趙世偉， 王川川， 馬心雨

(1. 國電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南 平頂山 467312；2. 國電投河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司，河南 焦作 454150)

高位收水冷卻塔技術(shù)在百萬千瓦火電機組中的應(yīng)用

趙世偉1， 王川川1， 馬心雨2

(1. 國電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南 平頂山 467312；2. 國電投河南電力有限公司沁陽發(fā)電分公司，河南 焦作 454150)

闡述高位收水冷卻塔的技術(shù)特點，分析在某百萬千瓦火電機組中的應(yīng)用狀況，提出確?；痣姍C組安全運行的技術(shù)措施。該塔型配置的循環(huán)水泵靜揚程可減少30%，軸功降低32.1℅，節(jié)能效果十分顯著，可為同類火電機組高位收水冷卻塔技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

冷卻塔; 高位收水; 收水槽; 循環(huán)水泵

在采用閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的火電機組中，循環(huán)水泵是主要的耗電設(shè)備。在國家倡導(dǎo)各行業(yè)節(jié)能降耗的大背景下，降低電廠循環(huán)水泵的軸功率，有利于降低整個火電機組的廠用電率，提高機組上網(wǎng)電量。20世紀(jì)70年代，高位收水冷卻塔技術(shù)的提出，為降低火電機組循環(huán)水泵軸功提供了技術(shù)依據(jù)。國內(nèi)一些研究院對高位收水冷卻塔技術(shù)也進行了相應(yīng)的研究和技術(shù)儲備，目前由西南電力設(shè)計院負(fù)責(zé)設(shè)計的高位收水冷卻塔，在某百萬千瓦火電機組得到了成功應(yīng)用。

高位收水冷卻塔設(shè)置高位收水斜板和收水槽，匯集雨區(qū)水流后引入循環(huán)水泵入口，維持循環(huán)水泵入口的高水位，有效降低了水泵的揚程，減小了循環(huán)水泵的軸功率，降低了火電機組的廠用電率，提高了機組的上網(wǎng)電量。高位收水冷卻塔降低了雨區(qū)的自由跌落高度，外圍冷空氣容易通過雨區(qū)進入塔芯區(qū)域，使整個填料系統(tǒng)配風(fēng)更加均勻[1]，冷卻塔的冷卻效果較好；雨區(qū)自由跌落高度的降低也大大減小了冷卻塔的噪音水平。因此，高位收水冷卻塔技術(shù)屬于節(jié)能、環(huán)保型技術(shù)，在百萬千瓦火電機組及內(nèi)陸核電站中應(yīng)用前景十分廣闊[2]。

1 高位收水冷卻塔技術(shù)

高位收水冷卻塔收水裝置布置在冷卻塔進風(fēng)口上面淋水裝置下部，由收水斜板和收水槽組成，安裝高度大約3m，收水裝置用鋼絲懸吊于土建支撐梁上，鋼絲承受收水裝置及循環(huán)水的重量，由于懸吊結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，施工過程中對懸吊的施工工藝要求較高[3]，收水裝置及懸掛結(jié)構(gòu)如圖1所示。

常規(guī)冷卻塔和高位收水塔示意如圖2所示，高位塔降低了冷卻塔雨區(qū)自由跌落高度，維持循環(huán)水泵入口高水位運行，循環(huán)水泵的揚程有所降低，軸功率降低30%以上。

圖1 高位收水冷卻塔收水裝置及懸吊結(jié)構(gòu)

圖2 常規(guī)冷卻塔和高位收水冷卻塔示意圖

隨著火電機組容量的不斷增大，冷卻塔的淋水面積不斷增大，大型冷卻塔雨區(qū)配風(fēng)配水不均勻性逐漸突出[4]，高位收水冷卻塔由于雨區(qū)自由跌落高度低，外圍冷空氣通過雨區(qū)進入塔芯區(qū)域的阻力小，冷卻塔配風(fēng)均勻；雖然高位收水冷卻塔雨區(qū)高度低，雨區(qū)換熱能力不如常規(guī)塔，但是常規(guī)塔的雨區(qū)阻力較大，塔芯配風(fēng)均勻性不如高位塔好；高位塔進風(fēng)口高度比常規(guī)塔高，進風(fēng)阻力比常規(guī)塔小，塔內(nèi)風(fēng)速有一定提高。綜合兩方面因素，同塔型參數(shù)的高位收水冷卻塔出水溫度要低于常規(guī)冷卻塔[5]。

