費全昌

(電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

我國冷卻塔應(yīng)用現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

費全昌

(電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

冷卻塔在我國火電廠的應(yīng)用廣泛。冷卻塔技術(shù)在我國的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展極為迅速，尤其是在逆流式通風(fēng)冷卻塔方面，先后建成投產(chǎn)的多座淋水面積超10000m2的超大型自然通風(fēng)逆流塔(包括海水冷卻塔、排煙冷卻塔)和超大型間接空冷塔；在內(nèi)陸核電站冷卻塔應(yīng)用方面，也開展了一系列研究和方案設(shè)計；此外，高位收水塔和橫流塔方面也有小規(guī)模小范圍的應(yīng)用案例。隨著冷卻塔直徑、高度的不斷增加，冷卻塔已變成火力發(fā)電廠內(nèi)單體體量最大的構(gòu)筑物，如何設(shè)計結(jié)構(gòu)安全、運行安全、冷卻效率高的大型冷卻塔是我國工程師面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，也給廣泛的國際合作創(chuàng)造了條件。

火力發(fā)電廠；冷卻塔；應(yīng)用。

1 冷卻塔在中國的發(fā)展過程

由于我國“缺油、少氣、多煤”的自然資源特點，以火力發(fā)電為主的能源供應(yīng)模式必將在相當長時間維持不變。另外，我國還是一個干旱缺水嚴重的國家。淡水資源總量為2.77萬億m3，居世界第6位，但人均只有2200m3，僅為世界平均水平的1/4，在世界上名列110位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。因此，除部分南方和海濱地區(qū)可以采用直流冷卻方式外，大部分地區(qū)火力發(fā)電廠采用帶自然通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)冷卻方式，但在北方缺水地區(qū)，采用更節(jié)水的空冷方式。當采用間接空冷方式時，也需要建設(shè)大型的自然通風(fēng)間接空塔。

我國冷卻塔技術(shù)起步晚，但發(fā)展迅速(圖 1)。20世紀80年代末我國引進了比利時哈蒙公司(HAMON)冷卻塔的設(shè)計技術(shù)，并開發(fā)了基于有限元分析的電腦輔助計算和繪圖程序，促進了雙曲線自然通風(fēng)冷卻塔在中國的廣泛應(yīng)用。

圖1 冷卻塔高度(m)隨年度變化圖

據(jù)估計，全國有超過1000座大小不等的冷卻塔，其中絕大部分為常規(guī)逆流式自然通風(fēng)冷卻塔。中國的第一座自然通風(fēng)冷卻塔于1936 年建于撫順發(fā)電廠，塔高50m，淋水面積1000m2。隨著我國一大批超超臨界百萬機組電廠的建設(shè)，超大型冷卻塔(淋水面積超過10000m2)的應(yīng)用開始在國內(nèi)逐步出現(xiàn)。正在研究的內(nèi)陸核電站淋水面積將達到18000m2以上，高度超過200m。隨著超大型冷卻塔的研究和設(shè)計的深入，預(yù)示著我國的冷卻塔技術(shù)進入了新的發(fā)展階段。

2 不同冷卻塔形式在中國的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 常規(guī)濕冷塔

常規(guī)濕式冷卻塔一般采用淡水作為冷卻介質(zhì)，經(jīng)凝汽器換熱后的高溫循環(huán)水通過設(shè)于淋水填料上部的噴頭噴淋后，在淋水填料表面形成水膜，與冷空氣進行換熱。換熱后的低溫水落入冷卻塔水池，而換熱后的熱空氣通過冷卻塔上口排入大氣中。國內(nèi)投運最早的超大型冷卻塔是山東鄒縣電廠四期1000MW 火電機組的常規(guī)冷卻塔，該冷卻塔淋水面積為12000m2，塔高165m，進風(fēng)口高11.64m，喉部直徑75.21m，斜支柱(Ф1.1m)48對，風(fēng)筒最小壁厚220mm，環(huán)板型基礎(chǔ)。

