高位收水冷却塔技术在百万千瓦火电机组中的应用

赵世伟， 王川川， 马心雨

(1. 国电投河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南 平顶山 467312；2. 国电投河南电力有限公司沁阳发电分公司，河南 焦作 454150)

高位收水冷却塔技术在百万千瓦火电机组中的应用

赵世伟1， 王川川1， 马心雨2

(1. 国电投河南电力有限公司平顶山发电分公司，河南 平顶山 467312；2. 国电投河南电力有限公司沁阳发电分公司，河南 焦作 454150)

阐述高位收水冷却塔的技术特点，分析在某百万千瓦火电机组中的应用状况，提出确保火电机组安全运行的技术措施。该塔型配置的循环水泵静扬程可减少30%，轴功降低32.1℅，节能效果十分显著，可为同类火电机组高位收水冷却塔技术的推广应用提供参考。

冷却塔; 高位收水; 收水槽; 循环水泵

在采用闭式循环冷却水系统的火电机组中，循环水泵是主要的耗电设备。在国家倡导各行业节能降耗的大背景下，降低电厂循环水泵的轴功率，有利于降低整个火电机组的厂用电率，提高机组上网电量。20世纪70年代，高位收水冷却塔技术的提出，为降低火电机组循环水泵轴功提供了技术依据。国内一些研究院对高位收水冷却塔技术也进行了相应的研究和技术储备，目前由西南电力设计院负责设计的高位收水冷却塔，在某百万千瓦火电机组得到了成功应用。

高位收水冷却塔设置高位收水斜板和收水槽，汇集雨区水流后引入循环水泵入口，维持循环水泵入口的高水位，有效降低了水泵的扬程，减小了循环水泵的轴功率，降低了火电机组的厂用电率，提高了机组的上网电量。高位收水冷却塔降低了雨区的自由跌落高度，外围冷空气容易通过雨区进入塔芯区域，使整个填料系统配风更加均匀[1]，冷却塔的冷却效果较好；雨区自由跌落高度的降低也大大减小了冷却塔的噪音水平。因此，高位收水冷却塔技术属于节能、环保型技术，在百万千瓦火电机组及内陆核电站中应用前景十分广阔[2]。

1 高位收水冷却塔技术

高位收水冷却塔收水装置布置在冷却塔进风口上面淋水装置下部，由收水斜板和收水槽组成，安装高度大约3m，收水装置用钢丝悬吊于土建支撑梁上，钢丝承受收水装置及循环水的重量，由于悬吊结构比较复杂，施工过程中对悬吊的施工工艺要求较高[3]，收水装置及悬挂结构如图1所示。

常规冷却塔和高位收水塔示意如图2所示，高位塔降低了冷却塔雨区自由跌落高度，维持循环水泵入口高水位运行，循环水泵的扬程有所降低，轴功率降低30%以上。

图1 高位收水冷却塔收水装置及悬吊结构

图2 常规冷却塔和高位收水冷却塔示意图

随着火电机组容量的不断增大，冷却塔的淋水面积不断增大，大型冷却塔雨区配风配水不均匀性逐渐突出[4]，高位收水冷却塔由于雨区自由跌落高度低，外围冷空气通过雨区进入塔芯区域的阻力小，冷却塔配风均匀；虽然高位收水冷却塔雨区高度低，雨区换热能力不如常规塔，但是常规塔的雨区阻力较大，塔芯配风均匀性不如高位塔好；高位塔进风口高度比常规塔高，进风阻力比常规塔小，塔内风速有一定提高。综合两方面因素，同塔型参数的高位收水冷却塔出水温度要低于常规冷却塔[5]。

高位收水冷却塔设置收水装置，无冷却塔底部水池，有效防止塔池底部蓄水对冷却塔地基的长期浸泡渗透，提高了冷却塔塔体基础的安全性；冷却塔填料底部雨区跌落的水滴经过收水装置汇集，自由跌落高度减小70%以上，且跌落区域在冷却塔筒壁内部，大大降低了由跌落水滴造成的噪声污染，据研究噪声水平可以降低8～10dB[6]。

2 高位收水冷却塔循环水系统特点

高位收水冷却塔降低了雨区自由跌落高度，维持循环水泵入口的高水位运行，有效降低了循环水泵的轴功率，配置高位冷却塔的循环水系统有其自身的特点，通过分析其系统特点，提高系统运行的安全性、可靠性。高位收水冷却塔循环水系统如图3所示，主厂房的循环水回水→回水管道→冷却塔回水竖井→配水槽、管道、喷溅装置→淋水填料→自由跌落至收水斜板→高位收水槽汇集→集水流道→循环水泵入口闸板、前池→入口滤网→循环水泵升压→循环水进水管道→汽轮机凝汽器及其他冷却器→回水管道→冷却塔换热，进入下一次循环。

