摘要：文章根据目前应用的高位收水冷却塔的运行情况，节能特点和循环水系统运行分析，研究高位冷却塔节能技术的应用。
关键词：高位冷却塔；应用现状；功能特点；循环水系统
1引言
电力是我国经济发展和社会生活必不可少的能源，而且随着科技的发展和新技术的不断出现，人们对电力的需求量越来越多，目前我国所用电力大部分仍为火力发电或核电，而煤炭是不可再生资源，现有的储备量已支撑不了多少年的使用。因此，为了节省资源，提高发电效率，降低对环境的污染，我们需要研究更有效的火力发电节能技术。采用循环冷却方式的火核电机组中，循环水泵是比较费电的设备，其中冷却塔要消耗循环水泵扬程的约60%以上，因此降低循环水泵运行费用的关键就是减小冷却塔消耗的循环水泵扬程。在循环水系统的节能技术中，高位收水冷却塔是近年来逐渐推广应用的技能技术，其配合循环水系统的节能和降噪效果非常显著。
某电厂规划容量为4×1000MW超超临界燃煤机组，根据工程的自然环境和环保条件，拟采用带自然通风冷却塔的循环供水系统。每台机组配一座有效淋水面积为一万两千平方米的自然通风高位收水冷却塔。本文介绍的是高位收水冷却塔的运行情况，高位收水冷却塔的功能特点，以及冷却塔的循环水系统运行情况，借此为电厂的冷却塔选择提供理论依据。
2国产高位收水冷却塔的应用现状
2.1国产高位收水冷却塔的应用现状
陕西蒲城电厂的高位收水塔是我国自主研发的首座高位收水冷却塔。该高位塔于1996年建成，配备了2座淋水面积有4750平方米的高位塔，塔形参数为塔高131.48m，底部直径87.4m，喉部高度95m，喉部直径46.9m，出口直径51.8m，稳定运行后权威技术部门对其做了性能分析和评价，验证了其冷却能力符合设计要求，且与传统的冷却塔系统相比，虽然高位塔的造价比常规塔高大概22%，但是每年能够节省电量超过780万度，具有良好的节能效果。该高位塔的设计由国核院和哈蒙公司联合完成，冷却水量达到21.8104立方米/小时，全高215m，底部直径168.7m。国内目前最新建成的高位冷却塔为重庆万州的1000MW机组的高位冷却塔，是国内设计院与HAMON公司联合设计的，淋水面积13000 平方米，冷却塔总高191.0 m，底部直径 140.3 m，进风口高度 13.8 m。
2.2国产高位收水冷却塔的研究现状
我国在高位收水冷却塔技术与设计研究走在国内前列的有国核电力院和中国电力工程顾问集团公司等，前者在2009年与比利时哈蒙公司合作开展江西彭泽工程的高位冷却塔设计工作，并与中国水科院、海鸥冷却塔公司等进行联合科研和生产，对高位冷却塔的性能和集水装置的设计制造进行研发和试验；后者正在开展百万千瓦级核电湿式冷却塔中子课题的研究，对高位冷却塔的塔型工艺、塔筒结构设计和塔芯材料等进行优化研究，并对高位塔塔芯内部阻力和冷却能力进行了模型试验，此外在安庆工程中，其与哈蒙公司合作开展12000平方米高位塔的工艺与结构设计工作。目前国内设计院通过科研攻关已具有高位塔热力阻力性能计算、工艺及结构设计的能力，基本掌握了高位塔的工程设计的相关核心技术。
3高位收水冷却塔功能特点
3.1高位冷却塔的结构配置
在高位塔的设计中，塔芯中的除水器、配水系统、淋水填料与常规塔相似，呈上到下的分层布置，填料下面是收水装置。高位塔的收水装置主要由收水斜板、斜板梁、防溅垫层、收水槽等组成，其作用主要是将填料底部下的冷却水，在进风口以上的部位截留、输送、汇集到集水槽中，同时使进入塔内的空气沿斜板之间形成的上斜通道导入淋水填料以参与热交换。
火电厂中的循环水泵的总扬程包括静扬程和动扬程两部分，前者是冷却塔竖井水位与下方的收集水槽之间的水位差；后者循环水系统各部分的阻力之和，与系统的设计和配置有关，受冷却塔型式的影响非常小，所以常规塔与高位塔的扬程主要比较的是静扬程。
3.2高位冷却塔的节能特点
高位塔取消了常规塔底部的混凝土集水池及雨区，配有高位收水装置和集水槽，冷却后的循环水在淋水填料底部经高位收水装置截留汇入集水槽至循环水泵房进水间，再经过循环水泵升压后送回主厂房循环冷却使用。高位塔即通过在填料下端设置收水斜板和收水槽，将水汇集到高位集水槽。高位集水槽水面到填料底部的高差远小于常规冷却塔雨区的高度，即高位冷却塔从填料底部通过收水斜板及收水槽损失的能量远小于常规塔雨区损失的能量，因此可大幅度降低循环水系统的静扬程，具有优良的节能效果和低噪声，这就是高位冷却塔的节能特点所在。