2.2 海水冷卻塔

國際上海水循環(huán)冷卻水的應(yīng)用已有多年歷史，從20世紀50年代中期，英國公司率先采用了海水冷卻塔以來，世界上已經(jīng)有20多個國家采用了海水冷卻塔，尤其如美、英、法、德、南非等國家已經(jīng)有比較多的應(yīng)用。隨著環(huán)保要求的提高，為了減少電廠溫排水對敏感海水的影響，我國部分濱海地區(qū)的火力發(fā)電廠也采用了帶自然通風(fēng)冷卻塔海水二次循環(huán)冷卻方式。如浙江寧海電廠二期工程2×1000MW 機組和天津北疆發(fā)電廠一期工程2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組也采用了海水冷卻塔。

浙江寧海電廠二期工程2×1000MW機組，每臺機組配備一座13000m2海水冷卻塔，冷卻塔主要尺寸如下：塔高177.15m，進風(fēng)口高12.0m，塔體底殼直徑133.36m，喉部直徑77.94m，斜支柱(Ф1.1m)48對，風(fēng)筒最小壁厚0.22m，環(huán)板型基礎(chǔ)。

2.3 高位收水塔

帶有高位收水裝置的冷卻塔是20世紀70年代末由法國電力公司和比利時哈蒙冷卻塔公司設(shè)計研究提出的節(jié)能型濕式自然通風(fēng)冷卻塔，并在法國20世紀80年代建造的1300MW核電站中開始應(yīng)用。

20世紀90年初我國在設(shè)計陜西蒲城電廠一期工程2×330MW機組，采用了自主設(shè)計的2座淋水面積4750m2的高位收水冷卻塔，塔高131.48m，底部直徑87.432m，喉部高度95.323m，喉部直徑46.9m，出口直徑51.834m。

高位收水塔造價較常規(guī)冷卻塔高約22%，但節(jié)能效果明顯。該高位收水塔為目前國內(nèi)唯一一座建成的高位收水塔，存在收水裝置漏水和冬季結(jié)冰等問題，影響了高位收水塔在國內(nèi)的進一步應(yīng)用。

國內(nèi)目前開展工作的還有重慶萬州1000MW機組高位收水塔，由國內(nèi)設(shè)計院與HAMON公司聯(lián)合設(shè)計，初步設(shè)計方案中淋水面積13000m2，冷卻塔總高191.0m，底部直徑140.3m，進風(fēng)口高度13.8m。

2.4 間接空冷塔

目前我國富煤缺水地區(qū)電廠已廣泛應(yīng)用空冷系統(tǒng)，間接空冷系統(tǒng)由于其較好的安全性和運行穩(wěn)定性將可能成為未來的首選，應(yīng)用前途和市場前景廣闊。

我國最早建成投運的大型間接空冷塔為山西陽城電廠空冷塔，塔高150m，環(huán)基直徑143m。山西山陰發(fā)電廠2×300MW機組2機一塔間接空冷塔高165m，直徑160m，是國內(nèi)直徑最大的冷卻塔。寧夏水洞溝電廠一期2×600MW機組間接空冷塔高172m，直徑145.5m。目前，國內(nèi)間接空冷塔的建造規(guī)模已超過國外。

2.5 煙塔合一

煙塔合一方案在國內(nèi)也廣泛應(yīng)用，其中哈爾濱第一熱電廠、天津軍糧城電廠和河北三河電廠為國內(nèi)最早采用煙塔合一方案的電廠。早期的應(yīng)用經(jīng)驗表明，煙塔合一方案冷卻塔的防腐問題比較突出。

目前國內(nèi)最大的煙塔合一冷卻塔是江蘇徐州電廠2×1000MW超超臨界機組冷卻塔。該排煙塔為國內(nèi)首臺百萬機組排煙冷卻塔，排煙冷卻塔風(fēng)筒采用雙曲線型現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高167.16m，喉部高129.68m，進風(fēng)口高11.70m，塔頂內(nèi)面直徑80.688m，喉部內(nèi)面直徑76.79m，進風(fēng)口內(nèi)面直徑125.042m，風(fēng)筒殼體采用分段等厚，最小厚度0.22m，最大厚度1.20m，冷卻塔風(fēng)筒由人字柱與環(huán)板基礎(chǔ)連接，人字柱和環(huán)板基礎(chǔ)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。冷卻塔塔體開孔直徑為10.50m，中心標高40.50m。玻璃鋼內(nèi)徑8.50m玻璃鋼煙道壁厚為31mm。

