自然通风湿式冷却塔是冷却系统中非常重要的冷却设施,其配置方案的优劣对机组的运行指标和综合收益起着关键作用。国内大容量火力发电厂采用二次循环冷却的方式时,冷却塔大多采用自然通风逆流式冷却塔。随着我国在建火力发电机组容量越来越大,逆流式冷却塔淋水密度小和塔高过高的局限性日益突出。虽然横流塔在应用中也存在诸多问题,但是与逆流塔比起来,横流塔具有其独特优点。我国近20年来自然通风横流式冷却塔的设计和应用处于停滞状态,研究自然通风横流式冷却塔的设计,开拓新型冷却塔型式并应用于工程实践,实现大机组冷却塔选型多样化,为百万级火电冷端设计做好技术储备是很有必要的。横流塔的填料体积比逆流塔大,填料的高度、深度和半径布置对机组的运行经济性影响很大,本文结合配水计算、热力计算和优化计算,对1 000MW机组自然通风横流塔的配水布置型式、填料高度、填料深度和半径进行研究和分析。

　　 (1)气象参数。大气压力:Pa=994.9hb;干球温度:θ=29.20℃;湿球温度:τ=25.90℃。

　　 (2)冷却水量及水温差。1 000 MW机组额定工况凝汽量:1 775t/h(包括小机);冷却倍率:55倍;辅机冷却水量:6 500 m³/h;总冷却水量:Q=1 775×55+6 500=104 125(m³/h),采用Q=104 200m³/h;冷却塔进出水温差:9.50℃。

　　 (3)冷却塔塔体尺寸。塔筒支柱0.0m标高处半径:R₀=58.831 m;塔筒下环梁底半径:R_D=52.007m;塔筒喉部半径:Rs=30.768m;塔筒出口标高:H_E=145.00m;塔筒出口半径:R_EX=35.309m;淋水装置内半径:R_cI=66.831 m;除水器柱半径:R_E=63.831m。

　　 根据调研收集情况,我国已建成的10余座自然通风横流式冷却塔都是采用水泥弧形板条。通过多年的运行,证明水泥弧形板条的散热性能还是比较好的。但水泥弧形板条一般是施工现场制作,质量难以保证。如果施工质量不好,短时间内就会变形,影响溅散效果,导致冷却能力降低。

　　 水利水电科学研究院在20世纪90年代初对横流式冷却塔轻型填料进行了一系列的试验研究,结果也表明点滴式波纹弧形板条作为大型自然通风横流式冷却塔的轻型填料是比较适宜的。

　　 西安热工研究院有限公司通过对点滴式波纹弧形板条和薄膜式HTB-80-30型淋水填料在横流式模拟塔中进行热力、阻力性能试验研究,分别给出了两种淋水填料在不同深度、不同高度时的热力性能和阻力性能方程式。按本文给出的研究条件,对点滴式波纹弧形板条和薄膜式HTB-80-30型淋水填料分别进行计算,对其冷却性能进行比较,发现在1 000 MW横流塔的气水比范围内,就本次所计算采用的填料而言,点滴式填料的冷却特性优于薄膜式填料,在相同的塔体尺寸和填料体积下,点滴式填料阻力小,点滴式填料冷却塔具有更大的通风量。综上所述,点滴式填料作为大型自然通风横流式冷却塔的轻型填料是比较适宜的。

　　 本文按点滴式波纹弧形板条对横流塔填料布置进行分析研究。

　　 根据物理模型试验给出的淋水填料热力、阻力特性以及塔总阻力系数,按给出的研究条件,对点滴式波纹弧形板条淋水填料布置与出塔水温的关系进行分析。填料深度的研究范围为7.5~20.5 m,填料高度的研究范围为10.0~20.0m,级差均为1m,出塔水温计算结果见表1。

　　 填料不同高度和深度条件下出塔水温见图1。

　　 出塔水温随淋水填料高度的变化关系为:淋水填料高度递增,出塔水温递减,但填料高度每增加1m,出塔水温降低幅度不同,填料高度越高,每增加1m的出塔水温降低幅度越小。淋水填料高度从10m变化到11m,在所计算深度范围内,出塔水温降低幅度在0.74~0.77℃;而淋水填料高度从19m变化到20m,在所计算深度范围内,出塔水温降低0.26~0.31℃,具体的变化趋势如图2所示。

