高效节水瘦高型自然通风冷却塔在燃机电厂中的应用

周军

（江苏华电仪征热电有限公司，江苏仪征211400）

高效节水瘦高型自然通风冷却塔在燃机电厂中的应用

周军

（江苏华电仪征热电有限公司，江苏仪征211400）

针对燃机电厂占地面积小、总平布置难的特点，引入了高效节水瘦高型自然通风冷却塔，该塔型具有占地面积小、运行效果好、维护工作量小、节水防冻等优点，解决了燃机电厂总平难于灵活布置的问题，实施后取得了良好的社会效益和经济效益，具有很大的推广和应用价值。

高效节水；瘦高型；自然通风冷却塔；燃机电厂；占地面积

0 引言

在国内环保要求日益严格的背景下，以天然气为燃料的燃气-蒸汽联合循环作为一种清洁高效发电技术，在新建电厂中所占比例日益增大，成为今后火力发电的重要发展方向。由于燃机电厂占地面积规划限制，对于冷端系统中占地面积最大的冷却塔，能否合理配置显得尤为重要。

1 自然通风冷却塔选型配置

江苏华电仪征热电有限公司三套西门子E级燃气-蒸汽联合循环机组于2012年12月建成投产，采用二次循环供水系统。对于3台机组来说，可采用“一机一塔”、“三机二塔”或“三机一塔”配置，塔型则可采用常规型或瘦高型自然通风冷却塔。具体到本工程，根据厂区总平面布置，如果采用“一机一塔”配置，场地大小无法满足要求。采用“三机一塔”虽可大大减少占地，但该工程为热电联产工程，3台机组共用1座冷却塔，可靠性势必有所降低，且也较难适应机组不同冷却水量的组合工况。当采用“三机二塔”配置方案时，根据厂区总平面布置要求，冷却塔零米直径宜控制在70m左右，极限零米直径80m左右。

常规型自然通风冷却塔[1]塔高与零米直径比值（高径比）一般为1.2～1.4，塔高较低，零米直径较大，占地面积大，是火电厂中最为常用的一种冷却塔塔型。瘦高型自然通风冷却塔高径比一般在1.5以上，在保证冷却效果的前提下，零米直径相对较小，占地较少，塔身相对较高，其拔风冷却能力较强[2]。

在保证设计工况相同冷却效果的前提下，对常规型和瘦高型冷却塔两种塔型进行了优化设计计算[3]，冷却塔特征参数见表1。结果表明，当采用常规型自然通风冷却塔时，淋水面积4250m2，设计零米直径80m，塔高102.5m，两塔中心距110m，零米间距30m＞4×Hi（进风口高度，7m）；当采用瘦高型自然通风冷却塔时，淋水面积3108m2，设计零米直径67m，塔高125m，两塔中心距103m，零米间距35m＞0.5×D（零米直径，67m）。两种塔型在总平面布置上均满足设计要求，但常规塔零米间距是按不小于4倍进风口高度设计的，已接近规范中要求的极限要求，由于间距比较小，冷却塔进风条件会受到一些相互影响；瘦高塔零米直径较小，冷却塔之间的净距已达到规范的基本要求，就不存在该问题，完全满足要求。与常规塔相比，采用瘦高塔共节省占地约3000m2，相应减少了征地费用约60万元。

表1 冷却塔特征参数比较

2 冷却塔技术特点比较

与国内火电厂惯常采用的常规型冷却塔不同，瘦高型冷却塔结构形式更加独特，并对所配套塔芯材料进行个性化整体设计，借鉴使用国外专业公司的成熟产品，其中填料高度1.22m，填料片间距19mm，材质为改性PVC，且填料为单片填料，具有散热面积大，阻力小，风吹损失小，抗阻塞的特点；收水器高度145mm，其结构形式为嵌套孔窝式立体三折向设计，其入风角度和出风角度均按照实际气流方向而设计，保证了冷却塔空气流场的均匀性，有效回收气流中的小水滴，节约水资源。以常规型冷却塔作参照，瘦高型冷却塔的具体运行特点总结如下：