高位收水冷卻塔設(shè)置收水裝置，無冷卻塔底部水池，有效防止塔池底部蓄水對冷卻塔地基的長期浸泡滲透，提高了冷卻塔塔體基礎(chǔ)的安全性；冷卻塔填料底部雨區(qū)跌落的水滴經(jīng)過收水裝置匯集，自由跌落高度減小70%以上，且跌落區(qū)域在冷卻塔筒壁內(nèi)部，大大降低了由跌落水滴造成的噪聲污染，據(jù)研究噪聲水平可以降低8～10dB[6]。

2 高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)特點

高位收水冷卻塔降低了雨區(qū)自由跌落高度，維持循環(huán)水泵入口的高水位運行，有效降低了循環(huán)水泵的軸功率，配置高位冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)有其自身的特點，通過分析其系統(tǒng)特點，提高系統(tǒng)運行的安全性、可靠性。高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)如圖3所示，主廠房的循環(huán)水回水→回水管道→冷卻塔回水豎井→配水槽、管道、噴濺裝置→淋水填料→自由跌落至收水斜板→高位收水槽匯集→集水流道→循環(huán)水泵入口閘板、前池→入口濾網(wǎng)→循環(huán)水泵升壓→循環(huán)水進水管道→汽輪機凝汽器及其他冷卻器→回水管道→冷卻塔換熱，進入下一次循環(huán)。

圖3 高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)示意圖

2.1 循環(huán)水泵揚程低

高位收水冷卻塔循環(huán)水泵入口維持高水位運行節(jié)約了水的勢能，使循環(huán)水泵軸功率大大降低。百萬千瓦超超臨界火電機組配置常規(guī)冷卻塔和高位冷卻塔循環(huán)水泵參數(shù)對比見表1，從直觀數(shù)據(jù)來分析，夏季工況下循環(huán)水系統(tǒng)維持三泵運行，配置高位收水冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)，單臺循環(huán)水泵揚程降低30.1%，軸功降低32.1%。百萬千瓦火電機組配置3臺循環(huán)水泵，總軸功減少達2844.9 kW，節(jié)能效果十分顯著。

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)蓄水能力小

高位收水冷卻塔的循環(huán)水系統(tǒng)進水間屬于窄深型水池，集水面積較小，儲存循環(huán)水容積小，由于循環(huán)水蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污損失水量，循環(huán)水補水系統(tǒng)故障或補水不及時，將造成進水間水位快速下降，循環(huán)水泵揚程增加、出力減少，機組背壓增加，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致循環(huán)水泵入口淹深不夠而無法維持運行，機組被迫停運。因此，對于高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)，設(shè)置合理、可靠的補水系統(tǒng)顯得十分重要，機組正常運行中，循環(huán)水補水系統(tǒng)發(fā)生故障時要迅速響應(yīng)，盡快恢復(fù)補水系統(tǒng)運行，否則將可能造成機組停運。

表1 高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的經(jīng)濟性評價

2.3 配水系統(tǒng)特點

循環(huán)水回水進入塔池回水豎井，豎井上方的配水槽將循環(huán)水分配給各個噴淋系統(tǒng)，配水槽設(shè)置2個雙層配水槽和2個單層配水槽[7]，配水槽的6個閘門，分別對應(yīng)6 個扇區(qū)，如圖4 所示。冬季工況時操作對應(yīng)的閘門，A和B中央扇區(qū)退出運行；夏季工況時所有扇區(qū)全部投入運行。豎井頂部設(shè)置100%容量的防溢流旁路[8]；所有扇區(qū)的閘門全部關(guān)閉時，循環(huán)水從旁路溢后流向收水槽，保證在任何情況下都不會有水從豎井中溢出，如圖5所示。

