气象条件、机组规模都较为接近。庐江项目对于机组背压要求较平山项目更高，淋水面积会超过8 000m2，初步考虑配置冷却塔淋水面积约为8 300m2，冷却塔高度175m。实施高位烟塔方案，两座塔的总体投资（包括土建、塔芯设备、冷却塔防腐以及塔内玻璃钢烟道等）约为23 000万元。

如果冷却塔淋水面积加大到9 500m2，冷却塔高度升高到185m，冷却塔投资会加大，但是冷却塔能力会有明显提升，出塔水温可以下降1℃，降低到20℃以下，背压可下降约0.3kPa，有助于机组提升出力、降低煤耗。总体投资增加约3 000万元（包括土建投资增加、烟塔防腐材料和施工的增加、塔内烟道和塔芯设备的增加等）达到26 000万元；单纯从煤耗节省角度考虑，两个方案相比每年节煤成本约为200万元，而如果同时考虑出力增加和部分节煤效果，粗略估计收益可超过300万人民币。这样比较，增加的投资回收期大约在10～15年。

以上经济分析比较粗略，对于相关的投资预算和收益比较还需要进一步细化。总体上讲，方案一从优化初投资角度来看是理想的选择，而方案二则能为业主带来长期收益，因此进一步的论证和优化还是非常有必要的。

3 高位收水排烟冷却塔的技术特点

哈蒙公司通过长期的优化设计，使所设计的高位收水排烟冷却塔性能得到整体优化，具体细节如下。

①采用的8×8m柱间距降低了空气阻力，提高换热效果，同时也简化了土建工作；塔内竖井设计降低空气阻力，减小对空气的阻碍作用［3］。

②在塔内半径位置上设置混凝土挡风墙，自进风口至塔中心、水面至填料下方，有效调整塔内空气分配状况；塔内只有一层水泥梁设计，简化塔内结构，降低空气阻力，提高换热能力；符合空气动力学的下环梁和人字柱设计，优化空气阻力（如图1所示）。

图1 气流方向示意图

③采用高效换热填料并且填料全部悬吊，换热面积完全没有被阻挡；自动的溢流旁通设计不需要安装阀门和多孔管，同时溢流旁通设计可以允许在不规则的水流量状况下，在配水槽中保持相同的水平面，优化、稳定配水效果。

④中央竖井管的进水口在水池底下，避免了由于水池底部的阻碍物而造成的水流波动；冷却塔出水口前设置了清淤池，有效将淤泥积存于固定位置，方便清淤工作；冷却分区设计使机组调节灵活，有效避免冬季运行中结冰现象，保障机组安全运行。

4 高位收水排烟冷却塔的设备优势

4.1 悬吊式设计

近年来，在电站大型冷却塔中，哈蒙换热填料总是采用悬吊形式（如图2所示）。这样就可以在冷却塔内部，配水管道和淋水区域上方只布置一层梁网。取消了填料下方的支撑梁，对水流、空气没有任何阻挡，提高了整体的性能。

图2 悬吊式装置示意图

相对于通用的搁置布置，悬吊布置有以下几点显著的优势：①换热效率高，对于相同尺寸的冷却塔出水温度更低；塔内通风区域可高达90%；降低阻风面积约为11%；②有限降低塔内空气阻力，最大程度降低冷却塔出水温度；降低水泵扬程，厂用电消耗更低；③塔内只有一层混凝土梁，塔内支柱布置采用大间距布置；塔内混凝土用量少节约投资而且施工进度更快。

4.2 塔芯设备优势

哈蒙公司坚持在其自己的工厂（法国、印度或中国）中生产主要的热力设备已经有30多年。通过高水平的生产管理经验和先进的生产设备，提供性能优越、可靠、耐用的产品。保证设备有较长的使用寿命，这也是哈蒙公司的产品备受核电公司的青睐的原因。

4.2.1 换热填料。哈蒙的填料开发，长期以来不但注重改善其换热性能，更兼顾了产品的耐用性和对不同条件的适用性。依据应用领域不同、水质不同选取最为适合的填料种类，以确保设备使用不会有污脏和结垢问题出现。为此，哈蒙公司推出了一系列的产品（如图3所示）。

图3 换热填料系列产品图

在本项目上的海水水质，哈蒙依据其水质情况推荐是CleanFlow+TM填料。这种填料形式有非常好的通过性，在最大程度上优化了换热性能，同时尽可能降低结污、结垢风险，以达到更长的使用寿命［4］。通过“非接触式”设计，热水在填料片表面均匀分布，经过特定波纹加强了水团的旋转和与空气的接触，而不会积存任何脏污固体。与早期的复合波填料相比，CleanFlow+TM填料的脏污率仅为其49%。可长期在悬浮物浓度80mg/kg的循环水中工作，短时悬浮物浓度接受度可达到100mg/kg。哈蒙提供的优质的填料，有非常好的机械性能，正常条件下其使用寿命可以超过20a，节约后期维护成本，并能降低运行中因填料质量而造成的风险。

4.2.2 配水与喷头。通过间距均匀排布的配水管道网络，合理的配水设计，可以使热水被均匀地分布在其下方的填料上。通过配水槽上部的开口给这些管道供水，这样循环水中的淤泥将沉淀在布水槽底部而不会被带到管道中造成堵塞（如图4所示）。