（1）节水。常规型冷却塔风吹损失率0.05%，而瘦高型冷却塔由于采用了高效收水器，其风吹损失率可降低至0.001%。与常规型冷却塔相比，高效节水瘦高型冷却塔每年可节约用水量达10.2×104m3，节水效果显著。

（2）节电。瘦高型冷却塔的竖井水位较常规塔低，与等效常规塔的供水几何扬程相比减小0.2m左右，每年节省循环水泵运行费用约9.5万元。除夏季时瘦高塔出塔水温与常规塔基本一致外，春秋季和冬季时瘦高塔出塔水温均比常规塔低约0.5℃，相应凝汽器背压低约0.13kPa，每年节约微增电费32万元，有较好的节电效果。

（3）降噪。与常规型冷却塔相比，瘦高型自然通风冷却塔淋水填料高程和进风口高度均较低，淋水产生的噪声相对较小，有利于噪声治理及控制。

（4）防冻。与等效常规型冷却塔相比，瘦高型冷却塔的淋水面积减小约20%，在相同水量情况下，其淋水密度更高，有效解决了冬季低冷却倍率运行时淋水密度小和配水不均匀所导致的结冰问题，满足冷却塔防冻要求。

（5）运行灵活。选用“三机二塔”配置，既节省占地面积，又使冷却塔可以根据机组不同电热负荷、不同季节气象条件灵活调配运行方式，在实际运行中可以采用“三机二塔”、“三机一塔”或“一机一塔”等多种组合方式。

（6）维护工作量小。相比常规型冷却塔所选用的S波、双斜波等填料，瘦高型冷却塔采用经个性化整体设计的塔芯材料，整体质量好，使用效率高，运行寿命延长一倍，大大减少了生产人员的日常维护和检修工作量。

3 冷却塔技术经济性比较

3.1 技术经济性比较方法

冷却方案比较采用火力发电厂中常见的动态技经比较法，即年费用最小法。年费用最小法的基本原理是将投资成本按规定的回收率分摊到每一年中，再加上每年的辅机耗电费用、微增出力补偿电费、大修费用等，即为年费用，其值最小时，说明此方案经济性最好。

（1）年费用NF

式中NF—年费用值；

P—总投资现值；

AFCR—年固定分摊率；

μa—年运行费。

（2）年固定分摊率AFCR

式中CR—资金回收系数；

MR—大修费率，取2.5%。

（3）资金回收系数CR

式中i—投资回收率，取10%；

n—工程经济年限，取20a。

3.2 冷却塔主要工程量及造价统计

表2 冷却塔造价统计表

由表2可知，常规塔一般采用国产塔芯材料，价格较低，而瘦高塔采用国外进口的专用塔芯材料，其价格要比常规塔高得多。但由于瘦高塔占地面积较少，所以与之相关的基建和降噪费用均低于常规塔。综合比较，瘦高塔比常规塔造价要低一些。

3.3 冷却塔运行费用计算

根据机组冷端初步优化设计报告中推荐的冷端配置方案，通过对常规塔和瘦高塔进行相关热力计算，可求解凝汽器真空偏离设计值导致的联合循环机组微增出力变化，最后得出引起的补偿电费。其中，电价按发电成本价0.54元/kWh，机组年利用小时数按5500h计。常规塔和瘦高塔所对应的年微增出力补偿电费见表3。可以看出，在保证夏季设计循环水温和凝汽器真空一致的前提下，春秋和冬季的循环水温存在差异，会产生不同的微增出力补偿电费。与常规塔相比，瘦高塔的年微增出力补偿电费要低32万元。

3.4 冷却塔年费用比较

表3 冷却塔年微增出力补偿电费对比

填料是冷却塔塔芯材料的核心部件，所占费用比例最大，约50%左右，在长期使用中需要大面积更换。因此，在对冷却塔进行技术经济性比较时，还需考虑填料的更换周期和费用折算问题。

