超大型高位收水冷卻塔工藝設(shè)計(jì)探討

1、超大型高位收水冷卻塔工藝設(shè)計(jì)探討趙云馳1侯燕鴻1王東海1管永濤1劉德有2(1中國核電工程有限公司,北京100840;2河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院,南京210098摘要針對超大型常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔設(shè)計(jì)研發(fā)情況,闡述了其工藝設(shè)計(jì)中的幾個(gè)難點(diǎn)問題。引入了冷卻塔高位收水技術(shù),經(jīng)論證分析和計(jì)算,結(jié)論認(rèn)為:該技術(shù)不僅有助于解決常規(guī)冷卻塔工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題,并具有顯著的節(jié)能效益。關(guān)鍵詞冷卻塔高位收水冷卻效果節(jié)能Discussion of the process design of the super high2level w ater collecting cooling tow er Zhao Yunchi

2、1,Hou Yanhong1,Wang Donghai1,Guan Y ongtao1,Liu Deyou2(1.Chi na N uclear Pow er Engi neeri ng Co.,L t d.,B ei j i n g100840,Chi na;2.College of W aterConserv ancy and H y d ropow er Engi neeri ng,Hohai Uni versit y,N anj i ng210098,Chi naAbstract:Based on t he research and develop ment of t he super

3、 conventional nat ural draft cooling tower design,some difficult problems in t he process design were illust rated.The high2level water collecting technology for cooling tower were employed,and t he result s of economic analysis and calculation showed t hat t his technology could be helpf ul to solv

4、e t he difficult problems in conventional cooling tower p rocess design and had high energy2saving efficiency.K eyw ords:Cooling tower;High2level water collecting;Cooling effect;Energy saving隨著國內(nèi)內(nèi)陸百萬核電項(xiàng)目陸續(xù)啟動,超大型自然通風(fēng)冷卻塔(淋水面積14000m2日益受到業(yè)內(nèi)人士的重視。但是,目前國內(nèi)超大型冷卻塔設(shè)計(jì)技術(shù)仍處于摸索階段,冷卻效果不太理想,國外也僅設(shè)計(jì)建造了為數(shù)不多的幾座超大型自然通風(fēng)冷

5、卻塔,且技術(shù)嚴(yán)格保密,引進(jìn)較為困難1。另外,百萬核電機(jī)組循環(huán)水量很大,一般為同容量火電機(jī)組的1.52倍,循環(huán)水泵的耗電量約占機(jī)組發(fā)電量的1.5%,運(yùn)行費(fèi)用很高。因此,如何對超大型冷卻塔設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)進(jìn)行深入的優(yōu)化分析和論證研究,以提高其冷卻效果和節(jié)能水平,已成為一個(gè)非常關(guān)鍵的研究課題。本文結(jié)合中國核工業(yè)集團(tuán)的湖南桃花江核電項(xiàng)目,引入了一種有別于常規(guī)超大型冷卻塔的超大型高位收水冷卻塔的設(shè)計(jì)概念,并對高位收水技術(shù)進(jìn)行了研究論證分析和節(jié)能效益評價(jià)。1高位收水冷卻塔簡介高位收水冷卻塔最早由哈蒙公司提出,并在法國幾個(gè)1300MW內(nèi)陸核電站投入使用。國內(nèi)蒲城電廠2×330MW機(jī)組首次采用了哈蒙公司

6、的高位收水冷卻塔技術(shù)。在高位收水冷卻塔設(shè)計(jì)中,其配水系統(tǒng)和淋水填料與常規(guī)塔相似,不同之處是取消了常規(guī)冷卻塔底部的集水池,其冷卻后的循環(huán)水在淋水填料底部直接被收水設(shè)備截流收集,再輸送到循環(huán)水泵房,然后經(jīng)過循環(huán)水泵送回主廠房2。因高位收水冷卻塔僅架設(shè)集水槽,無底部水池,能有效防止?jié)B水浸泡地基,提高了冷卻塔的塔體安全性,并可降低循環(huán)水泵的揚(yáng)程;在填料底部下落的水滴經(jīng)過收水斜板時(shí)被截流收集,落差減小,大大降低了由下落水滴沖擊造成的噪聲污染,且斜板上的防濺墊層也有降噪功能 。給水排水Vol135No1112009692超大型常規(guī)冷卻塔工藝設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題超大型常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔不同于大中型自然通風(fēng)冷卻塔

