國產高位收水冷卻塔技術應用研究

馬棟

摘 要：超大型常規逆流式自然通風冷卻塔靜揚程高，循環水泵電耗較大，循環水系統的運行費用較高，如何減少冷卻塔能耗與噪聲也是國內一直關注的焦點之一。為有效地減小循環水泵的靜揚程，從而節約電能和降低噪聲，哈蒙公司在20世紀70年代研發了高位收水冷卻塔技術。多年的運行表明其高位收水裝置穩定、安全、可靠，作為一種節能環保技術，高位收水塔在國內有逐漸推廣的趨勢。

關鍵詞：高位收水;冷卻塔;節能;降噪

Abstract： Super-large conventional counter-flow natural ventilation cooling tower has high static head， high power consumption of circulating water pump， and high operating cost of circulating water system， how to reduce the energy consumption and noise of cooling towers has also been one of the focuses of domestic attention. In order to effectively reduce the static head of the circulating water pump， thereby saving electrical energy and reducing noise， Harmon Company developed high-level water collection cooling tower technology in the 1970s. Years of operation have shown that its high water collection device is stable， safe and reliable， as an energy-saving and environmental protection technology， high-level water collection towers have a tendency to be gradually promoted in China.

Keywords： high-level water collection;cooling tower;energy saving;noise reduction

與常規冷卻塔及其循環水系統相比，高位收水冷卻塔及其循環水系統用高位收水裝置及集水槽取代常規自然塔底部集水池，同時，配水管、填料、收水斜板、收水槽均需要吊裝，其對吊裝材料的可靠性要求非常高[1]。其外形與常規塔基本相同，只是進風口高度有所增加，淋水面積稍有減少。

1 技術經濟比較

1.1 方案比較原則

以2×1 000 MW機組為單位進行年費用比較，方案比較僅對比兩個方案主要差異部分，包括冷卻塔、循環水泵房及設備、循環水溝。循環水管、凝汽器均相同，不參與比較。循環水泵按熱季（5—9月）一機三泵、冷季（12月至次年2月）一機一泵、溫季（3—4月、10—11月）一機二泵或二機三泵的模式運行。

1.2 技術經濟參數

根據本工程汽輪發電機組的技術經濟條件，方案比較采取的基本技術經濟參數（預測值）如下：機組年利用小時數為5 500 h;投資回收率為8%;經濟使用年限為20年;成本電價為0.27元/（kW·h）。上網電價為0.311元/（kW·h）（不含稅）;循環水泵組綜合效率為80%;大修理費率為2.5%。常規塔與高位收水塔循環水系統技術經濟比較結果如表1所示。

2 國產化高位收水冷卻塔技術研究

高位收水裝置是高位收水塔的核心部件，主要由波形收水斜板、防濺器、U形收水槽、吊裝架及吊繩等組成，作用是在淋水填料下部截留落水雨滴并將之匯入高位塔主收水槽，抬高冷卻塔集水水面，降低冷卻塔供水高度，減小落水噪聲[2]。

2.1 收水裝置工藝結構設計及應力計算研究

以滿足20年安全可靠運行為目標，本文針對高位收水裝置提出了多種工藝設計方案，通過技術經濟比較優選出最佳高位收水裝置工藝設計方案，包含布置方案、各部件的連接方式、固定方式、材料選擇、部件之間及部件穿柱等處的局部防漏措施等。在此基礎上，筆者對推薦方案進行受力計算分析，提出合理的結構尺寸和結構加強設計。

研究成果如下：明確提出了高位收水裝置的設計理論與方法;明確了收水裝置的設計荷載工況及工況組合;明確了收水裝置構件材料指標和參數和及相應的分項系數，分析了收水裝置中不同結構材料的耐腐蝕特性;對U形收水槽結構進行設計與方案優選;根據懸吊系統的設計計算，確定了懸吊系統各部件的結構參數;建立收水裝置整體計算模型，考慮不同荷載工況及組合條件，進行計算分析，獲得了結構整體變形性能及各零部件的受力情況。

2.2 收水裝置實物模型研究及制造

收水裝置是高位塔的核心部分，對收水裝置部件的加工制造進行研究、加工和制造，并對產品性能進行測試。收水裝置部件主要包括U形收水槽、防濺器以及波形收水斜板等。

研究成果如下：確定了收水裝置部件加工制造流程，為高位塔的國產化提供技術支持;對U形收水槽進行加工研制，產品性能滿足設計要求;對波形收水斜板進行加工制造，材質的力學性能符合設計要求;對防濺器的濺水性能進行試驗研究，濺水率低于0.05‰，滿足工程要求。

