高效節(jié)水瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔在燃機(jī)電廠中的應(yīng)用

周軍

（江蘇華電儀征熱電有限公司，江蘇儀征211400）

高效節(jié)水瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔在燃機(jī)電廠中的應(yīng)用

周軍

（江蘇華電儀征熱電有限公司，江蘇儀征211400）

針對(duì)燃機(jī)電廠占地面積小、總平布置難的特點(diǎn)，引入了高效節(jié)水瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔，該塔型具有占地面積小、運(yùn)行效果好、維護(hù)工作量小、節(jié)水防凍等優(yōu)點(diǎn)，解決了燃機(jī)電廠總平難于靈活布置的問(wèn)題，實(shí)施后取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有很大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

高效節(jié)水；瘦高型；自然通風(fēng)冷卻塔；燃機(jī)電廠；占地面積

0 引言

在國(guó)內(nèi)環(huán)保要求日益嚴(yán)格的背景下，以天然氣為燃料的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)作為一種清潔高效發(fā)電技術(shù)，在新建電廠中所占比例日益增大，成為今后火力發(fā)電的重要發(fā)展方向。由于燃機(jī)電廠占地面積規(guī)劃限制，對(duì)于冷端系統(tǒng)中占地面積最大的冷卻塔，能否合理配置顯得尤為重要。

1 自然通風(fēng)冷卻塔選型配置

江蘇華電儀征熱電有限公司三套西門子E級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組于2012年12月建成投產(chǎn)，采用二次循環(huán)供水系統(tǒng)。對(duì)于3臺(tái)機(jī)組來(lái)說(shuō)，可采用“一機(jī)一塔”、“三機(jī)二塔”或“三機(jī)一塔”配置，塔型則可采用常規(guī)型或瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔。具體到本工程，根據(jù)廠區(qū)總平面布置，如果采用“一機(jī)一塔”配置，場(chǎng)地大小無(wú)法滿足要求。采用“三機(jī)一塔”雖可大大減少占地，但該工程為熱電聯(lián)產(chǎn)工程，3臺(tái)機(jī)組共用1座冷卻塔，可靠性勢(shì)必有所降低，且也較難適應(yīng)機(jī)組不同冷卻水量的組合工況。當(dāng)采用“三機(jī)二塔”配置方案時(shí)，根據(jù)廠區(qū)總平面布置要求，冷卻塔零米直徑宜控制在70m左右，極限零米直徑80m左右。

常規(guī)型自然通風(fēng)冷卻塔[1]塔高與零米直徑比值（高徑比）一般為1.2～1.4，塔高較低，零米直徑較大，占地面積大，是火電廠中最為常用的一種冷卻塔塔型。瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔高徑比一般在1.5以上，在保證冷卻效果的前提下，零米直徑相對(duì)較小，占地較少，塔身相對(duì)較高，其拔風(fēng)冷卻能力較強(qiáng)[2]。

在保證設(shè)計(jì)工況相同冷卻效果的前提下，對(duì)常規(guī)型和瘦高型冷卻塔兩種塔型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算[3]，冷卻塔特征參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)果表明，當(dāng)采用常規(guī)型自然通風(fēng)冷卻塔時(shí)，淋水面積4250m2，設(shè)計(jì)零米直徑80m，塔高102.5m，兩塔中心距110m，零米間距30m＞4×Hi（進(jìn)風(fēng)口高度，7m）；當(dāng)采用瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔時(shí)，淋水面積3108m2，設(shè)計(jì)零米直徑67m，塔高125m，兩塔中心距103m，零米間距35m＞0.5×D（零米直徑，67m）。兩種塔型在總平面布置上均滿足設(shè)計(jì)要求，但常規(guī)塔零米間距是按不小于4倍進(jìn)風(fēng)口高度設(shè)計(jì)的，已接近規(guī)范中要求的極限要求，由于間距比較小，冷卻塔進(jìn)風(fēng)條件會(huì)受到一些相互影響；瘦高塔零米直徑較小，冷卻塔之間的凈距已達(dá)到規(guī)范的基本要求，就不存在該問(wèn)題，完全滿足要求。與常規(guī)塔相比，采用瘦高塔共節(jié)省占地約3000m2，相應(yīng)減少了征地費(fèi)用約60萬(wàn)元。

