浅谈 高位收水塔在大型燃煤电站的应用

文/张林 李倩

1.前 言

高位收水冷却塔技术最早是上世纪70年代末法国电力公司和比利时哈蒙冷却塔公司设计研究提出的节能型冷却塔，并于80年代中期开始工业应用，最初用在法国核电站。高位收水冷却塔相比于常规冷却塔，最大的优点是淋水不是淋到塔池内，而是通过高位布置的收水斜板、收水槽将淋水进行收集并汇流到主集水槽内，充分利用淋水下落的势能，使水泵前有一个较高的压头，从而达到降低水泵扬程、减小循环水泵功率的目的。另外，高位收水冷却塔由于淋水高程低，因此具有噪音小的优点；同时，高位收水塔内的挡板对进风有导流的作用，再加上哈蒙悬吊式结构阻力小的特点和较高性能的填料装置，高位收水冷却塔的冷却效果要优于常规塔。

我国于上世纪90年代初最早在蒲城电厂一期2x330MW工程中首次采用高位收水冷却塔技术，但由于设计和施工存在缺陷，运行情况并不理想。常规火电机组中，重庆万州电厂2x1000MW机组、安徽安庆电厂2x1000MW机组、湖南永州电厂2x1000MW机组、山东寿光2x1000MW机组等，均采用了高位收水冷却塔方案。

可以看出，随着机组容量的增大以及节能降耗需求的增加，高位收水冷却塔技术逐渐成为大容量发电机组应用的热点技术，并且其核心技术（塔芯收水装置）也已逐渐实现国产化。

2.常规自然塔与高位收水塔的技术比较

2.1 常规自然塔方案

在常规逆流式自然通风冷却塔中，热水经由竖井送入塔内配水系统，经配水及喷溅装置均布至填料层与空气进行热交换；冷却水在填料层下部形成雨区并由底部水池收集后循环利用。

2.2 高位收水塔方案

与常规塔相比，高位收水冷却塔取消了常规塔底部的水池，而改用高位布置的收水装置在填料下部收集冷却水，收集的冷却水汇入中央集水槽后循环使用。该冷却塔型式几乎没有雨区，可达到降低静扬程和雨落噪音的目的。高位集水装置如上图所示。

高位收水装置图示

2.3 常规自然塔与高位收水塔的技术比较

2.3.1 循环水泵扬程

循环水泵的总扬程由静扬程和动扬程组成，其中静扬程为冷却塔竖井水位至下部收集水池（集水槽）的水位差，动扬程为系统各部分的阻力之和。

系统动扬程与系统各部件的配置和布置相关，受冷却塔型式的影响很小，故采用常规自然塔与高位收水塔的系统动扬程差异不大。而对于系统静扬程，与常规冷却塔相比，高位收水冷却塔采用高位收水装置收集冷却水，减少了雨区自由跌落的高度，因此可大幅度降低循环水系统的静扬程。

2.3.2 噪音

相关研究及试验证明，应用于1000MW级火电机组中的常规自然通风冷却塔进风口处的噪声约为82－86dB，是显著的噪声源，而雨落水击是冷却塔噪声的主要来源。高位收水塔雨区高度仅为常规自然塔自由跌落高度的20%左右，并且其自由跌落区均在塔筒之内，具备隔声作用，因此噪声排放非常低，通常可降低噪音约10分贝。

2.3.3 冷却塔热力及阻力特性

1）雨区热力及阻力特性

冷却塔的工作状态是进塔热水与进塔空气的热力平衡及塔筒抽力与阻力平衡的状态。冷却塔换热的主要区域是淋水填料区域，雨区的换热仅为全塔换热的一小部分。高位收水冷却塔的雨区相对常规塔小，换热能力较常规塔减少约3%。冷却塔阻力中，雨区的阻力占40%左右，高位收水冷却塔落雨高度小，从而大幅减少了雨区通风阻力，使高位塔进风阻力较常规塔小，提高了冷却塔通风量和换热效果。

2）冷却塔配风

常规冷却塔由于受雨区阻力的影响，冷却塔配风表现为四周风量高、中间风量低，最大进风量出现在约3/4半径处，冷却塔整体配风不均。高位收水塔无雨区横向阻力，冷却塔配风表现为中间风量高、四周风量低，同时由于收水板可均化通风流量，故高位冷却塔比常规塔配风更加均匀，同等条件下换热效果更好。

