影響中歐濕式冷卻塔大小的主要因素分析

張東文 ，張宇陽

(1. 國核電力規劃設計研究院，北京 100095；2. 冀北電力有限公司檢修分公司，北京 102400)

1 概述

德國林根核電站1300 MWe機組采用二次循環供水系統，其冷卻塔的輸入條件和規模如下：

熱負荷：2430 MW

循環水量：158000 t/h

進塔水溫：36.3℃

出塔水溫：23.1℃

在此條件下，本工程配置的冷卻塔淋水面積：13050 m2；高度：152 m。

而中國石島灣核電站1400 MWe機組，在熱負荷(2545 MW)相當的條件下，針對該廠址的條件，通過循環水系統優化確定的冷卻塔淋水面積為18000 m2，高度213.5 m。

中國石島灣核電站較德國林根核電站的冷卻塔淋水面積大約為5000 m2，高度相差達62 m，而冷卻塔淋水面積和高度的增加均會提高冷卻塔冷效的同時，也提高了冷卻塔的投資，也影響電站的運行年費用，分析其影響因素意義重大。

作為電站的冷端重要設備之一的冷卻塔，影響其規模大小的因素很多，如汽輪發電機組的排汽焓、冷卻塔的單位面積造價、冷卻塔所在地氣象條件、冷卻塔型式、循環冷卻倍率、淋水填料類型、循環水水質狀況等。

本文主要針對德國林根核電站、中國石島灣核電站兩個廠址地域特點，重點從氣象條件和冷卻塔綜合造價兩個方面，依次展開論述，計算、分析影響冷卻塔淋水面積以及塔高的主要因素。而對于影響冷卻塔淋水面積的常規因素，如冷卻塔型式、循環冷卻倍率、淋水填料類型、循環水水質狀況，筆者不再贅述。

2 核電廠址的地域條件差異

2.1 設計氣象條件

在濕式冷卻塔中，熱水的溫度高，流過水表面的空氣的溫度低，水將熱量傳給空氣，由空氣帶走，散到大氣中去。濕冷塔散熱有兩種形式：①接觸散熱、②蒸發散熱。因此冷卻塔所在地的氣溫對冷卻塔選型有極其重要的影響，在相同的熱負荷、出塔水溫要求下，冷卻塔淋水面積會因所在地氣溫不同而差異迥然。德國林根廠址、中國石島灣廠址和中國彭澤廠址的氣象條件見表1。

表1 各廠址的氣象條件

在相同的熱負荷(2430 MW)和出塔水溫(23.1℃)條件下，計算所需的濕式海水冷卻塔大小，即淋水面積。計算結果見表2。

表2 氣象條件對冷卻塔選型的影響

由以上計算結果可知，氣象條件對冷卻塔淋水面積的大小有較大影響，濕球溫度由8.0℃到9.7℃，冷卻塔淋水面積增大了9%，到14.5℃淋水面積增大了42%。

2.2 冷卻塔單位面積造價

在一定的冷端規模下，當冷卻塔單位造價較高時，從冷端的角度上講，應當通過增大凝汽器面積或提高機組設計背壓等方式，以減小冷卻塔在冷端中所起的作用，提高整個冷端系統的經濟性。

在歐洲，冷卻塔建設的人工成本及混凝土價格等因素，使得歐洲的冷卻塔單位造價比國內高出很多，如歐洲海水冷卻塔的單位面積造價約為4.53萬元/m2，中國海水冷卻塔的單位面積造價約為1.7萬元/m2，因此與國內機組容量相同的電站相比，德國林根核電站適宜采用淋水面積比較小的冷卻塔。

2.3 設計背壓

在歐洲，各國政府基于對石油危機等因素的考慮，政策上鼓勵冬季的采暖及采光等更多地使用電能，而夏季不需空調制冷，使得冬季電站負荷較高。根據這一用電需求特點，需要采用較高設計背壓以有利于冬季多發電，提高冬季的微增收益，進而提高電廠的收益。