常规型冷却塔采用国产填料，瘦高型冷却塔采用国外生产的专用填料。国产填料使用回收料、填充料较多，普遍存在价低质次问题，一般在5～8a陆续更换。瘦高塔使用的专用填料质量较好，一般保证寿命15a。表4分析比较时，在工程经济年限20a内，国产填料更换按第8年和第16年计，专用填料按第15年计。

由以上各表可以看出，采用瘦高型冷却塔方案年费用更低，比常规型冷却塔方案每年节省费用约75万元，按国产填料、专用填料每次更换费用分别为210万元、465万元计，两者相差255万元，3年多即可完全弥补更换填料的差值，具有良好的经济效益。

通过上述比较分析可知，与常规型冷却塔相比，高效节水瘦高型冷却塔占地面积小，布置、运行方式灵活，技术经济性更好，在规划面积有限的燃机电厂中具有较大应用优势。因此，本工程优选高效节水瘦高型自然通风冷却塔作为“三机二塔”配置方案中的冷却设备。

表4 常规塔和瘦高塔的技术经济性比较万元

4 瘦高型冷却塔运行数据分析

该工程建成投产后，瘦高型冷却塔在实际运行中取得了良好的运行效果和经济效益。表5所示为2座瘦高型冷却塔的热力性能试验数据。根据《工业冷却塔测试规程》[4]，采用冷却水温对比法来评价冷却性能，即

式中η—冷却能力，%；

Δtt—实测冷却水温差，℃；

Δtd—计算冷却水温差，℃；

t1——实测进塔水温，℃；

t2——实测出塔水温，℃；

t2d——计算出塔水温，℃。

测试规程规定，当η＞95%时，冷却能力达到设计值；当η＞105%时，冷却能力超过设计值；而当η＜95%时，则认为冷却塔的冷却能力未达到设计值，应该分析原因并进行检修维护。

由表5可以看出，在所有试验工况下，#1和#2瘦高型冷却塔的冷却能力均达到设计要求，甚至超出设计值，充分表明该型冷却塔性能优秀，运行状态良好。

表5 瘦高型冷却塔性能试验数据

5 结语

高效节水瘦高型自然通风冷却塔在保证冷却塔热力性能和换热要求的基础上，具备占地面积小、节约投资的优点，该技术尤其在占地面积较小的燃机电厂具有明显的应用优势。该塔投运以来运行稳定，冷却水温满足设计要求，取得了较好的运行效果，具有较高的实际应用和经济价值，相关成果和经验也可为占地面积有限的燃煤电厂提供借鉴和参考。

[1] 赵振国.冷却塔[M].北京：中国水利水电出版社，1997．

[2] 李岳剑，赵鹏.某大型火力发电厂冷却塔选型分析[J].江西电力职业技术学院学报，2010，23(2)：31-32．

[3] 西北电力设计院.电力工程水务设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005．

[4] DL/T 1027-2006.工业冷却塔测试规程[S]．

修回日期：2016-10-12

Application of Slim Type Natural Draft Wet Cooling Tower in Gas-steam Combined Cycle Power Plant

ZHOU Jun
（Jiangsu Huadian Yizheng Thermal Power Generation Co.，Ltd，Yizheng 211400，China）

In terms of less occupied area and difficult plane layout, a high efficiency and water-saving slim type cooling tower is introduced to the gas-steam combined cycle power plant. This tower type has advantage of less occupied area, good operation effect, less maintenance work, water saving and antifreezing, so it solves layout problem of combined cycle power plants. The slim type tower utilization obtains good social benefits and economic benefits, and has great popularizing value and application prospect.

high efficiency and water-saving; slim type；natural draft cooling tower；gas-steam combined cycle power plant；occupied area

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.06.007

TK264.1

B

2095-3429（2016）06-0025-04

周军（1970-），男，高级工程师，从事电力生产管理工作。

2016-08-25