7、,在配風(fēng)配水、數(shù)值模擬、塔型參數(shù)確定及塔芯材料選擇等方面存在很大的難度,現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)程序已不能完全適用。2.1配風(fēng)配水問題研究表明3:冷卻塔冷卻面積越大,配風(fēng)配水的均勻性越難以實(shí)現(xiàn),冷卻效果就不太理想。經(jīng)分析,其主要原因是:第一,由于進(jìn)風(fēng)口處塔筒直徑較大,外部冷空氣不容易通過雨區(qū)進(jìn)入塔芯區(qū)域,導(dǎo)致填料層處的配風(fēng)不均勻,從而使冷卻塔的冷卻效果變差;第二,由于配水管槽過長,很容易出現(xiàn)噴頭配水壓力的不同,導(dǎo)致噴淋密度的不均勻。2.2數(shù)值模擬計(jì)算問題由于傳統(tǒng)的熱力學(xué)模擬計(jì)算方法是基于中小型冷卻塔而開發(fā)的,隨著冷卻塔的大型化(淋水面積已超過10000m2,正在設(shè)計(jì)的核電廠最大已達(dá)到20000m2

8、,配風(fēng)配水、阻力系數(shù)和塔型參數(shù)的選取,都已不能滿足針對實(shí)際情況的模擬計(jì)算需要,冷卻效果的模擬結(jié)果存在較大誤差。2.3冷卻塔塔型參數(shù)問題塔型設(shè)計(jì)主要包括殼體型線和關(guān)鍵部位尺寸設(shè)計(jì),應(yīng)符合塔內(nèi)氣流特性,否則將直接影響塔內(nèi)氣流阻力和能量損耗,進(jìn)而影響冷卻塔的冷卻效果4。所以,塔型設(shè)計(jì)是冷卻塔設(shè)計(jì)工作中的重要環(huán)節(jié),對工程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。但是,對于超大型自然通風(fēng)冷卻塔而言,以往的塔型基本比例關(guān)系是否仍適用,還有待進(jìn)一步的論證研究。2.4塔芯設(shè)備問題淋水填料的性能優(yōu)劣、噴淋裝置的噴淋均勻性以及除水器的性能均對冷卻塔的冷卻效果影響很大57。目前,國內(nèi)的塔芯材料使用壽命基本都達(dá)不到規(guī)范要求的20a,

9、有的甚至在運(yùn)行35a后就需要更換,這不僅影響了冷卻塔的冷卻效果,也降低了運(yùn)行單位的投資效益。分析其原因,主要有以下兩點(diǎn):目前國內(nèi)廠家存在低價(jià)競標(biāo)現(xiàn)象,但為了保持利潤,即可能出現(xiàn)以次充好和降低產(chǎn)品品質(zhì)的問題;國內(nèi)廠家還沒有形成完整的塔芯材料生產(chǎn)配套產(chǎn)業(yè),無法實(shí)現(xiàn)冷卻塔的冷卻效果最優(yōu)化。3高位收水技術(shù)的性能分析針對超大型常規(guī)冷卻塔工藝設(shè)計(jì)中存在的上述問題,中國核電工程公司冷卻塔設(shè)計(jì)人員引入了冷卻塔高位收水技術(shù),對比分析了冷卻塔工藝設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題,并對塔型和塔芯材料等問題提出了相關(guān)解決措施。該技術(shù)具有以下幾方面的性能特點(diǎn)。3.1配風(fēng)配水的均勻性顯著改善對高位收水冷卻塔而言,配水系統(tǒng)和填料系統(tǒng)的布置

10、與常規(guī)冷卻塔是一樣的,常規(guī)冷卻塔塔芯布置成果可以直接為高位收水冷卻塔所用。對常規(guī)冷卻塔芯填料優(yōu)化布置,可使其配風(fēng)配水更加均勻,提高冷卻效果。目前,為了解決常規(guī)冷卻塔的配風(fēng)均勻性,采用了填料階梯布置方式,并對冷卻塔配水系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū),再根據(jù)不同區(qū)域使用不同口徑的噴頭最終達(dá)到配風(fēng)配水的優(yōu)化組合。已投運(yùn)的山東鄒縣火電廠12000m2冷卻塔的塔芯設(shè)備采用了上述布置方法,從運(yùn)行情況看,冷卻效果較好。建造中的彭城火電廠12000m2冷卻塔和寧?；痣姀S13000m2冷卻塔的塔芯設(shè)備也均采用了這種布置方式。高位收水冷卻塔在采用常規(guī)冷卻塔塔芯材料優(yōu)化布置的基礎(chǔ)上,由于冷卻水通過淋水填料后,即被收水設(shè)備收走,沒有形