高位塔系统节能的效果较为显著。以某项目为例，2×1000MW机组若采用哈蒙高位收水塔系统循环水泵静扬程减少约10.5m，每台机组循泵电动机功率减少约3600kW。两台机组循泵年运行电耗比常规塔系统低约2868万度/年，从当前经济指标（不含税上网电价0.311元/度）计算，年节省电费约892万元/年。高位收水冷却塔是将冷却塔的淋雨区散热取消，即将淋水填料落下的淋水在填料下不远处收集，进入循环水泵，这样就有效地节省了冷却塔所消耗的扬程，此方案可降低循环水泵的扬程约40%。取消淋雨区的散热不会带来冷却塔效率的下降，因为冷却塔的散热分为三个区，喷淋区、填料区和淋雨区，填料区的散热占总散热量的70%-80%，淋雨区散热量仅占一小部分，但是淋雨区的空气阻力却达到冷却塔的约40%，采用高位收水后，淋雨区阻力大大减低，冷却塔通风量增大，完全可弥补淋雨区的散热。
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3.3高位冷却塔的其他功能特点
首先是降噪特点，由于高位收水冷却塔的水滴自由跌落高度为常规自然塔高度的四分之一左右，而且其自由跌落区布置在冷却塔的筒壁之内，对水滴的跌落声音进行有效屏蔽，所以其噪音比常规冷却塔的噪音有了明显的改善；其次是配风均匀的特点，常规冷却塔的配风不均问题非常明显，而高位塔由于其淋水填料宽度增加，填料高度较高，所以有利于进风效果，使配风较为均匀，不仅如此，雨区高度也比常规冷却塔有了明显降低，减少了雨区对配风的阻挡，提高了风的交换热效率；再次是塔基安全性特点，与同规格常规冷却塔相比，其塔筒尺寸较小，而且由于高位冷却塔取消了落地大面积水池，采用高位架空的集水槽，避免了循环水对基础的侵泡和侵蚀，使基础更加安全；最后是阻力系数低的特点，由于高位冷却塔的雨区较低，配风较为均匀，而且进风口比常规冷却塔的高，不仅改善了冷却塔内的冷却效率，而且是阻力系数明显降低，此外，由于取消雨区的原因，使得高位冷却塔的出塔水温比相同规格的常规冷却塔要低，所以在相同冷效条件下，高位塔的淋水面积和塔高比常规塔要低。
4高位收水冷却塔循环水系统安全运行措施
4.1高位收水冷却塔的循环水系统配置
高位收水冷却塔降低了雨区自由降落的高度，维持循环水泵的高水位运行，有效降低了循环水泵的轴功率。因为高位收水塔的核心是节能，也就是说尽可能减少雨区自由降落的高度，维持集水槽的高水位运行，因此与常规塔配置的循环水系统相比，高位收水塔的循环水系统配置要包含以下特点：循环水泵扬程低，水泵房进水间高水位布置，水泵的型号、布置等要切合进水间高水位的要求。满足这些要求才能切实达到高位收水塔的节能优点。
配置的循环水系统主要包括一座高位收水冷却塔、一座高位吸水井、包含有循环水泵的泵房、循环水干管等。一台发电机组配合4台循环水泵（2台大泵，2台小泵）；吸水井的正常水位标准高度10.20m，水泵的组合运行方式要根据地区的气象条件和机组的负荷程度进行选择；小泵在循环水系统启动或停止时使用，因为循环水系统的蓄水量较小，这样有助于系统动态变化时的平稳过渡，也有利于系统故障或需要调试而停机时冷却水的不间断提供。
4.2启动控制
高位冷却塔在启动循环水泵之后循环水不会立即流到循环水泵入口前池，需等到高位收水槽以上部位全部充满水后才能形成循环。在工程的实际运行中经测试需经过大约480s左右循环水才会流至循环水泵入口前池，所以水泵启动后其前池内的水位下降很快，容易造成水泵汽蚀问题，所以在启动时为保证循环水泵安全，应先将冷却塔配水方式切换为外围配水模式，先启动一台循环水泵，防止前池水位下降过快，等前池水位恢复到13.2m以上之后，再启动第二台循环水泵，之后再将冷却塔配水方式切换至所要求的模式运行。在工程的实际运行中，按照此方式循环水泵前池水位在启动初期的水位下降约为3.8m，符合水泵的最小埋深要求。
4.3运行监视