图4 喷头和喷水设施

在管道的下部都留有预钻孔，并装有处理过的塑料卡盘用来安装喷头和溅水盘。每套喷头和溅水盘都可以根据需要单独拆下，有非常好的可互换性。在每列管子的段头都安有防水冲击的端盖。向下的配水过程事实上是一种自清洗的过程，通常不需要额外的维护。碰头的直径也可以有效避免凝汽器通球造成阻塞［5］。碰头的下溅水盘除了采用PP材料以外，还加入纤维材料增加其强度和韧性，确保可以使用20a。

4.2.3 除水器。放置单层除水器以有效降低漂滴造成的水损失。除水器包括预组装的PVC波纹板和聚丙烯定距器（45mm），由防锈夹具固定（见图5）。除水器放置在水泥梁上，可以方便拆卸，以进入查看布水管道。板片厚度1.2mm，确保20a使用寿命。

图5 除水器实物图

45mm间距的除水器可满足技术规范中漂滴损失的要求（0.01%）。但当项目处于较干旱地区、用水相对紧张时，如果有更高标准的要求，可采用哈蒙Wave25的除水器，可将漂滴损失缩小一个量级达到0.001%。

4.2.4 高位收水装置。对于蒸发式冷却塔的一项主要选择因素是水泵扬程。实际上，闭式循环自然通风冷却塔大约有近70%的运行费用来自泵的消耗，这需要同投资成本一起进行优化。高位收水装置可以使循环水维持较高的势能；另一项显著的优点是没有雨区降雨噪声（噪声水平可以降低大约8～10dB）在自然通风冷却塔中降雨是主要的噪声来源［6］。由于使用高位收水装置，可以使降雨基本全部消除。这保证了对环境只造成非常小的噪声影响，也因此不再需要额外的减噪装置（如空气进口处的隔板、冷水水池处的斜板或围绕冷却塔的隔音墙）。高位收水装置仿真模型见图6。

图6 高位收水装置仿真模型

①更好的配风和对换热的控制。为了降低空气阻力和内部水侧阻力，高位收水装置的形状经过了哈蒙公司特别的研究和设计。取消了雨区之后，冷空气可以自由地到达冷却塔中心不被阻挡，并不被加热（在常规的降雨式的冷却塔中会发生），特别是对于超大型冷却塔，高位收水装置具有良好的换热功能。

②降低了军团菌风险（没有与冷却水接触或接近）。在空气进口处没有水溅出。避免了降雨加强风出现时水的溅出。此外，收水装置上装有防溅出材料。这种材料装在收水装置的斜板上，水滴在防溅出材料上被收集防止了水滴的溅出。同时，这种材料也防止了水滴撞击斜板产生的噪音。

③干水池。在冷却塔底部没有冷却水水池，所以池子是干燥的，这使得可以在运行时进入塔内对水泥支柱进行肉眼检查。与传统的“降雨式”冷却塔不同，高位收水塔不需要深的泵坑。出水借口得到简化。每个收水装置由PVC斜板开始，之后水流入FRP水槽中。需要注意的是，收水装置被设计为没有任何中间支撑的自支撑结构。在许多由良好的操作员运行的自然通风冷却塔中，高位收水装置已经运行30多年，没有任何问题。

5 结语

随着我国能源发展策略的调整，高效环保、节能减排已经成为发电行业的新趋势，高参数大容量的机组将成为能源行业的主要发展方向，本文所介绍的高位收水排烟冷却塔符合节能环保的要求，其技术成熟可靠，材料设备通过了实际工程的验证，这项创新举措为我国新型冷却塔的设计提供了技术支持，同时也将使电厂的综合性能以及环保指标再创新高。

［1］张晓东，王清照.侧风对自然通风空冷塔冷却性能的影响［J］.中国电力，1999（6）：34-36.

［2］刘明.自然通风湿式冷却塔配水特性及气动特性的数值分析［D］.济南：山东大学，2004.

［3］赵振国.冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［4］李秀云，林万超.冷却塔的节能潜力分析［J］.中国电力，1997（10）：34-36.

［5］赵振国，石金玲，魏庆鼎，等.自然风对空冷塔的不利影响及其改善措施［J］.应用科学学报，1998（1）：112-120.

［6］杜向东.干式冷却塔风影响实验研究［D］.北京：北京大学，1996.

Research on the Economic and Technical Characteristics of High Temperature Water Absorption and Exhaust Cooling Tower

Wu Gang
（Huadian Jiangsu Energy Co.,Ltd.Jurong Power Plant，Zhenjiang Jiangsu 212000）

The cooling process of cooling water is very important in power generation industry.At present,cooling tower is widely used in our country,the performance of cooling tower has great effect on economy,stability and securi⁃ty of power plant.The economic performance,technical characteristics and advantages of the equipment of Harmon's first cooling tower are analyzed in detail combined with the actual operation experience in this paper.The goal of this paper is to provide technical support for the design of new cooling tower.

cooling tower；economy；technical characteristics

TK124

A

1003-5168（2017）08-0086-04

2017-07-01

吴刚（1972-），男，大专，助理工程师，研究方向：各类大型水泵的检修与技术研究。