2.4 循環(huán)水系統(tǒng)啟動和停運特性

高位收水冷卻塔收水槽以上配水區(qū)域無法提前充水，循環(huán)水泵運行初期，循環(huán)水流經(jīng)配水區(qū)域后才能回到收水槽形成循環(huán)，循環(huán)水進入配水槽至流出期間，循環(huán)水泵前池水位將迅速降低；為防止循環(huán)水泵入口前池水位快速下降導(dǎo)致水泵汽蝕，啟泵前及啟泵后須對循環(huán)水泵前池進行補水，確保泵啟動配水槽充水后，前水池水位降低后仍能滿足循環(huán)水泵最小埋深要求。

正常運行中循環(huán)水泵入口前池維持高水位運行，由于水位以上空間較小，循環(huán)水系統(tǒng)停運前， 必須預(yù)先降低前池水位，否則停泵產(chǎn)生的涌水及配水系統(tǒng)的大量回水將使前池水位快速升高，造成大量水溢出，短時溢水量將與循環(huán)水流量相當(dāng)；冷卻塔零米設(shè)置圓形擋水墻，事故情況下，臨時儲存溢流水量。

圖4 回水豎井至各配水槽對應(yīng)扇區(qū)示意圖

圖5 豎井至溢流旁路示意

3 應(yīng)用經(jīng)濟性分析

重慶地區(qū)某工程建設(shè)規(guī)模為2臺1050MW 超超臨界濕冷機組，循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制閉式二次循環(huán)系統(tǒng)，該期工程機組采用國產(chǎn)超超臨界鍋爐及汽輪發(fā)電機組，同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝設(shè)施。主機冷卻水系統(tǒng)采用再循環(huán)冷卻供水系統(tǒng)，每臺機組配置一座自然通風(fēng)逆流式高位收水冷卻塔，設(shè)計循環(huán)倍率50倍，冷卻塔主要參數(shù)見表2。

表2 高位收水冷卻塔主要參數(shù)

每臺機組循環(huán)水系統(tǒng)配置3 臺循環(huán)水泵，1臺為單速電機(n=370r/min)，2臺為雙速電機(n=370～330r/min)，2臺機組設(shè)有6臺循環(huán)水泵布置在冷卻塔附近的循水進水間，每臺循環(huán)水泵入口配置2個平板濾網(wǎng)，交替運行，以滿足循環(huán)水泵的正常工作要求。2臺機組循環(huán)水出口母管設(shè)聯(lián)絡(luò)閥門，需要時可采用擴大單元制方式運行，提高系統(tǒng)運行的靈活性和經(jīng)濟性。

采用高位收水塔相比常規(guī)冷卻塔，初期投資將增加3860萬元，各項投資差額見表3。相比等效常規(guī)冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)，配置高位收水塔的循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)約水泵電機功率3 300 kW/h，每年節(jié)約運行費495.5萬元(扣除每年折扣的檢修費用)，按銀行貸款利率按7.05%計算，收回成本期為11年，機組壽命期內(nèi)經(jīng)濟效益明顯。采用高位收水塔同時可收到良好的節(jié)能減排效益與社會效益。

表3 高位收水冷卻塔與常規(guī)塔技術(shù)經(jīng)濟分析

4 高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)安全 運行措施

目前高位收水冷卻塔技術(shù)在國內(nèi)成熟應(yīng)用經(jīng)驗較少[9]，在百萬千瓦火電機組的應(yīng)用更是處于經(jīng)驗摸索階段,借鑒該機組循環(huán)水系統(tǒng)運行的經(jīng)驗，提出確保高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)安全運行的技術(shù)措施。