表1 冷卻塔特征參數(shù)比較

2 冷卻塔技術(shù)特點(diǎn)比較

與國(guó)內(nèi)火電廠慣常采用的常規(guī)型冷卻塔不同，瘦高型冷卻塔結(jié)構(gòu)形式更加獨(dú)特，并對(duì)所配套塔芯材料進(jìn)行個(gè)性化整體設(shè)計(jì)，借鑒使用國(guó)外專業(yè)公司的成熟產(chǎn)品，其中填料高度1.22m，填料片間距19mm，材質(zhì)為改性PVC，且填料為單片填料，具有散熱面積大，阻力小，風(fēng)吹損失小，抗阻塞的特點(diǎn)；收水器高度145mm，其結(jié)構(gòu)形式為嵌套孔窩式立體三折向設(shè)計(jì)，其入風(fēng)角度和出風(fēng)角度均按照實(shí)際氣流方向而設(shè)計(jì)，保證了冷卻塔空氣流場(chǎng)的均勻性，有效回收氣流中的小水滴，節(jié)約水資源。以常規(guī)型冷卻塔作參照，瘦高型冷卻塔的具體運(yùn)行特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）節(jié)水。常規(guī)型冷卻塔風(fēng)吹損失率0.05%，而瘦高型冷卻塔由于采用了高效收水器，其風(fēng)吹損失率可降低至0.001%。與常規(guī)型冷卻塔相比，高效節(jié)水瘦高型冷卻塔每年可節(jié)約用水量達(dá)10.2×104m3，節(jié)水效果顯著。

（2）節(jié)電。瘦高型冷卻塔的豎井水位較常規(guī)塔低，與等效常規(guī)塔的供水幾何揚(yáng)程相比減小0.2m左右，每年節(jié)省循環(huán)水泵運(yùn)行費(fèi)用約9.5萬(wàn)元。除夏季時(shí)瘦高塔出塔水溫與常規(guī)塔基本一致外，春秋季和冬季時(shí)瘦高塔出塔水溫均比常規(guī)塔低約0.5℃，相應(yīng)凝汽器背壓低約0.13kPa，每年節(jié)約微增電費(fèi)32萬(wàn)元，有較好的節(jié)電效果。

（3）降噪。與常規(guī)型冷卻塔相比，瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔淋水填料高程和進(jìn)風(fēng)口高度均較低，淋水產(chǎn)生的噪聲相對(duì)較小，有利于噪聲治理及控制。

（4）防凍。與等效常規(guī)型冷卻塔相比，瘦高型冷卻塔的淋水面積減小約20%，在相同水量情況下，其淋水密度更高，有效解決了冬季低冷卻倍率運(yùn)行時(shí)淋水密度小和配水不均勻所導(dǎo)致的結(jié)冰問(wèn)題，滿足冷卻塔防凍要求。

（5）運(yùn)行靈活。選用“三機(jī)二塔”配置，既節(jié)省占地面積，又使冷卻塔可以根據(jù)機(jī)組不同電熱負(fù)荷、不同季節(jié)氣象條件靈活調(diào)配運(yùn)行方式，在實(shí)際運(yùn)行中可以采用“三機(jī)二塔”、“三機(jī)一塔”或“一機(jī)一塔”等多種組合方式。

（6）維護(hù)工作量小。相比常規(guī)型冷卻塔所選用的S波、雙斜波等填料，瘦高型冷卻塔采用經(jīng)個(gè)性化整體設(shè)計(jì)的塔芯材料，整體質(zhì)量好，使用效率高，運(yùn)行壽命延長(zhǎng)一倍，大大減少了生產(chǎn)人員的日常維護(hù)和檢修工作量。

3 冷卻塔技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

3.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較方法

冷卻方案比較采用火力發(fā)電廠中常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)技經(jīng)比較法，即年費(fèi)用最小法。年費(fèi)用最小法的基本原理是將投資成本按規(guī)定的回收率分?jǐn)偟矫恳荒曛校偌由厦磕甑妮o機(jī)耗電費(fèi)用、微增出力補(bǔ)償電費(fèi)、大修費(fèi)用等，即為年費(fèi)用，其值最小時(shí)，說(shuō)明此方案經(jīng)濟(jì)性最好。

（1）年費(fèi)用NF

式中NF—年費(fèi)用值；

P—總投資現(xiàn)值；

AFCR—年固定分?jǐn)偮剩?/p>

μa—年運(yùn)行費(fèi)。

（2）年固定分?jǐn)偮蔄FCR

式中CR—資金回收系數(shù)；

MR—大修費(fèi)率，取2.5%。

（3）資金回收系數(shù)CR

式中i—投資回收率，取10%；

n—工程經(jīng)濟(jì)年限，取20a。

3.2 冷卻塔主要工程量及造價(jià)統(tǒng)計(jì)

表2 冷卻塔造價(jià)統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，常規(guī)塔一般采用國(guó)產(chǎn)塔芯材料，價(jià)格較低，而瘦高塔采用國(guó)外進(jìn)口的專用塔芯材料，其價(jià)格要比常規(guī)塔高得多。但由于瘦高塔占地面積較少，所以與之相關(guān)的基建和降噪費(fèi)用均低于常規(guī)塔。綜合比較，瘦高塔比常規(guī)塔造價(jià)要低一些。

