火电高位收水冷却塔的控制与仪表设计

2018-06-28单耀生

中国设备工程 2018年12期

单耀生

（中机国能电力工程有限公司，上海 200061）

高位收水冷却塔的概念是由比利时的哈蒙公司提出，具有降噪、节能的特点。这种冷却塔的技术较为新颖，在国内的研究和应用上仍处于起步阶段，起初在核电站上的应用较多。有些火电厂会考虑工程特点以及该类型冷却塔节能降噪等方面的优势而引进该技术。本文根据实际案例来阐述高位收水冷却塔在火电厂应用的设计和控制问题。

1 工艺特点介绍

1.1 传统冷却塔

传统冷却塔的工作过程如下：热水由凝汽器通过竖井回流，进入塔中的热水分配系统，再分配至配水管，由管头喷溅器洒水至填料，接着变为水滴状，由填料滴入下面的集水池形成雨区。为便于冷却，集水池一般为宽浅型水池，即池面积大、深度小。待池中的水冷却后，再重新循环利用。这种塔型的不足之处在于雨区通常为很大的高度，雨滴呈自由落体落下，由势能变为动能，当跌至集水池，能量全部损耗，这部分能量是循环泵将水输送至高处区消耗的能量，损耗十分显著，另外，雨滴落入集水池发出很大的噪声，造成明显的噪声污染。

1.2 高位收水冷却塔

高位收水冷却塔的热水分配系统、淋水填料过程均与传统的冷却塔类似。不同点是不采用集水池，也就没有雨区。在高位处布置循环水泵，且收水装置和集水槽均在塔内高位装配。这种塔型的示意图参见图 1。

该类型收水塔的集水装置设计为很深的水槽，槽面小而窄。开始的工作过程类似1.1中所述，当热水进过填料后，由填料下斜板及收水装置输送至水槽内，冷却后再由水泵输送进行循环利用。这种塔调料和集水装置的落差很小，首先势能的损失很小，节省了很多能耗，另外，其发出的噪声的影响基本可以忽略。这是该塔的主要优势所在。

由于高位收水冷却塔与传统的普通冷却塔在结构上的不同，其在系统和仪表控制方面也有一定的差异。特别是在运行开始阶段有一定的控制难度，以下对此进行具体分析。

图1 高位收水冷却塔高程示意图

2 运行特点分析

高位收水冷却塔循环水系统水泵的配置为1 台机组+3台水泵，运行方式需结合天气情况及负荷状况来选择，如1机2泵、1机3泵、2机3泵、2机5泵等，如有多余的泵，则作为备用，所有水泵均可相互备用。高位收水冷却塔与传统冷却塔相比，运行的不同之处主要在于启停和补水上。

2.1 启停特点

在运行的开始阶段，循环水泵从集水槽抽水，后流入配水区域，再流回集水槽。循环泵抽水的速度大大高于配水的速度，如此集水槽的水位会迅速下降，很可能会导致出现汽蚀水泵的情况。所以，启动水泵前必须先对集水槽进行充水，待水位上升至13.7 m后，依次序启动单泵，继而为配水区域充水。另外，为控制水位，在配水单元配置多个电动阀以分区配水，这也在一定程度上提高了启动速度。通常在运行过程中，一般要保持水位线在集水槽较高的位置为宜。但在停泵时，需要先降低水位，否则水锤效应会导致水泵进水间水波动和大量涌水，加上水槽上不配水剩余的水会迅速溢过集水槽而泄露，造成很大的浪费。所以，为了确保停运时这些水量不会造成集水槽的溢流，正确的停水顺序应是先停补水系统直至进水间水量达到一定量时，再逐台停循环水泵。但该方案不针对事故或断电的情况。对于事故，此种水塔集水装置高位布置的特点可大大减小水泵内水的势能，回流力度和水量都不会太大，因此不用通过水泵倒转来控制回水，仅需要控制阀门关闭的速度来限制进水间的水锤压力即可。另外，系统的溢流挡水墙设置也可以将溢出的水再回收利用。

2.2 补水特点

节能是高位收水冷却塔设计的首要目的，包括2个方面：一是缩短雨区的降落高度，减小势能损耗；二是控制溢流，减小资源浪费。补水系统是该塔水系统高位置运行的关键。因为由于集水槽表层的面积较小，水位很容易受到外界因素影响而迅速降低，如蒸发、排污、风吹等，导致循环水量大幅度减少，甚至停机。对此，科学补水是维持其正常运行的重点工作。