陜西寶雞第二發(fā)電廠擴建(2×660MW)工程采用海勒式間接空冷系統(tǒng)，間接空冷塔為國內(nèi)第一座“三合一”間接空冷塔，“三合一”指：冷卻、脫硫、排煙均利用間接空冷塔，空冷塔塔筒采用雙曲線鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高170m，出口直徑84.466m，進風(fēng)口標高27.5m，直徑125.664m，喉部高145m，直徑82m，筒壁最大壁厚1.9m，筒壁最小厚度0.25m，塔筒上端設(shè)有剛性環(huán)，塔筒外側(cè)分布82條豎向通長凸肋，筒壁下部設(shè)置41組 “X”型支柱。

陜西秦嶺電廠采用表凝視間接空冷系統(tǒng)，采用“三合一”間接空冷塔，空冷塔高179.81m，底部直徑131.5m，喉部直徑為83m，出口直徑85m，混凝土澆筑總量達到15500m3，共有38對垂直高度為27.8m的 “X”支柱支撐，是目前亞洲同類型機組中最高的間冷塔。

2.6 機械通風(fēng)冷卻塔

機械通風(fēng)冷卻塔在大型火力發(fā)電廠應(yīng)用較少，但在大型燃機發(fā)電廠中應(yīng)用較為廣泛。內(nèi)蒙古包頭第二熱電廠2×200MW機組，每臺機組配6座逆流式機力通風(fēng)冷卻塔，每間冷卻水量為4200m3/h，風(fēng)機功率為160kW。2×200MW機組的2個塔組平行布置，塔組凈距為20m。

北京太陽宮燃氣熱電冷聯(lián)供電廠位于北京城區(qū)，是北京2008年奧運會配套建設(shè)項目，建設(shè)一套780MW“二拖一”燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，配置9座18×18×24m的機械通風(fēng)冷卻塔，一字型布置。為了減少對鄰近居民區(qū)的噪聲影響，采用單面進風(fēng)布置，并設(shè)置了降噪措施及景觀美化。

3 冷卻塔設(shè)計研究現(xiàn)狀

中國現(xiàn)有20多家火力發(fā)電設(shè)計單位，設(shè)計單位具有600MW機組以上設(shè)計資質(zhì)和工程經(jīng)驗。全國從事冷卻塔設(shè)計的工程師約數(shù)百人，具有良好的教育背景、豐富的工程經(jīng)驗和完善的軟硬件設(shè)施。國內(nèi)也有多家研究機構(gòu)和大學(xué)在冷卻塔方面均有較深的研究能力，如北京水利水電科學(xué)研究院、北京大學(xué)和浙江大學(xué)等。

近幾年，針對大型火力發(fā)電廠和內(nèi)陸核電建設(shè)的需要，多家設(shè)計單位與國內(nèi)科研機構(gòu)針對大型冷卻塔、煙塔、海水冷卻塔等開展了一系列實驗研究，包括大型風(fēng)洞實驗、冷卻塔風(fēng)荷載實測、冷卻塔塔群效應(yīng)分析、大型冷卻塔有限元動靜力分析、三維有限元結(jié)構(gòu)分析、不同有限元軟件對比分析、多國標準對比分析、冷卻塔倒塌研究、多維有限元熱力分析優(yōu)化等，積累了大量的研究數(shù)據(jù)，對大型冷卻塔的設(shè)計建設(shè)提供了一定基礎(chǔ)支撐。同時，多家設(shè)計單位以實際工程為原型的大型冷卻塔聯(lián)合設(shè)計也已開展到相當?shù)纳疃?，如華東設(shè)計院與GEA公司研究的湖南桃花江核電大塔高200m，已完成初步設(shè)計方案；HAMON公司參與設(shè)計湖北咸寧核電大塔、江西彭澤核電站大塔設(shè)計等已完成初步設(shè)計方案。此外，中國能源建設(shè)建團還成立了專門的大型冷卻塔研究中心。