2.3 填料安裝方式與性能測試

填料采用懸吊式安裝，研究填料采用穿桿式懸掛、下部托梁懸掛、下部玻璃鋼網格懸掛三種懸掛方式時對填料剛度的匹配要求，分析其與收水槽懸掛系統的干涉關系，優選合適的填料懸掛方案。淋水填料性能測試試驗平臺如圖1所示。

研究成果如下：試驗確定了參考工程淋水填料1.5 m高度的熱力阻力特性，為高位塔設計計算提供數據支持;通過比較S波填料2.0 m高度不同填料安裝支撐方式之間的試驗結果發現，填料底部設玻璃鋼托架懸吊較內部穿桿布置，淋水填料熱力阻力性能無明顯差異;通過比較S波填料1.5 m高度填料交錯布置與不交錯布置試驗結果發現，不交錯布置較交錯布置，熱力阻力性能均有所降低，熱力降低1.3%，阻力降低2.6%;確定了內部穿桿方式下S波填料2 m安裝高度下的熱力阻力特性，供設計參考和使用。

2.4 收水裝置模擬試驗塔建造和運行

如圖2所示，建造高位收水裝置模擬試驗塔，對模型塔開展為期6個月的連續運行可靠性試驗，在試驗中定期觀測記錄模型濺漏量的變化，塔外1 m處噪聲變化情況以及各部件的變形、破裂、損壞情況。

研究成果如下：設計開發了5種不同樣式的防濺器，取得5種防濺器不同試驗工況下的濺水率，推薦濺水率小、防濺效果好的防濺器型式Ⅴ;確定了不同布置傾角下防濺器的濺水率，推薦最佳的傾角布置44°;對波形收水斜板進行了設計和制造，收水斜板連接處采用螺栓固定連接的方式進行連接，可供工程參考和使用;通過對高位收水裝置關鍵連接處的連節方式進行設計和防濺（漏）水性能試驗，推薦合適的連接方式，為設計和建造提供依據和參考;確定了不同淋水密度工況下高位收水冷卻塔的噪聲測試結果，供設計參考;對收水裝置進行為期半年的耐久性運行試驗，試驗結果表明，設計研發的收水裝置結構合理，可應用于實際工程。

3 社會效益

3.1 噪聲控制

相關研究及試驗證明，大型常規自然通風冷卻塔的進風口處的噪聲均接近82～86 dB（A），是最為顯著的噪聲源。而淋水聲又是冷卻塔噪聲的主要來源。高位收水塔自由跌落高度僅為常規自然塔自由跌落高度的26.5%，而且其自由跌落區均在塔的筒壁之內，相當跌落于天然隔聲墻，因此噪聲排放非常低，通常可降低10～15 dB（A）。

3.2 收水裝置國內制造

近年來，隨著國華壽光電廠、九江電廠等超大型國產化高位收水塔的投產和運行，國產化收水裝置制造和安裝水平已經達到世界先進水平，為今后在國內應用、國際推廣奠定了堅實的基礎，同時帶動了國內生產制造商研究、制造能力的開拓，利于民族制造業的發展。

4 經濟效益

4.1 高位收水塔性能試驗結果

試驗工況如下：1號冷卻塔試驗進塔循環水溫度為41.35 ℃，出塔循環水溫度為30.54 ℃，循環水溫差為10.81 ℃;2號冷卻塔試驗進塔循環水溫度為40.79 ℃，出塔循環水溫度為30.28 ℃，循環水溫差為10.50 ℃。試驗結果：1號冷卻塔的冷卻能力為100.99%，2號冷卻塔的冷卻能力為102.12%，1、2號冷卻塔均達到性能保證值（冷卻能力大于100%）。冷卻塔性能試驗結果如表2所示。

4.2 高位收水塔經濟效益

塔芯材料按進口技術國內合資生產價格計算，2×1 000 MW機組高位收水塔系統初投資比常規塔系統多約5 423萬元，但節約循泵電費約816.74萬元/年。折合投資和運行費用，在電廠全壽命期內，對比總年費用，高位收水塔系統比常規塔系統低128.82萬元/年，高位收水塔的經濟優勢更好。

5 結論

高位收水冷卻塔塔高為199.725 m，淋水面積為13 200 m2，是國內濕式冷卻塔第一高塔、第一大塔，是國產化后首次采用全懸吊塔芯裝置的高位收水塔。1號和2號冷卻塔采用國內設計和國產收水裝置，設計、產品制造和安裝質量滿足標準要求，達到國際先進水平。

參考文獻：

[1]戴文鵬.高位收水冷卻塔的數值模擬及分析[D].北京：華北電力大學，2016.

[2]趙云馳，侯燕鴻，王東海，等.超大型自然通風冷卻塔工藝設計探討[J].電力建設，2009（10）：73-76.