在高位冷却塔的运行过程中应加强运行监视工作，首先应检查循环水泵前池水位情况，要求在循环水纯溢流模式下，平板滤网前水位应控制在13m以下，且滤网前后的水位差应不超过30cm，如出现异常则应及时对滤网进行清理；其次当冷却塔的配水扇区开启4个及以上时，平板滤网前水位应控制在13.5m左右，而且配水闸门的开启应配合循环水泵的开启数量，2台泵运行时配水闸门应开启4个及以上，当3台泵运行时配水闸门应全部开启。再次还应对收水斜板和收水槽的漏水情况进行检查，冬季寒冷天气下应对填料尤其是地层填料的结冰情况进行检查，如果出现结冰现象则应提高循环水的回水温度，并保持结冰区域的冷却塔水配水的开启，如果环境温度低于3℃，需保持循环水泵和配水闸门开启数量的匹配，确保填料水膜厚度和水膜流速，避免结冰现象的产生。
4.4停运控制
在机组停运之后，进行高位冷却塔的停机操作时，应先将冷却塔的补水系统停止，将循环水泵入口前池的水位降至12m以下时，在将水泵关闭。在停运之后确保冷却塔的配水系统、收水槽和管道中的存水回流至循环水泵入口前池，且不能溢流。如果在运行中出现事故而导致循环水泵跳闸，泵中的水以及配水系统的水会大量回流从收水槽中溢出，这些水将被冷却塔底部的挡水墙临时储存，之后用泵抽至其他冷却塔的水池中或者进行排放处理。
5高位收水冷却塔经济性分析
本次高位塔的经济性分析选择某电厂的两组660MW机组为研究对象，分别采取三种不同的运行方案，与常规塔的参数和经济性进行对比，三种方案分别为冷却塔为常规塔，1机1塔，循环水泵1机2泵，水泵为立式斜流泵，辅助配置为常规泵房和循环水管沟；方案二采用高位收水冷却塔，1机1塔，循环水泵采用1机3泵，卧式离心泵，辅助配置有压力式循环水沟和高位水池；第三种方案同样采用高位收水冷却塔，2机1塔，循环水泵为卧式离心泵，1机3泵，辅助配置有压力式循环水沟和高位水池。
三种方案的经济性对比主要是进行年费用的对比，包括年固定费用和年运行费用。其中方案的费用还有土建费用、占地费用、设备费用、噪声治理费用等。常规塔的运行模式为热季（五月至十月）为1机2泵，冷季（十一月至次年四月）为1机1泵；而高位塔的运行模式为热季1机3泵，冷季1机2泵。
方案一的总投资费用为23751万元（其中冷却塔土建费用占一半以上，循环水泵房及水沟土建费用占十分之一左右，征地费用和地基处理费用占十分之一左右，循环水管道费用占总费用不足百分之八，冷却塔塔芯材料费用占百分之五左右，循环水泵、电机、阀门等设备费用和冷却塔噪声治理费用百分之八左右），年总费用为4153万元（其中年固定费用占四分之三左右，循环水泵运行费用占四分之一左右）；方案二的总投资费用为27573万元（其中冷却塔土建费用占一半左右，循环水泵房及水沟土建费用、征地费用、冷却塔噪声治理费用占不足十分之一，地基处理费用和循环水管道费用占十分之一左右，冷却塔塔芯材料费用占四分之一左右，循环水泵、电机、阀门等设备占不足十分之一），年总费用为4153万元（其中年固定费用占85%左右，循环水泵运行费用占15%左右）；方案三的总投资费用为26008万元（其中冷却塔土建费用占一半以上，循环水泵房及水沟土建费用、征地费用、地基处理费总共占不足十分之一，循环水管道费用占百分之四左右，冷却塔塔芯材料费用占五分之一以上，循环水泵、电机、阀门等设备占不足十分之一，冷却塔噪声治理费用仅有441万元），年总费用为4153万元（其中年固定费用占80%左右，循环水泵运行费用占20%左右）。
根据这三种不同的方案的经济性对比，可以看出方案三的年总费用最低，比常规塔方案的年总费用减少131万元，总投资介于两种方案之间，比常规塔方案的总投资多2257万元，但是方案三的回收年限较低，综合经济性较好。
6结语
综上所述，高位收水冷却塔能够有效降低循环水泵的扬程，减少循环水泵轴功率，从而有效节能，而且由于高位塔大幅度降低了雨区降落高度，因此可有效降低噪音，减少噪音治理成本。为了提高高位塔的运行安全，使用高位冷却塔时要注意循环水系统启动、运行期间和停止时的控制措施。虽然高位收水冷却塔的前期投入较常规冷却塔高，但后期运行的综合费用低，经济性能好，能够有效降低能源消耗，减少噪音。对于超大型冷却塔，高位收水技术将具有十分广阔的应用前景。
参考文献：
[1]杨永伟,周自强,范诚豪.高位冷却塔节能分析研究[J].山西电力,2017,（2）:58-61.
论文作者:朱意兵,许海军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/29
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