11、成大范圍雨區(qū),風(fēng)阻大大減小,不僅能提高冷卻塔的進(jìn)風(fēng)量,而且冷風(fēng)可以順利到達(dá)塔芯區(qū)域,配風(fēng)也更加均勻。3.2熱力計(jì)算方法大大簡化針對超大型常規(guī)冷卻塔的模擬計(jì)算,國內(nèi)冷卻塔模擬計(jì)算方法逐步改進(jìn),已從一維計(jì)算法發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)一維、改進(jìn)一維(擬二維、二維,模擬計(jì)算結(jié)果也更貼近實(shí)際值。國內(nèi)某火電廠常規(guī)冷卻塔實(shí)測結(jié)果與不同模擬方法計(jì)算結(jié)果的對比見表1。對于常規(guī)超大型冷卻塔,由于雨淋區(qū)的存在,精確地模擬冷卻塔的冷卻效果將非常困難,需要研發(fā)非常復(fù)雜的二維、甚至三維的計(jì)算方法,并且目前二維計(jì)算方法也還不成熟。但是,對于高位收水冷卻塔,由于沒有了大范圍雨區(qū)產(chǎn)生的阻力,風(fēng)阻大大減小,配風(fēng)更均勻, 此時(shí)用比較成熟的一維計(jì)

12、算方法就能70給水排水Vol135No1112009表1國內(nèi)某火電廠12000m2冷卻塔不同計(jì)算方法冷卻水溫對比冷卻塔實(shí)測結(jié)果改進(jìn)型一維標(biāo)準(zhǔn)一維一維干球溫度/濕球溫度/水量/m3/h進(jìn)塔水溫/出塔水溫/出塔水溫/與實(shí)測差/出塔水溫/與實(shí)測差/出塔水溫/與實(shí)測差/ 31.3425.5111229441.4133.0332.20.7233.160.9633.180.98 31.225.4911229441.3732.9832.150.7333.120.9733.130.98 30.4325.6711229441.6132.8132.30.5733.040.7432.970.67 29.4525.6

13、411229441.9132.6132.40.2132.890.4932.770.37 28.6125.3711229441.6532.3132.270.0432.580.3132.470.2 28.2225.3311229442.0132.2632.29-0.0332.540.2532.420.13 27.2324.6311229441.6431.7431.650.00932.020.3731.910.26滿足模擬計(jì)算要求。對于收水設(shè)備產(chǎn)生的風(fēng)阻,可通過物模試驗(yàn)測出其阻力系數(shù),用此阻力系數(shù)替代一維計(jì)算方法中的雨區(qū)阻力系數(shù)即可。針對冷卻性能公式,通過物模試驗(yàn)即可模擬出沒有雨區(qū)冷效的冷卻性能公式

14、。由哈蒙公司提供的同裝機(jī)容量機(jī)組配置的常規(guī)冷卻塔和高位收水冷卻塔的冷卻性能對比可知,總體冷卻效果基本一致。國內(nèi)某科研單位對蒲城電廠高位收水冷卻塔實(shí)測的有關(guān)數(shù)據(jù)也表明,其冷卻效果與常規(guī)冷卻塔基本吻合。3.3塔型參數(shù)的優(yōu)化比較簡單可靠高位收水冷卻塔塔型參數(shù)與常規(guī)冷卻塔塔型參數(shù)的計(jì)算方法相同。國內(nèi)規(guī)范中規(guī)定的冷卻塔塔型參數(shù)和各部比例是基于淋水面積9000m2、塔高165m的自然通風(fēng)冷卻塔,對于超大型自然通風(fēng)冷卻塔是否合適還有待進(jìn)一步驗(yàn)證,而國外也沒有相應(yīng)的超大型冷卻塔規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)8,所以只能以現(xiàn)有超大型冷卻塔資料來作參考。在桃花江核電廠超大型冷卻塔研發(fā)設(shè)計(jì)過程中,收集到國內(nèi)部分大型常規(guī)自然通風(fēng)冷卻塔塔

15、型參數(shù)及各部比例關(guān)系見表2。由表2可以看出,對于大型冷卻塔,其相關(guān)參數(shù)還是有些變化的。因此,對于超大型冷卻塔的塔型參數(shù)以及相關(guān)比例關(guān)系,不僅要考慮規(guī)范要求,也要參考上述超大型冷卻塔的相關(guān)參數(shù)比值,開展關(guān)鍵部位參數(shù)的數(shù)模、物模試驗(yàn),并進(jìn)行熱力計(jì)算比較冷卻水溫,這樣才能體現(xiàn)冷卻塔塔型參數(shù)的合理性、先進(jìn)性,使冷卻效果達(dá)到最佳。表2國內(nèi)部分大型常規(guī)冷卻塔塔型尺寸項(xiàng)目寧海電廠鄒縣電廠北疆電廠彭城電廠瀘州電廠淋水面積/m2130001200012000120009500塔高/m177.15165.00165.00166.00157.51進(jìn)風(fēng)口高度/m12.0011.6411.6011.509.80

