马栋

摘 要：超大型常规逆流式自然通风冷却塔静扬程高，循环水泵电耗较大，循环水系统的运行费用较高，如何减少冷却塔能耗与噪声也是国内一直关注的焦点之一。为有效地减小循环水泵的静扬程，从而节约电能和降低噪声，哈蒙公司在20世纪70年代研发了高位收水冷却塔技术。多年的运行表明其高位收水装置稳定、安全、可靠，作为一种节能环保技术，高位收水塔在国内有逐渐推广的趋势。

关键词：高位收水;冷却塔;节能;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

與常规冷却塔及其循环水系统相比，高位收水冷却塔及其循环水系统用高位收水装置及集水槽取代常规自然塔底部集水池，同时，配水管、填料、收水斜板、收水槽均需要吊装，其对吊装材料的可靠性要求非常高[1]。其外形与常规塔基本相同，只是进风口高度有所增加，淋水面积稍有减少。

1 技术经济比较

1.1 方案比较原则

以2×1 000 MW机组为单位进行年费用比较，方案比较仅对比两个方案主要差异部分，包括冷却塔、循环水泵房及设备、循环水沟。循环水管、凝汽器均相同，不参与比较。循环水泵按热季（5—9月）一机三泵、冷季（12月至次年2月）一机一泵、温季（3—4月、10—11月）一机二泵或二机三泵的模式运行。

1.2 技术经济参数

根据本工程汽轮发电机组的技术经济条件，方案比较采取的基本技术经济参数（预测值）如下：机组年利用小时数为5 500 h;投资回收率为8%;经济使用年限为20年;成本电价为0.27元/（kW·h）。上网电价为0.311元/（kW·h）（不含税）;循环水泵组综合效率为80%;大修理费率为2.5%。常规塔与高位收水塔循环水系统技术经济比较结果如表1所示。

2 国产化高位收水冷却塔技术研究

高位收水装置是高位收水塔的核心部件，主要由波形收水斜板、防溅器、U形收水槽、吊装架及吊绳等组成，作用是在淋水填料下部截留落水雨滴并将之汇入高位塔主收水槽，抬高冷却塔集水水面，降低冷却塔供水高度，减小落水噪声[2]。

2.1 收水装置工艺结构设计及应力计算研究

以满足20年安全可靠运行为目标，本文针对高位收水装置提出了多种工艺设计方案，通过技术经济比较优选出最佳高位收水装置工艺设计方案，包含布置方案、各部件的连接方式、固定方式、材料选择、部件之间及部件穿柱等处的局部防漏措施等。在此基础上，笔者对推荐方案进行受力计算分析，提出合理的结构尺寸和结构加强设计。

研究成果如下：明确提出了高位收水装置的设计理论与方法;明确了收水装置的设计荷载工况及工况组合;明确了收水装置构件材料指标和参数和及相应的分项系数，分析了收水装置中不同结构材料的耐腐蚀特性;对U形收水槽结构进行设计与方案优选;根据悬吊系统的设计计算，确定了悬吊系统各部件的结构参数;建立收水装置整体计算模型，考虑不同荷载工况及组合条件，进行计算分析，获得了结构整体变形性能及各零部件的受力情况。

2.2 收水装置实物模型研究及制造

收水装置是高位塔的核心部分，对收水装置部件的加工制造进行研究、加工和制造，并对产品性能进行测试。收水装置部件主要包括U形收水槽、防溅器以及波形收水斜板等。

研究成果如下：确定了收水装置部件加工制造流程，为高位塔的国产化提供技术支持;对U形收水槽进行加工研制，产品性能满足设计要求;对波形收水斜板进行加工制造，材质的力学性能符合设计要求;对防溅器的溅水性能进行试验研究，溅水率低于0.05‰，满足工程要求。

2.3 填料安装方式与性能测试

填料采用悬吊式安装，研究填料采用穿杆式悬挂、下部托梁悬挂、下部玻璃钢网格悬挂三种悬挂方式时对填料刚度的匹配要求，分析其与收水槽悬挂系统的干涉关系，优选合适的填料悬挂方案。淋水填料性能测试试验平台如图1所示。