高位收水冷却塔补水系统有2个来源：一个是江河水由净水站处理，在通过变频循环水泵运输送水，水泵进水间设有活塞式流量自动调节阀来调节水流，为了提高可靠性，水泵采用2+1冗余；另一个水源为工业回水。

3 循环水控制系统的设计

控制系统采用厂级分散控制系统DCS（Distributed Control System），主辅控一体化控制。该控制系统采用局域网技术，围绕以太网交换机冗余系统，在上层设计集中监视和操作系统，操作员依其权限实现一人对全厂所有主控（单元机组控制系统）和辅控（辅助及公用控制系统）以及设备的控制。该水系统的运行方式为扩大单元制。控制系统根据其特性，在主控系统中纳入机组循环水泵、泵出口液控蝶阀及其它联动装置，在辅控系统中纳入积水槽排水泵、循环水泵联络电动门等辅助及公用设备。循环水系统采用DCS远程I/O，分别配置不同泵组系统的远程 I/O模件及电源模件。单元机组在泵房设置了3个独立的机柜，装设3套远程 I/O系统，并分别配备3个控制器。于1#机组1#远程 I/O机柜中装设公用系统，配独立远程 I/O模件及电源模件以及独立控制器。辅控系统中的补水系统主要负责变频水泵进水间流量自动调节阀的控制。机组控制系统及公用控制系统远程 I/O机柜安装于控制设备间，位于液控蝶阀层之下，由各自的专用电源柜进行供电。控制器机柜安装于主厂房的电子设备室内。补水系统机柜安装在净水站的控制设备间。

4 仪表设计

仪表设计有以下需要注意的几点。第一，为了发挥高位收水冷却塔的最大节能效果，集水槽水位以保持在高水位为宜，通常在13.7m上下。为了更好地监测水位，需在集水槽内设置水位测点，以随时观察水位。另外，添加低水位（12.4m）和高水位/溢流水位（13.9m）的报警提醒达到更为人性化的设计。为了更准确地监测水位情况，防止水位波动的干扰，在集水槽两侧共装有4个超声波液位计，以其均值作为参考。第二，在冷却塔中央竖井水装设1套入式静压液位变送器，以对运行状况进行监视。第三，对每个循环泵加入水温测点，以监控每一个扇区的水温，从水温也可以推断扇区开启与否。第四，由于在气温<3℃时，必须先将水温提升到常温（25℃）后才可进入配水程序，开始系统的运行，故需设置气温测点。第五，集水槽高水位运行时，循环水泵进水间也为高水位，这有利于循环水泵的运行环境，为避免低液位的影响，需设置进水间的水位测点，以在低水位时将水泵跳闸保护。

5 控制逻辑设计

5.1 配水方式与逻辑

配水方式为分扇区配水，一共有6个扇区，见图2。

图2 冷却塔配水扇区示意图

夏季运行启动时，先开启1台循环水泵，再开启全部6个扇区，接着依次开启其它水泵；冬季运行时，先依次开启3台循环水泵，之后开启扇区。如果根据需要只开1台水泵，则搭配4、6扇区，需开2台水泵，则搭配3～6扇区，需开所有3台水泵，则搭配全部的6个扇区。

5.2 运行控制逻辑与补水控制逻辑

图3 冷却塔运行逻辑图

冷却塔运行控制逻辑参见图3。补水有2种逻辑方案可以选择：第一，水位控制方案。这种控制逻辑为一简单的闭环控制方式，取水泵房进水间的水位作为反馈信号来调节补水管的流量调节阀。由变频补水泵来进行压力调控。该方式比较可靠，但补水泵变频节能的特点未能很好地展现。第二，流量控制方案。该控制逻辑相对复杂。取水位改变速度以及冷却系统表面积作为反馈信号，DCS可求得补水泵和调节阀的流量/频率-开度曲线，并选取最低的频率曲线，取该曲线的信息（频率及开度值）作为变频补水泵和流量调节阀的给定，再根据现场工况进行校正处理。该控制逻辑方案优势在于调控精确，补水泵变频节能优势充分返回。一般的DCS系统机组DCS和辅控DCS二者是孤立存在的，这里，会导致调节阀和补水泵信号的孤立，这种情况只能选择第1种方案。但本系统为厂级DCS，厂级网络将所有数据联系起来，为第2种逻辑方式提供条件。