16、7;0m直徑/m141.72133.21132.50139.14114.40喉部直徑/m77.9475.2174.2676.8065.31出口直徑/m82.1180.0880.0180.6370.99塔高與±0m直徑比1.25 1.24 1.25 1.19 1.30塔高與殼底直徑比1.33 1.32 1.32 1.33 1.38喉部高度與塔總高度比0.800.770.750.780.74進(jìn)風(fēng)口面積與淋水面積比0.390.380.380.390.37 3.4塔芯材料的優(yōu)選要求較高由于塔芯材料(包括淋水填料、噴頭和除水器等對冷卻塔冷卻效果有著直接影響。所以對材料的選擇購買要嚴(yán)格把關(guān),尤其

17、是塔芯材料選擇時(shí),要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),避免廠家以次充好或在材料生產(chǎn)過程中添加再生材料,以使塔芯材料的性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。為了保證冷卻塔冷卻效果更優(yōu),建議聯(lián)合塔芯材料科研單位、信譽(yù)較好的生產(chǎn)商,對塔芯材料進(jìn)行有針對性的生產(chǎn),針對不同的淋水填料研發(fā)生產(chǎn)相配套的噴頭和除水器,這樣能有效地改善氣流流態(tài),降低塔內(nèi)氣流阻力,使冷卻效果更優(yōu)。給水排水Vol135No1112009714高位收水冷卻塔的節(jié)能分析針對超大型常規(guī)冷卻塔,填料下部雨滴降落高度1314m,高位收水塔僅67m(以集水槽水面計(jì),下落水滴的勢能回收約7m。現(xiàn)針對高位收水冷卻塔的節(jié)能效益進(jìn)行計(jì)算分析。以采用A P1000技術(shù)的桃花江核電項(xiàng)目常規(guī)超

18、大型冷卻塔為例,若實(shí)施1機(jī)3泵方案,按最保守的設(shè)計(jì),水泵的額定揚(yáng)程約為28m,額定流量約為25m3/s,額定功率約為6500kW。若采用高位收水冷卻塔,水泵揚(yáng)程可降低25%。根據(jù)水泵功率公式可知,單泵節(jié)約功率為1625kW, 3臺泵節(jié)約功率為4875kW。針對該算例的不同機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、不同電價(jià)取值,節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的計(jì)算結(jié)果參見表3。表3高位收水冷卻塔年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用運(yùn)行時(shí)間/h運(yùn)行費(fèi)用/萬元/a成本電價(jià)0.23元/(kWh上網(wǎng)電價(jià)0.40元/(kWh7000784.87513657200807.314047500840.93751462.5注:成本電價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)為參考值。由于增加了收水設(shè)備,導(dǎo)致工

19、程投資增加10%15%。對于常規(guī)超大型冷卻塔,初步估算單位造價(jià)約1萬元/m2,對于湖南桃花江常規(guī)超大型冷卻塔,單塔造價(jià)約為2億元。收水設(shè)備按增加整塔投資的15%算,約增加投資額為3000萬元,則超大型收水塔單塔約2.3億元。按機(jī)組每年運(yùn)行7000h、電價(jià)為成本電價(jià)0.23元/(kWh,每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用784.875萬元,約3000/784.875=3.83(a能收回收水設(shè)備成本。收水設(shè)備20a更換一次,內(nèi)陸核電廠按60a使用年限設(shè)計(jì),共需3次投入,考慮到電價(jià)成本以及收水設(shè)備成本隨時(shí)間變化,以20a為一個(gè)時(shí)段考慮,則前20a運(yùn)行費(fèi)用共節(jié)約:20×784.875-3000= 12697.5(萬元;60a共節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用(20×784.875-3000×3=38092.5(萬元;在60a間,剔除收水設(shè)備維修費(fèi)用1.5%,共節(jié)約3.5億元,效益相當(dāng)可觀。按均攤理論,3000萬元均攤到20a,則每年均攤額為:P=Ai(1+i20(1+i20-1=3000×0.1(1+0.120(1+0.120-1 =352.38(萬元式中i投資回收率,取10%。每年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用為年均攤額的2.23倍,若電價(jià)上漲,倍數(shù)還會增加。由上述兩種方法可以看出,不論采取哪種統(tǒng)計(jì)