4.1 啟動控制

高位收水塔的結(jié)構(gòu)特殊，造成循環(huán)水泵啟動后循環(huán)水不能很快回流至循泵入口前池，必須等高位收水槽以上部分充滿水以后才能形成循環(huán)。運行中經(jīng)過實地測算，大約需要480 s后，才能回流至循泵入口前池，循泵啟動初期前池水位下降很快。因此，循環(huán)水泵啟動時，要重點防止前池水位下降過多，造成水泵汽蝕，影響循環(huán)水泵運行安全。實際運行中，采用以下方式啟動，先將冷卻塔配水方式切換為外圍配水模式，啟動一臺循環(huán)水泵運行正常后，待前池水位恢復(fù)至13.2 m以上后，啟動第二臺循環(huán)水泵運行，然后按照機組運行要求將冷卻塔配水方式切換至需求的模式運行。按照此方式啟動循環(huán)水泵前池水位降低約3.8 m，完全滿足循環(huán)水泵最小埋深要求。經(jīng)過多次驗證，該循環(huán)水泵的啟動方案是可以保證安全運行。

4.2 運行監(jiān)視

正常運行時，檢查冷卻塔豎井及循泵入口前池水位正常，前池水位在循環(huán)水純溢流模式下，平板濾網(wǎng)前水位維持13.0 m 以下，濾網(wǎng)前后水位差不大于30 cm，否則，聯(lián)系檢修清理臟污濾網(wǎng)；冷卻塔配水扇區(qū)開啟4個及以上時，控制平板濾網(wǎng)前水位13.5 m，配水閘門開啟數(shù)量應(yīng)與循環(huán)水泵運行數(shù)量對應(yīng)，2臺泵運行時配水閘開啟數(shù)量不少于4 個，3臺循泵運行時應(yīng)采用全塔配水模式。

正常運行時，加強冷卻塔收水斜板和收水槽漏水檢查，發(fā)現(xiàn)泄漏，立即通知檢修檢查處理，防止漏點擴大；冬季運行時，重點加強填料結(jié)冰情況的檢查，尤其是底層填料，發(fā)現(xiàn)有結(jié)冰現(xiàn)象時，應(yīng)立即提高循環(huán)水回水溫度，禁止關(guān)閉結(jié)冰區(qū)域冷卻塔水配水。機組冬季運行環(huán)境溫度小于3℃時，為防止水膜厚度不足或流速不足而結(jié)冰，循環(huán)水泵運行數(shù)量應(yīng)與配水閘門數(shù)量匹配，保證填料水膜厚度和水膜流速。

4.3 停運控制

機組停運后，在停運循環(huán)水泵之前，應(yīng)先停運冷卻塔補水系統(tǒng)，降低循環(huán)水泵入口前池水位至12m 以下，然后停止循環(huán)水泵。冷卻塔配水系統(tǒng)、收水槽及管道中的存水回流至循環(huán)水泵入口前池，確保不溢流。事故情況循環(huán)水泵跳閘，停泵產(chǎn)生的涌水及配水系統(tǒng)的大量回水從收水槽溢出，將被冷卻塔底部周圍擋水墻臨時收集儲存，可利用排水泵打至另外一塔池利用或者排放。

5 結(jié) 語

該火力發(fā)電廠高位收水冷卻塔降低了70%以上的雨區(qū)自由跌落高度，維持循環(huán)水泵入口高水位運行，單臺循環(huán)水泵揚程和軸功降低30℅以上，具有明顯的節(jié)能、降噪優(yōu)勢。高位收水冷卻塔系統(tǒng)初期投資雖然比常規(guī)塔高，但其綜合運行費用較低，汽輪機熱經(jīng)濟性較好，待高位收水相關(guān)技術(shù)進一步國產(chǎn)化以后，其經(jīng)濟效益將更加明顯。隨著我國百萬千瓦火電機組高位收水冷卻塔的廣泛興建，對于高位收水冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)，正常運行中控制好循環(huán)水前池水位，是保證該系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的關(guān)鍵。循環(huán)水系統(tǒng)啟停過程中,重點要控制好前池水位，確保循環(huán)水泵運行安全。

[1] 趙云馳, 侯燕鴻, 王東海, 等.超大型高位收水冷卻塔工藝設(shè)計探討[J] .給水排水, 2009,35(11):69-72. ZHAO Yunchi, HOU Yanhong, WANG Donghai, et al. Discussion of the process design of the super high-level water collecting cooling water[J]. Water & Wastewater Engineering, 2009,35(11): 69-72.