　　 增加冷却塔淋水填料高度有利于降低出塔水温,获取更低的背压,但是随着填料高度的递增,水温降低值递减,图2中的曲线的斜率越来越小,但循环水泵的扬程和消耗功率却呈直线递增,因此在具体工程中冷却塔淋水填料高度应结合循环水泵运行费用及填料成本优化确定。按照《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339-2006),经济比较采用年总费用法。本文的经济性的研究仅对各方案之间的差异进行对比、分析,并不代表该方案实际的运行费用和投资费用。

　　 填料高度不同时的1 000MW机组微增电量及水泵耗电量比较见表2。

　　 表2说明填料高度递增,年微增电量差递减,但即使填料高度增加到20m,年微增电量差仍大于循环水泵的年耗电量差。

　　 填料高度不同时的1 000MW机组微增电费差及水泵耗电费差的总运行电费差的变化趋势见图3。微增功率折减系数取0.8。

　　 图3说明填料高度递增,总运行电费差递增,但即使填料高度增加到20m,年微增电量的收益仍大于循环水泵的年耗电费用,电价越高,收益越明显。

　　 填料高度不同时,除了运行费用不同,填料增加还会产生投资费用的增加。按照年总费用最小法进行计算分析。年固定费率取0.14,填料费用按280元/m³计算,1 000 MW机组横流塔填料高度递增与年总费用差的变化趋势见图4。

　　 从图4可以看出,填料高度递增,年总费用差递增,经济优势越来越小。维持年总费差为0的情况下,当电价0.2元/(kW·h)时,填料高度从16m增加到17m,电价0.3元/(kW·h)时,填料高度从17m增加到18m,电价0.4元/(kW·h)时,填料高度从18m增加到19m,既年总费用差有微弱的经济效益或持平,如果填料高度继续递增,则微增电量的收益不能抵偿循环水泵运行电费和填料增加的成本;填料高度越高,填料造价越高,优化结果趋向较低的填料高度。

　　 从图1中可以看出冷却塔出水温度随填料深度的变化不敏感,近似为一条条平行的水平线。最高水温大多出现在填料深度为8.5~9.5m,最低水温填料深度范围为17.5~19.5 m。同一高度的淋水填料在不同深度的最高水温和最低水温差见图5。

　　 从图5可以看出同一高度的淋水填料在不同深度的最高水温和最低水温差在0.16~0.21℃,变化幅度很小。填料高度16~18m是变化幅度最小的区域。填料高度相同时,深度从9.5m到19.5 m,深度每增加1m,平均的冷却塔出水温度仅降低约0.02℃,这是因为填料深度增大,填料阻力成比例增加,与热力特性增加的幅度相抵消。

　　 以填料高度15m为例,填料深度9.5m增加到19.5m的经济性分析见表3。

　　 可见这么小的冷却塔出水温度降幅,在现有的电价水平下,依靠增加填料深度来获取机组微增出力收益是得不偿失的。只有成本电价增加到2.2元/(kW·h),年总费用差才能持平。1 000 MW横流塔的填料深度应结合配水系统优化确定。

　　 按照可能采用的淋水密度范围,进行8组不同淋水填料深度(7.5~14.5 m)的配水系统优化计算。不同填料深度对应的淋水密度、喷溅装置数量及流量见表4。

　　 横流塔的单个喷头流量远远大于逆流塔,逆流塔常用的喷溅装置的流量系数在0.3~0.5,经试算,工作水头很高,使循环水泵扬程增加,为使循环水泵扬程降低,需增加喷溅装置的流量系数,但一味增加喷溅装置的流量系数,会导致配水的均匀性较差。本次研究喷溅装置的流量系数按0.55、0.60、0.65、0.7 4种情况进行计算。

　　 各配水方案的水位及均匀性系数见表5。

　　 从表5可以看出流量系数越大,水泵扬程越低,但均匀性越差;填料深度越深,水泵扬程越低,但配水均匀性越差。

　　 各配水方案综合考虑填料费用的年总费用和填料深度、喷溅装置流量系数的关系曲线见图6。

　　 从图6可以看出:填料深度相同时,流量系数越大,水泵运行费用低,年总费用也越低。

　　 成本电价越高,最优方案越趋向于填料深度较深的方案;以流量系数0.65为例,电价为0.2元/(kW·h)时,填料深度为7.5~8.5m较优,电价为0.3元/(kW·h)时,填料深度为9.5~10.5m较优,电价为0.4元/(kW·h)时,填料深度为10.5 m较优。