3）填料安装方式

目前高位塔设计供货主要为哈蒙公司产品，其填料安装方式采用悬挂式，部分工程采用了国产填料，而国产填料安装方式为梁柱+玻璃钢栅条搁置式。两种方式各有利弊，悬挂式减少了填料阻挡面积，该方式在热力性能上优于搁置式；但因其悬挂在梁下，检修安装时，人员无法直接到达，不便于更换填料。

4）填料型式

目前，国产填料主要采用综合性能较优的S波，哈蒙公司对于SS不高的水质一般采用SNCS填料。根据中国水利水电科学研究院2014年10月的SNCS填料测试结果表明，SNCS填料比S波填料冷却数高约11-13%，阻力比S波填料低约5-10%，填料综合散热性能比S波填料高约12-13%。

2.3.4 循环水系统运行

1）补水系统

高位收水塔集水槽表面积仅相当于常规塔水池面积的4-5%，同等系统补水、耗水变化导致的水位变幅将是常规塔的20-25倍，因此对补水系统的稳定性和可靠性有较高要求。故高位收水塔需通过变频调节补充水泵的流量，确保集水槽处于安全的高水位运行，以达到节能运行的目的。

2）停泵工况

为了尽可能的节能，高位收水塔正常运行中都尽可能维持在高水位运行，可调节容积很少，若在停泵前未预先降低集水槽水位，停泵时产生的涌水及配水系统的大量余水将很快抬升水位，造成循环水溢出，因此，高位收水塔系统正常停泵前应采取预先停止系统补水，降水位的运行方式。

同时，为减少事故停泵时集水槽大量涌水，高位收水塔系统工程设计时往往采用多配循环水泵的方案，减少单泵事故时的涌水量。

3.冷却塔设计方案

某工程规划容量为4×1000MW超超临界燃煤机组，根据工程自然和环保条件，拟采用带冷却塔的循环供水系统。一台机组配置一座常规冷却塔或一座高位收水冷却塔。根据冷却水量和进出水温差，在相同设计条件下，经过优化计算分别确定了常规冷却塔和高位收水塔的设计方案，具体的塔体尺寸及配置见表1。

4.经济性比较

4.1 方案比较原则

1）经济比较采用最小年费用法。

表1 高位塔和常规塔参数对照表

2）经济比较以1×1000MW级机组为单位进行，年费用包括年固定费用及年运行费用两部分。

3）经济比较仅针对两个方案主要差异部分，包括冷却塔、循环水泵房及设备、循环水沟等，循环水管、凝汽器均相同，不参与比较。

4.2 基本技术经济参数

根据本工程汽轮发电机组的技术经济条件，方案比较采取的基本技术经济参数为：

•机组年利用小时数：4800h；

•年固定费用率：12.69%；

•成本电价：0.303元/kW·h；

•上网电价：0.472元/kW·h；

•税后上网电价：0.403元/kW·h；

•进口塔芯单价：4300元/ m2（含收水装置、填料等）；

•国产填料单价：650元/ m2。

4.3 经济比较结果

针对本工程，1×1000MW级机组冷却塔不同方案的技术经济比较详见表2。

由表2可以看出：

高位收水塔方案单座塔投资比常规塔方案多4262.7万元，年固定费用多支出541万元，年可节约循泵运行费670万元，节煤收益51万元。综合投资和运行费用，高位收水塔系统比常规塔系统年总费用低180万元/年。

表2 1×1000MW级机组技术经济比较表

5.结 论

综合比较表明：

1.高位收水冷却塔大幅减小了常规塔雨区跌落高度和系统静扬程，具有明显节能和低噪音优势，在大型燃煤电站机组中的超大型冷却塔上应用高位收水技术具有广阔的应用前景。

2.高位收水冷却塔具有显著的降低噪音的优点。与常规冷却塔相比，高位收水冷却塔运行噪音可降低10dB左右，减少了噪音的治理费用。

3.对于系统运行而言，因高位收水冷却塔取消了塔下水池，其系统水体容积小，对补水系统的可靠性要求较高，运行管理相对复杂。

4.随着能源价格的增加导致电价的抬高，同时考虑高位收水塔塔芯材料实现国产化，高位收水冷却塔的经济优势还将会进一步突显。