國內(nèi)設(shè)計院根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和自主研發(fā)的完善的冷卻塔熱力計算、結(jié)構(gòu)有限元計算軟件，可以完成一般的冷卻塔設(shè)計工作，同時，多家設(shè)計院和研究機構(gòu)采用FLUENT軟件或其他有限元程序?qū)鋮s塔的熱力性能進行二維、三維模擬計算，確保滿足設(shè)計工況要求和運行安全；采用通用有限元程序ANSYS、SAP、ASTRAN和ABAQUSD等同步進行力學(xué)分析對比，以保證冷卻塔滿足的結(jié)構(gòu)安全。在與國外著名冷卻塔設(shè)計公司如HAMON、GEA等聯(lián)合設(shè)計過程也表明，國內(nèi)設(shè)計能力與國際公司處于同一水平。

4 面臨的挑戰(zhàn)

4.1 大容量機組需要建設(shè)更大型的冷卻塔

中國電力工業(yè)發(fā)展迅速，近10年電力工業(yè)年均發(fā)電量增速達11%，火電機組呈現(xiàn)出向高參數(shù)、大容量、低排放方向發(fā)展，目前單機容量已達1000MW，超1000MW機組也在研究中。內(nèi)陸1000MW級核電機組和北方缺水富煤地區(qū)火電發(fā)電廠1000MW間接空冷系統(tǒng)也正在研究中。大容量火電機組及內(nèi)陸核電的建設(shè)對大型冷卻塔的設(shè)計和建設(shè)提出了迫切需要。

隨著冷卻塔的大型化、多樣化，對冷卻塔安全的也提出了更高的要求。冷卻塔的安全涉及兩個方面：一是運行安全。冷卻塔的設(shè)計和建設(shè)應(yīng)滿足電廠安全經(jīng)濟運行的要求，滿足不同設(shè)計工況下的冷卻性能要求。二是結(jié)構(gòu)的安全。冷卻塔作為大體量薄壁殼體結(jié)構(gòu)，在不同荷載作用下、在整個設(shè)計壽命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全問題事關(guān)重大，隨著冷卻塔高度、直徑的加大，如何確保冷卻塔的整體、局部的結(jié)構(gòu)安全顯得愈加重要，需要更加深入的研究。同時，還要在滿足安全的前提下，盡可能降低工程造價，也是工程師的重要任務(wù)。

4.2 冷卻塔設(shè)計應(yīng)更加注重環(huán)境保護

中國經(jīng)濟高速發(fā)展也正在付出嚴重的環(huán)境代價，全國多地多次出現(xiàn)的嚴重霧霾天氣就是一個很好例子。火力發(fā)電廠作為大型燃煤企業(yè)，也成為了眾矢之的。國家對火力發(fā)電廠的建設(shè)提出了更高的環(huán)保要求，同步建設(shè)脫硫脫硝設(shè)施，并對脫汞進行研究，而且禁止在部分人口密集的發(fā)達地區(qū)禁止新建火力發(fā)電廠。因此，冷卻塔的建設(shè)也應(yīng)滿足更高的環(huán)保要求，部分城市地區(qū)要求減少或消除冷卻塔霧羽、飄滴以及對冷卻塔本體進行美化，減少對城市景觀的影響；要求降低冷卻塔對周邊或廠內(nèi)的噪音影響，設(shè)置降噪措施或采用低噪音冷卻塔方案；為節(jié)約淡水資源與減低海洋熱污染，要求采用海水冷卻塔；對用地范圍、煙囪限高或其它條件受限的電廠項目，要求采用排煙冷卻塔的方案等。

4.3 冷卻塔設(shè)計應(yīng)更加注重節(jié)能降耗

為了大幅降低能耗，國家對項目建設(shè)提出了嚴格的節(jié)能標準。同時，不斷上漲的基礎(chǔ)能源價格，如煤價，也促進了節(jié)能技術(shù)和設(shè)計理念的推廣。作為火電機組，較低的冷卻水溫可以減低機組運行背壓，而較低的機組背壓可以減少單位煤耗，從而達到節(jié)能的目的。但較低的冷卻水溫卻對冷卻塔的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，一是加大冷卻塔的面積；二是更高效率的淋水填料；三是更加均勻的配風(fēng)配水系統(tǒng)；四是減少過程中水力損失，如采用高位收水塔；五是提高預(yù)熱利用等。