　　 流量系数越小,优化方案越趋向于填料深度较深的方案;以电价为0.4元/(kW·h)为例,流量系数为0.70~0.65时,填料深度为10.5 m较优,流量系数为0.6时,填料深度为10.5~11.5 m较优,流量系数为0.55时,填料深度为10.5~12.5m较优。

　　 结合表5的均匀性系数,流量系数为0.7的喷溅装置在填料深度10.5m以上的均匀性较差,适用范围较小;流量系数为0.65的喷头在深度9.5~12.5m均适用,年总费用也较低,流量系数为0.55和0.6的喷头虽均匀性较好,但所需水泵扬程较高。

　　 以填料深度为11.5m、填料高度18m为例,填料距人字柱中心线为7m、8m、9m、10m4个方案进行计算,计算结果见表6。

　　 填料距人字柱中心线的距离加大,淋水面积增加,冷却塔出水温度降低0.3~0.6℃,填料直径递增,降低的幅度递减。填料布置方案微增出力收益比较见表7。

　　 综合考虑机组微增出力收益和填料、密封板等增加的投资,年总费用比较见表8。

　　 填料距人字柱中心线的距离递增,初投资费用递增的幅度相当,均在63万元左右,相当于年固定费用递增约8.9万元,而年运行费用降低的幅度递减。在电价为0.2元/(kW·h)时,填料距人字柱中心线距离为7~8m的方案较优,比距离为9~10m的年总费用低3~7万元;在电价为0.3元/(kW·h)时,填料距人字柱中心线距离为8~9m的方案略占优势,但各方案的年总费用差别不大,最高值和最低值仅相差4万元左右;在电价为0.4元/(kW·h)时,填料距人字柱中心线距离为10m的方案略占优势,比距离为8m的方案低4万元左右。

　　 通过对1 000MW机组横流塔的淋水填料和配水进行优化研究和分析,可以得出以下结论:

　　 (1)淋水填料高度递增,出塔水温递减,但填料高度每增加1m,出塔水温降低幅度不同,填料高度越高,每增加1m的出塔水温降低幅度越小。

　　 (2)填料高度递增,年微增电量差递减,递减幅度也变小。

　　 (3)填料高度递增,总运行电费差递增,递增幅度也变小。

　　 (4)填料高度递增,年总费用差递增。所研究案例最佳的填料高度在17~19m,如果填料高度继续递增,则微增电量的收益不能抵偿循环水泵运行电费和填料成本的增加。

　　 (5)工程中应对微增电量收益、循环水泵运行费用及填料成本进行分析,优化确定冷却塔淋水填料高度。

　　 (6)冷却塔出水温度随填料深度的变化不敏感,同一高度的淋水填料在所研究的深度范围内的最高水温和最低水温差在0.16~0.21℃变化,变化幅度很小。

　　 (7)依靠增加填料深度来获取机组微增出力收益是得不偿失的。

　　 (8)1 000 MW横流塔的填料深度应结合配水系统优化确定。

　　 (9)成本电价越高,最优方案越趋向于填料深度较深的方案。

　　 (10)喷溅装置流量系数越大,水泵运行费用低,年总费用也越低。

　　 (11)喷溅装置流量系数越大,优化方案越趋向于填料深度较浅的方案。

　　 (12)电价0.3~0.4元/(kW·h)时,较优的填料深度集中在9.5~11.5m。

　　 (13)流量系数为0.65的喷溅装置在填料深度9.5~12.5 m均适用,年总费用也较低,可以在1 000 MW机组横流塔中应用。

　　 (14)填料距人字柱中心线的距离递增,初投资费用递增,且递增的幅度相当。

　　 (15)填料距人字柱中心线的距离递增,年运行费用降低,但降低的幅度递减。

　　 (16)综合来看填料距人字柱中心线距离为8m的方案经济性较优。

　　 本次研究结合配水系统的优化,寻求到较好的填料深度和喷头流量系数的组合,优化方案填料高度和深度比为1.7,突破了《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339-2006)的中规定的填料高度和径深比为1.2~1.5的限制,填料体积可减小15%,水泵扬程减少0.6m,取得了很好的经济效益。