因此，德國林根核電站采用了8.95 kPa的設計背壓，采用如此高的背壓值，則對冷端要求較低，出塔水溫就可以提高很多，冷卻塔也就相應可以做得小很多。

而在中國的中、南部地區，夏季比較炎熱、需要空調、風扇等電器降溫，使得夏季用電負荷最高；同時又因我國火電裝機容量相對過剩，年發電小時數在4000～5000 h之間。根據這一用電需求特點，需要根據具體廠址的氣象條件、主要冷端設備的綜合造價、年發電小時數、發電成本價或上網電價等，通過冷端優化，合理確定適合具體廠址的冷端規模，進而確定機組的設計背壓。

2.4 計算實例

以國內核電廠址——石島灣核電站1400 MWe級機組為基礎條件，分析冷卻塔的單位面積造價對冷卻塔選型的影響。

目前中國國內海水冷卻塔的單位面積造價約為1.7萬元/ m2；上網電價為0.35元/(kWh)。

采用三背壓機型，經冷端優化計算，結果見表3，工程適宜的冷卻塔面積為18000 m2、塔高213.50 m、4.37 kPa。

表3 國內冷卻塔造價、三背壓機型冷端方案排序

如果僅改變冷卻塔單位造價為4.53萬元/ m2經冷端優化計算，結果如表4，工程適宜的冷卻塔面積為14000 m2、塔高188.90 m、5.0 kPa。

表4 歐洲冷卻塔造價、三背壓機型冷端方案排序

以上優化計算結果說明：由于歐洲冷卻塔的單位面積造價比國內高出許多，工程中建設淋水面積較小的冷卻塔更為經濟合理。

綜合氣象條件和冷卻塔的單位面積造價等因素的影響，使中國石島灣核電站較德國林根核電站的冷卻塔淋水面積大約為5000 m2、高度相差約62 m的配置方案，針對各廠址條件而言均是經濟合理的。

5 結論

(1)以德國林根核電站1300 MWe級機組為例，歐洲林根核電站廠址的年平均濕球溫度為8.0℃，石島灣核電站廠址的年平均濕球溫度為9.7℃，在保證相同的熱負荷和出塔水溫條件下，相應配置的濕式常規海水冷卻塔淋水面積分別為13050 m2、14200 m2，表明冷卻塔所在地氣溫條件直接影響冷卻塔的淋水面積。

(2)以石島灣核電站1400 MWe級機組為例，在相同的廠址、三背壓機型條件下，分別采用歐洲冷卻塔單位面積造價4.53萬元/ m2、國內冷卻塔造價約為1.7萬元/m2，經冷端優化計算，所配置的濕式高位集水冷卻塔淋水面積和塔高分別為14000 m2、塔高188.90 m和18000 m2、塔高213.5 m，表明冷卻塔的單位面積造價也會直接影響其淋水面積的大小。

(3)作為電站的冷端重要組成之一的冷卻塔，其規模大小與其廠址條件密切相關，脫離廠址條件空談冷卻塔的規模是沒有實質意義的。

德國林根核電站由于冷卻塔單位面積造價高、冬季用電負荷大等客觀原因，決定了其冷端適宜采用較小淋水面積的冷卻塔、高排汽壓力的配置。

相比之下，由于我國人工和混凝土成本相對較低使冷卻塔的單位造價較低，使得冷卻塔的淋水面積傾向大的趨勢；但在南方氣溫較高、濕度較高，使得冷卻塔的冷卻難度增加，使機組趨向高排汽壓力運行。這就意味著必須針對具體的廠址條件，通過循環水系統優化設計軟件，對冷端進行全面、綜合優化，合理確定冷端的規模，以期達到電站安全、經濟運行的目的。

相反不能片面追求年平均工況的發電容量，導致冷端配置高、工程投資大、平均排汽壓力與阻塞排汽壓力的差值較小，冬季氣溫低時受阻塞背壓的限制，不能充分利用自然條件實現多發電。