冷卻塔的主要功能是冷卻，在濕冷塔和空冷塔中，塔芯材料和散熱器分別是保證冷效的關(guān)鍵產(chǎn)品。我國濕冷塔塔芯材料在20世紀80、90年代隨著HAMON冷卻塔技術(shù)的引進吸收和消化，有過一個時期的產(chǎn)品研發(fā)和改進高潮，但近十年鮮有高效新產(chǎn)品問世，空冷散熱器新產(chǎn)品研發(fā)能力不足，產(chǎn)品更新慢，這或已成為國內(nèi)冷卻塔技術(shù)持續(xù)發(fā)展的一個薄弱環(huán)節(jié)，因此跟蹤國外先進產(chǎn)品信息、加強新產(chǎn)品研發(fā)也將成為必須。

4.4 落后的標準對冷卻塔設(shè)計的制約。

國內(nèi)雖然已經(jīng)建設(shè)了多座淋水面積超10000m2的冷卻塔，但對200m以上的大型冷卻塔的設(shè)計還沒有達成共識。近幾年國內(nèi)多家設(shè)計研究單位，已經(jīng)開展了多方面的研究工作，如中國能源建設(shè)集團還相繼制訂《超大型冷卻塔設(shè)計導(dǎo)則》、《排煙冷卻塔設(shè)計導(dǎo)則》、《海水冷卻塔設(shè)計導(dǎo)則》等，很大程度彌補了這方面的不足。國家也已經(jīng)制定了部分有關(guān)冷卻塔的設(shè)計技術(shù)標準和規(guī)范，但是在相關(guān)冷卻塔標準方面還比較落后，且更新速度也不能滿足冷卻塔技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。同時，由于缺乏長期和持續(xù)的研究投入，我國還面臨著基礎(chǔ)研究和科技人才的缺乏的不利局面，制約了大型冷卻塔和不同類型冷卻塔在中國的應(yīng)用。

五 結(jié)語

綜上所述，我國冷卻塔技術(shù)起步晚，發(fā)展快，目前已接近國際領(lǐng)先水平。已建成多座淋水面積超10000m2超大型自然通風(fēng)常規(guī)塔、海水冷卻塔、排煙冷卻塔、“三合一”冷卻塔、間接空冷塔等，正在研究適用于內(nèi)陸核電淋水面積將達到18000m2，高度超過200m以上的冷卻塔。

隨著我國的能源發(fā)展政策的調(diào)整，高效環(huán)保、節(jié)能減排是我國發(fā)電行業(yè)的發(fā)展趨勢，高參數(shù)大容量機組以及核電站等將成為我國能源行業(yè)主要發(fā)展方向?；?、核電單機容量的增加以及大型間接空冷機組的建設(shè)，超大型冷卻塔研究和設(shè)計需求量將急劇增加。雖然塔底部直徑達180m～190m、高度超過200m的超大型冷卻塔研究已經(jīng)起步，但還面臨著基礎(chǔ)研究薄弱、市場要求迫切、設(shè)計標準落后、更高環(huán)保要求等多方面的諸多難題。如何設(shè)計更大型、更高效、更多樣、更安全的冷卻塔設(shè)計是中國工程師面臨的重大挑戰(zhàn)，也給與國外著名冷卻塔設(shè)計企業(yè)合作提供了廣闊空間。

[1]中國電力企業(yè)聯(lián)合會．中電聯(lián)發(fā)布2012年全國電力工業(yè)運行簡況[EB/OL]．(2013-01-18)[2013-10-25].http://www.cec.org.cn．

[2]全國發(fā)電機組手冊(2012年度)[M]．北京：電力可靠性管理中心，2013．

[3]中國工程院“21世紀中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究”項目組．中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報告[J]．中國工程科學(xué)，2000，2(8)．

[4]陳志愷．中國水資源的可持續(xù)利用問題[J]．中國水利，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

費全昌(1969- )，男，甘肅永登縣人，碩士，高級工程師，主要從事火力發(fā)電廠水工設(shè)計、咨詢和評審等工作。