图3 高位收水冷却塔循环水系统示意图

2.1 循环水泵扬程低

高位收水冷却塔循环水泵入口维持高水位运行节约了水的势能，使循环水泵轴功率大大降低。百万千瓦超超临界火电机组配置常规冷却塔和高位冷却塔循环水泵参数对比见表1，从直观数据来分析，夏季工况下循环水系统维持三泵运行，配置高位收水冷却塔的循环水系统，单台循环水泵扬程降低30.1%，轴功降低32.1%。百万千瓦火电机组配置3台循环水泵，总轴功减少达2844.9 kW，节能效果十分显著。

2.2 循环水系统蓄水能力小

高位收水冷却塔的循环水系统进水间属于窄深型水池，集水面积较小，储存循环水容积小，由于循环水蒸发、风吹、排污损失水量，循环水补水系统故障或补水不及时，将造成进水间水位快速下降，循环水泵扬程增加、出力减少，机组背压增加，严重时可能导致循环水泵入口淹深不够而无法维持运行，机组被迫停运。因此，对于高位收水冷却塔循环水系统，设置合理、可靠的补水系统显得十分重要，机组正常运行中，循环水补水系统发生故障时要迅速响应，尽快恢复补水系统运行，否则将可能造成机组停运。

表1 高位收水冷却塔循环水系统的经济性评价

2.3 配水系统特点

循环水回水进入塔池回水竖井，竖井上方的配水槽将循环水分配给各个喷淋系统，配水槽设置2个双层配水槽和2个单层配水槽[7]，配水槽的6个闸门，分别对应6 个扇区，如图4 所示。冬季工况时操作对应的闸门，A和B中央扇区退出运行；夏季工况时所有扇区全部投入运行。竖井顶部设置100%容量的防溢流旁路[8]；所有扇区的闸门全部关闭时，循环水从旁路溢后流向收水槽，保证在任何情况下都不会有水从竖井中溢出，如图5所示。

2.4 循环水系统启动和停运特性

高位收水冷却塔收水槽以上配水区域无法提前充水，循环水泵运行初期，循环水流经配水区域后才能回到收水槽形成循环，循环水进入配水槽至流出期间，循环水泵前池水位将迅速降低；为防止循环水泵入口前池水位快速下降导致水泵汽蚀，启泵前及启泵后须对循环水泵前池进行补水，确保泵启动配水槽充水后，前水池水位降低后仍能满足循环水泵最小埋深要求。

正常运行中循环水泵入口前池维持高水位运行，由于水位以上空间较小，循环水系统停运前， 必须预先降低前池水位，否则停泵产生的涌水及配水系统的大量回水将使前池水位快速升高，造成大量水溢出，短时溢水量将与循环水流量相当；冷却塔零米设置圆形挡水墙，事故情况下，临时储存溢流水量。

图4 回水竖井至各配水槽对应扇区示意图

图5 竖井至溢流旁路示意

3 应用经济性分析

重庆地区某工程建设规模为2台1050MW 超超临界湿冷机组，循环水系统采用单元制闭式二次循环系统，该期工程机组采用国产超超临界锅炉及汽轮发电机组，同步建设烟气脱硫、脱硝设施。主机冷却水系统采用再循环冷却供水系统，每台机组配置一座自然通风逆流式高位收水冷却塔，设计循环倍率50倍，冷却塔主要参数见表2。

表2 高位收水冷却塔主要参数

每台机组循环水系统配置3 台循环水泵，1台为单速电机(n=370r/min)，2台为双速电机(n=370～330r/min)，2台机组设有6台循环水泵布置在冷却塔附近的循水进水间，每台循环水泵入口配置2个平板滤网，交替运行，以满足循环水泵的正常工作要求。2台机组循环水出口母管设联络阀门，需要时可采用扩大单元制方式运行，提高系统运行的灵活性和经济性。

采用高位收水塔相比常规冷却塔，初期投资将增加3860万元，各项投资差额见表3。相比等效常规冷却塔循环水系统，配置高位收水塔的循环水系统节约水泵电机功率3 300 kW/h，每年节约运行费495.5万元(扣除每年折扣的检修费用)，按银行贷款利率按7.05%计算，收回成本期为11年，机组寿命期内经济效益明显。采用高位收水塔同时可收到良好的节能减排效益与社会效益。

表3 高位收水冷却塔与常规塔技术经济分析

4 高位收水冷却塔循环水系统安全 运行措施

目前高位收水冷却塔技术在国内成熟应用经验较少[9]，在百万千瓦火电机组的应用更是处于经验摸索阶段,借鉴该机组循环水系统运行的经验，提出确保高位收水冷却塔循环水系统安全运行的技术措施。