[2] 王成立, 張東文.內(nèi)陸核電超大型冷卻塔的選型及配置[J] .山東電力技術(shù), 2011(3):51-53. WANG Chengli, ZHANG Dongwen. The option and configuration of inland nuclear power cooling tower[J]. Shandong Electric Power, 2011(3): 51-53.

[3] 吳志祥, 王存新. 1000MW 機組高位收水冷卻塔項目的技術(shù)經(jīng)濟性分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報, 2016, 36(3):36-37. WU Zhixiang, WANG Cunxin. Technical and economic analysis of the project of the high water cooling tower of 1000MW unit[J]. Journal of Northeast Dianli University(Natural Science Edition), 2016, 36(3): 36-37.

[4] 唐磊, 劉自力, 易超.電廠逆流式自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能研究進展[J].現(xiàn)代電力, 2010,27(6):35-39. TANG Lei, LIU Zili, YI Chao. Process on thermal performance of counter-flow natural draft cooling tower in power plant[J]. Modern Electric Power, 2010, 27(6): 35-39.

[5] 吳艷艷. 自然通風(fēng)高位收水冷卻塔三維熱力特性的數(shù)值模擬和收水裝置的優(yōu)化的研究[D] .山東大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2015. WU Yanyan. Numerical Calculation research on high-level water collecting cooling tower and optimization of water collector[D]. Thesis for Master Degree of SHANDOMNG University, 2015.

[6] 井立華, 賀 莉, 裴志銘, 等.國產(chǎn)大型高位收水冷卻塔節(jié)能效果分析及常見故障分析處理措施[J].科技論壇, 2016(2):414-415. JING Lihua, HE Li, PEI Zhiming, et al. Energy saving effect analysis & common failures analysis and its treatment measures on homemade high-level water collecting cooling tower[J]. Technology Forum, 2016(2): 414-415.

[7] 趙振國.冷卻塔[M].北京:中國水利水電出版社,2001． ZHANG Zhenguo. Cooling water tower[M]. Beijing: China Water & Power Press, 2001.

[8] 西北電力設(shè)計院.電力水務(wù)工程設(shè)計手冊[M].北京:中國電力出版社,2005． Northwest Electric Power Design Institute. Engineering design manual for electricity and water[M]. Beijing: China Power Press, 2005.

[9] 何磊, 黃濤, 陳紹林.高位收水冷卻塔集水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電力勘測設(shè)計, 2016 (3):37-41. HE Lei, HUANG Tao, CHEN Shaolin. Structure design of water reservoir for cooling tower with high-collected water[J]. Electric Power Survey & Design, 2016 (3): 37-41.

(編輯 李世杰)

Application of cooling tower technology with high-collected water in 1000MW units

ZHAO Shiwei1, WANG Chuanchuan1, MA Xinyu2

(1. CPI Henan Company Pingdingshan Power Branch, Pindingshan 467312, China; 2.CPI Henan Company Qinyang Power Branch, Jiaozuo 454150, China)

The technical characteristics of cooling tower of the high-collected water is demonstrated, the application of 1000MW units is analyzed in one power plant and the technical measures for the safety operation of the units is proposed. The static head of circulating pump that is allocated in this type of tower has reduced 30% and shaft power has reduced 32.1℅, which shows very obvious energy saving effect and provides references for the promotion and application in cooling tower technology of the high-collected water of the same kind of units.

cooling tower; high-collected water; water reservoir; circulating water pump

2016-12-02。

趙世偉(1982—),男,工程師，主要從事高臨界火力發(fā)電廠安全運行管理工作。

TU279.7+41

B

2095-6843(2017)02-0184-05