影响中欧湿式冷却塔大小的主要因素分析

张东文 ，张宇阳

(1. 国核电力规划设计研究院，北京 100095；2. 冀北电力有限公司检修分公司，北京 102400)

1 概述

德国林根核电站1300 MWe机组采用二次循环供水系统，其冷却塔的输入条件和规模如下：

热负荷：2430 MW

循环水量：158000 t/h

进塔水温：36.3℃

出塔水温：23.1℃

在此条件下，本工程配置的冷却塔淋水面积：13050 m2；高度：152 m。

而中国石岛湾核电站1400 MWe机组，在热负荷(2545 MW)相当的条件下，针对该厂址的条件，通过循环水系统优化确定的冷却塔淋水面积为18000 m2，高度213.5 m。

中国石岛湾核电站较德国林根核电站的冷却塔淋水面积大约为5000 m2，高度相差达62 m，而冷却塔淋水面积和高度的增加均会提高冷却塔冷效的同时，也提高了冷却塔的投资，也影响电站的运行年费用，分析其影响因素意义重大。

作为电站的冷端重要设备之一的冷却塔，影响其规模大小的因素很多，如汽轮发电机组的排汽焓、冷却塔的单位面积造价、冷却塔所在地气象条件、冷却塔型式、循环冷却倍率、淋水填料类型、循环水水质状况等。

本文主要针对德国林根核电站、中国石岛湾核电站两个厂址地域特点，重点从气象条件和冷却塔综合造价两个方面，依次展开论述，计算、分析影响冷却塔淋水面积以及塔高的主要因素。而对于影响冷却塔淋水面积的常规因素，如冷却塔型式、循环冷却倍率、淋水填料类型、循环水水质状况，笔者不再赘述。

2 核电厂址的地域条件差异

2.1 设计气象条件

在湿式冷却塔中，热水的温度高，流过水表面的空气的温度低，水将热量传给空气，由空气带走，散到大气中去。湿冷塔散热有两种形式：①接触散热、②蒸发散热。因此冷却塔所在地的气温对冷却塔选型有极其重要的影响，在相同的热负荷、出塔水温要求下，冷却塔淋水面积会因所在地气温不同而差异迥然。德国林根厂址、中国石岛湾厂址和中国彭泽厂址的气象条件见表1。

表1 各厂址的气象条件

在相同的热负荷(2430 MW)和出塔水温(23.1℃)条件下，计算所需的湿式海水冷却塔大小，即淋水面积。计算结果见表2。

表2 气象条件对冷却塔选型的影响

由以上计算结果可知，气象条件对冷却塔淋水面积的大小有较大影响，湿球温度由8.0℃到9.7℃，冷却塔淋水面积增大了9%，到14.5℃淋水面积增大了42%。

2.2 冷却塔单位面积造价

在一定的冷端规模下，当冷却塔单位造价较高时，从冷端的角度上讲，应当通过增大凝汽器面积或提高机组设计背压等方式，以减小冷却塔在冷端中所起的作用，提高整个冷端系统的经济性。

在欧洲，冷却塔建设的人工成本及混凝土价格等因素，使得欧洲的冷却塔单位造价比国内高出很多，如欧洲海水冷却塔的单位面积造价约为4.53万元/m2，中国海水冷却塔的单位面积造价约为1.7万元/m2，因此与国内机组容量相同的电站相比，德国林根核电站适宜采用淋水面积比较小的冷却塔。

2.3 设计背压

在欧洲，各国政府基于对石油危机等因素的考虑，政策上鼓励冬季的采暖及采光等更多地使用电能，而夏季不需空调制冷，使得冬季电站负荷较高。根据这一用电需求特点，需要采用较高设计背压以有利于冬季多发电，提高冬季的微增收益，进而提高电厂的收益。

因此，德国林根核电站采用了8.95 kPa的设计背压，采用如此高的背压值，则对冷端要求较低，出塔水温就可以提高很多，冷却塔也就相应可以做得小很多。

而在中国的中、南部地区，夏季比较炎热、需要空调、风扇等电器降温，使得夏季用电负荷最高；同时又因我国火电装机容量相对过剩，年发电小时数在4000～5000 h之间。根据这一用电需求特点，需要根据具体厂址的气象条件、主要冷端设备的综合造价、年发电小时数、发电成本价或上网电价等，通过冷端优化，合理确定适合具体厂址的冷端规模，进而确定机组的设计背压。

2.4 计算实例

以国内核电厂址——石岛湾核电站1400 MWe级机组为基础条件，分析冷却塔的单位面积造价对冷却塔选型的影响。

目前中国国内海水冷却塔的单位面积造价约为1.7万元/ m2；上网电价为0.35元/(kWh)。

采用三背压机型，经冷端优化计算，结果见表3，工程适宜的冷却塔面积为18000 m2、塔高213.50 m、4.37 kPa。

表3 国内冷却塔造价、三背压机型冷端方案排序

如果仅改变冷却塔单位造价为4.53万元/ m2经冷端优化计算，结果如表4，工程适宜的冷却塔面积为14000 m2、塔高188.90 m、5.0 kPa。

表4 欧洲冷却塔造价、三背压机型冷端方案排序

以上优化计算结果说明：由于欧洲冷却塔的单位面积造价比国内高出许多，工程中建设淋水面积较小的冷却塔更为经济合理。

综合气象条件和冷却塔的单位面积造价等因素的影响，使中国石岛湾核电站较德国林根核电站的冷却塔淋水面积大约为5000 m2、高度相差约62 m的配置方案，针对各厂址条件而言均是经济合理的。

5 结论

(1)以德国林根核电站1300 MWe级机组为例，欧洲林根核电站厂址的年平均湿球温度为8.0℃，石岛湾核电站厂址的年平均湿球温度为9.7℃，在保证相同的热负荷和出塔水温条件下，相应配置的湿式常规海水冷却塔淋水面积分别为13050 m2、14200 m2，表明冷却塔所在地气温条件直接影响冷却塔的淋水面积。

(2)以石岛湾核电站1400 MWe级机组为例，在相同的厂址、三背压机型条件下，分别采用欧洲冷却塔单位面积造价4.53万元/ m2、国内冷却塔造价约为1.7万元/m2，经冷端优化计算，所配置的湿式高位集水冷却塔淋水面积和塔高分别为14000 m2、塔高188.90 m和18000 m2、塔高213.5 m，表明冷却塔的单位面积造价也会直接影响其淋水面积的大小。

(3)作为电站的冷端重要组成之一的冷却塔，其规模大小与其厂址条件密切相关，脱离厂址条件空谈冷却塔的规模是没有实质意义的。

德国林根核电站由于冷却塔单位面积造价高、冬季用电负荷大等客观原因，决定了其冷端适宜采用较小淋水面积的冷却塔、高排汽压力的配置。

相比之下，由于我国人工和混凝土成本相对较低使冷却塔的单位造价较低，使得冷却塔的淋水面积倾向大的趋势；但在南方气温较高、湿度较高，使得冷却塔的冷却难度增加，使机组趋向高排汽压力运行。这就意味着必须针对具体的厂址条件，通过循环水系统优化设计软件，对冷端进行全面、综合优化，合理确定冷端的规模，以期达到电站安全、经济运行的目的。

相反不能片面追求年平均工况的发电容量，导致冷端配置高、工程投资大、平均排汽压力与阻塞排汽压力的差值较小，冬季气温低时受阻塞背压的限制，不能充分利用自然条件实现多发电。