4.1 启动控制

高位收水塔的结构特殊，造成循环水泵启动后循环水不能很快回流至循泵入口前池，必须等高位收水槽以上部分充满水以后才能形成循环。运行中经过实地测算，大约需要480 s后，才能回流至循泵入口前池，循泵启动初期前池水位下降很快。因此，循环水泵启动时，要重点防止前池水位下降过多，造成水泵汽蚀，影响循环水泵运行安全。实际运行中，采用以下方式启动，先将冷却塔配水方式切换为外围配水模式，启动一台循环水泵运行正常后，待前池水位恢复至13.2 m以上后，启动第二台循环水泵运行，然后按照机组运行要求将冷却塔配水方式切换至需求的模式运行。按照此方式启动循环水泵前池水位降低约3.8 m，完全满足循环水泵最小埋深要求。经过多次验证，该循环水泵的启动方案是可以保证安全运行。

4.2 运行监视

正常运行时，检查冷却塔竖井及循泵入口前池水位正常，前池水位在循环水纯溢流模式下，平板滤网前水位维持13.0 m 以下，滤网前后水位差不大于30 cm，否则，联系检修清理脏污滤网；冷却塔配水扇区开启4个及以上时，控制平板滤网前水位13.5 m，配水闸门开启数量应与循环水泵运行数量对应，2台泵运行时配水闸开启数量不少于4 个，3台循泵运行时应采用全塔配水模式。

正常运行时，加强冷却塔收水斜板和收水槽漏水检查，发现泄漏，立即通知检修检查处理，防止漏点扩大；冬季运行时，重点加强填料结冰情况的检查，尤其是底层填料，发现有结冰现象时，应立即提高循环水回水温度，禁止关闭结冰区域冷却塔水配水。机组冬季运行环境温度小于3℃时，为防止水膜厚度不足或流速不足而结冰，循环水泵运行数量应与配水闸门数量匹配，保证填料水膜厚度和水膜流速。

4.3 停运控制

机组停运后，在停运循环水泵之前，应先停运冷却塔补水系统，降低循环水泵入口前池水位至12m 以下，然后停止循环水泵。冷却塔配水系统、收水槽及管道中的存水回流至循环水泵入口前池，确保不溢流。事故情况循环水泵跳闸，停泵产生的涌水及配水系统的大量回水从收水槽溢出，将被冷却塔底部周围挡水墙临时收集储存，可利用排水泵打至另外一塔池利用或者排放。

5 结 语

该火力发电厂高位收水冷却塔降低了70%以上的雨区自由跌落高度，维持循环水泵入口高水位运行，单台循环水泵扬程和轴功降低30℅以上，具有明显的节能、降噪优势。高位收水冷却塔系统初期投资虽然比常规塔高，但其综合运行费用较低，汽轮机热经济性较好，待高位收水相关技术进一步国产化以后，其经济效益将更加明显。随着我国百万千瓦火电机组高位收水冷却塔的广泛兴建，对于高位收水冷却塔循环水系统，正常运行中控制好循环水前池水位，是保证该系统安全经济运行的关键。循环水系统启停过程中,重点要控制好前池水位，确保循环水泵运行安全。

[1] 赵云驰, 侯燕鸿, 王东海, 等.超大型高位收水冷却塔工艺设计探讨[J] .给水排水, 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, 张东文.内陆核电超大型冷却塔的选型及配置[J] .山东电力技术, 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] 吴志祥, 王存新. 1000MW 机组高位收水冷却塔项目的技术经济性分析[J].东北电力大学学报, 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, 刘自力, 易超.电厂逆流式自然通风冷却塔热力性能研究进展[J].现代电力, 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] 吴艳艳. 自然通风高位收水冷却塔三维热力特性的数值模拟和收水装置的优化的研究[D] .山东大学硕士学位论文, 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] 井立华, 贺 莉, 裴志铭, 等.国产大型高位收水冷却塔节能效果分析及常见故障分析处理措施[J].科技论坛, 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] 赵振国.冷却塔[M].北京:中国水利水电出版社,2001． ZHANG Zhenguo. Cooling water tower[M]. Beijing: China Water & Power Press, 2001.

[8] 西北电力设计院.电力水务工程设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005． Northwest Electric Power Design Institute. Engineering design manual for electricity and water[M]. Beijing: China Power Press, 2005.

[9] 何磊, 黄涛, 陈绍林.高位收水冷却塔集水槽结构设计[J].电力勘测设计, 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.

(编辑 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。

赵世伟(1982—),男,工程师，主要从事高临界火力发电厂安全运行管理工作。

TU279.7+41

B

2095-6843(2017)02-0184-05