研究成果如下：试验确定了参考工程淋水填料1.5 m高度的热力阻力特性，为高位塔设计计算提供数据支持;通过比较S波填料2.0 m高度不同填料安装支撑方式之间的试验结果发现，填料底部设玻璃钢托架悬吊较内部穿杆布置，淋水填料热力阻力性能无明显差异;通过比较S波填料1.5 m高度填料交错布置与不交错布置试验结果发现，不交错布置较交错布置，热力阻力性能均有所降低，热力降低1.3%，阻力降低2.6%;确定了内部穿杆方式下S波填料2 m安装高度下的热力阻力特性，供设计参考和使用。

2.4 收水装置模拟试验塔建造和运行

如图2所示，建造高位收水装置模拟试验塔，对模型塔开展为期6个月的连续运行可靠性试验，在试验中定期观测记录模型溅漏量的变化，塔外1 m处噪声变化情况以及各部件的变形、破裂、损坏情况。

研究成果如下：设计开发了5种不同样式的防溅器，取得5种防溅器不同试验工况下的溅水率，推荐溅水率小、防溅效果好的防溅器型式Ⅴ;确定了不同布置倾角下防溅器的溅水率，推荐最佳的倾角布置44°;对波形收水斜板进行了设计和制造，收水斜板连接处采用螺栓固定连接的方式进行连接，可供工程参考和使用;通过对高位收水装置关键连接处的连节方式进行设计和防溅（漏）水性能试验，推荐合适的连接方式，为设计和建造提供依据和参考;确定了不同淋水密度工况下高位收水冷却塔的噪声测试结果，供设计参考;对收水装置进行为期半年的耐久性运行试验，试验结果表明，设计研发的收水装置结构合理，可应用于实际工程。

3 社会效益

3.1 噪声控制

相关研究及试验证明，大型常规自然通风冷却塔的进风口处的噪声均接近82～86 dB（A），是最为显著的噪声源。而淋水声又是冷却塔噪声的主要来源。高位收水塔自由跌落高度仅为常规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内，相当跌落于天然隔声墙，因此噪声排放非常低，通常可降低10～15 dB（A）。

3.2 收水装置国内制造

近年来，随着国华寿光电厂、九江电厂等超大型国产化高位收水塔的投产和运行，国产化收水装置制造和安装水平已经达到世界先进水平，为今后在国内应用、国际推广奠定了坚实的基础，同时带动了国内生产制造商研究、制造能力的开拓，利于民族制造业的发展。

4 经济效益

4.1 高位收水塔性能试验结果

试验工况如下：1号冷却塔试验进塔循环水温度为41.35 ℃，出塔循环水温度为30.54 ℃，循环水温差为10.81 ℃;2号冷却塔试验进塔循环水温度为40.79 ℃，出塔循环水温度为30.28 ℃，循环水温差为10.50 ℃。试验结果：1号冷却塔的冷却能力为100.99%，2号冷却塔的冷却能力为102.12%，1、2号冷却塔均达到性能保证值（冷却能力大于100%）。冷却塔性能试验结果如表2所示。

4.2 高位收水塔经济效益

塔芯材料按进口技术国内合资生产价格计算，2×1 000 MW机组高位收水塔系统初投资比常规塔系统多约5 423万元，但节约循泵电费约816.74万元/年。折合投资和运行费用，在电厂全寿命期内，对比总年费用，高位收水塔系统比常规塔系统低128.82万元/年，高位收水塔的经济优势更好。

5 结论

高位收水冷却塔塔高为199.725 m，淋水面积为13 200 m2，是国内湿式冷却塔第一高塔、第一大塔，是国产化后首次采用全悬吊塔芯装置的高位收水塔。1号和2号冷却塔采用国内设计和国产收水装置，设计、产品制造和安装质量满足标准要求，达到国际先进水平。

参考文献：

[1]戴文鹏.高位收水冷却塔的数值模拟及分析[D].北京：华北电力大学，2016.

[2]赵云驰，侯燕鸿，王东海，等.超大型自然通风冷却塔工艺设计探讨[J].电力建设，2009（10）：73-76.