3.3 冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

根據(jù)機(jī)組冷端初步優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)告中推薦的冷端配置方案，通過(guò)對(duì)常規(guī)塔和瘦高塔進(jìn)行相關(guān)熱力計(jì)算，可求解凝汽器真空偏離設(shè)計(jì)值導(dǎo)致的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組微增出力變化，最后得出引起的補(bǔ)償電費(fèi)。其中，電價(jià)按發(fā)電成本價(jià)0.54元/kWh，機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)按5500h計(jì)。常規(guī)塔和瘦高塔所對(duì)應(yīng)的年微增出力補(bǔ)償電費(fèi)見(jiàn)表3。可以看出，在保證夏季設(shè)計(jì)循環(huán)水溫和凝汽器真空一致的前提下，春秋和冬季的循環(huán)水溫存在差異，會(huì)產(chǎn)生不同的微增出力補(bǔ)償電費(fèi)。與常規(guī)塔相比，瘦高塔的年微增出力補(bǔ)償電費(fèi)要低32萬(wàn)元。

3.4 冷卻塔年費(fèi)用比較

表3 冷卻塔年微增出力補(bǔ)償電費(fèi)對(duì)比

填料是冷卻塔塔芯材料的核心部件，所占費(fèi)用比例最大，約50%左右，在長(zhǎng)期使用中需要大面積更換。因此，在對(duì)冷卻塔進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，還需考慮填料的更換周期和費(fèi)用折算問(wèn)題。

常規(guī)型冷卻塔采用國(guó)產(chǎn)填料，瘦高型冷卻塔采用國(guó)外生產(chǎn)的專用填料。國(guó)產(chǎn)填料使用回收料、填充料較多，普遍存在價(jià)低質(zhì)次問(wèn)題，一般在5～8a陸續(xù)更換。瘦高塔使用的專用填料質(zhì)量較好，一般保證壽命15a。表4分析比較時(shí)，在工程經(jīng)濟(jì)年限20a內(nèi)，國(guó)產(chǎn)填料更換按第8年和第16年計(jì)，專用填料按第15年計(jì)。

由以上各表可以看出，采用瘦高型冷卻塔方案年費(fèi)用更低，比常規(guī)型冷卻塔方案每年節(jié)省費(fèi)用約75萬(wàn)元，按國(guó)產(chǎn)填料、專用填料每次更換費(fèi)用分別為210萬(wàn)元、465萬(wàn)元計(jì)，兩者相差255萬(wàn)元，3年多即可完全彌補(bǔ)更換填料的差值，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)上述比較分析可知，與常規(guī)型冷卻塔相比，高效節(jié)水瘦高型冷卻塔占地面積小，布置、運(yùn)行方式靈活，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好，在規(guī)劃面積有限的燃機(jī)電廠中具有較大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，本工程優(yōu)選高效節(jié)水瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔作為“三機(jī)二塔”配置方案中的冷卻設(shè)備。

表4 常規(guī)塔和瘦高塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較萬(wàn)元

4 瘦高型冷卻塔運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

該工程建成投產(chǎn)后，瘦高型冷卻塔在實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益。表5所示為2座瘦高型冷卻塔的熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)《工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)程》[4]，采用冷卻水溫對(duì)比法來(lái)評(píng)價(jià)冷卻性能，即

式中η—冷卻能力，%；

Δtt—實(shí)測(cè)冷卻水溫差，℃；

Δtd—計(jì)算冷卻水溫差，℃；

t1——實(shí)測(cè)進(jìn)塔水溫，℃；

t2——實(shí)測(cè)出塔水溫，℃；

t2d——計(jì)算出塔水溫，℃。

測(cè)試規(guī)程規(guī)定，當(dāng)η＞95%時(shí)，冷卻能力達(dá)到設(shè)計(jì)值；當(dāng)η＞105%時(shí)，冷卻能力超過(guò)設(shè)計(jì)值；而當(dāng)η＜95%時(shí)，則認(rèn)為冷卻塔的冷卻能力未達(dá)到設(shè)計(jì)值，應(yīng)該分析原因并進(jìn)行檢修維護(hù)。

由表5可以看出，在所有試驗(yàn)工況下，#1和#2瘦高型冷卻塔的冷卻能力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，甚至超出設(shè)計(jì)值，充分表明該型冷卻塔性能優(yōu)秀，運(yùn)行狀態(tài)良好。

表5 瘦高型冷卻塔性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

高效節(jié)水瘦高型自然通風(fēng)冷卻塔在保證冷卻塔熱力性能和換熱要求的基礎(chǔ)上，具備占地面積小、節(jié)約投資的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)尤其在占地面積較小的燃機(jī)電廠具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。該塔投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，冷卻水溫滿足設(shè)計(jì)要求，取得了較好的運(yùn)行效果，具有較高的實(shí)際應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，相關(guān)成果和經(jīng)驗(yàn)也可為占地面積有限的燃煤電廠提供借鑒和參考。

[1] 趙振國(guó).冷卻塔[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1997．

[2] 李岳劍，趙鵬.某大型火力發(fā)電廠冷卻塔選型分析[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，23(2)：31-32．

[3] 西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005．

[4] DL/T 1027-2006.工業(yè)冷卻塔測(cè)試規(guī)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

周軍（1970-），男，高級(jí)工程師，從事電力生產(chǎn)管理工作。

2016-08-25