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机力塔与自然塔在大型燃机电厂的应用研究
摘 要：为了进一步研究燃机电厂冷却塔的布置方式及经济效益，对某燃机电厂采用机力塔和自然塔两种冷却方式的机理进行研究。通过对比分析不同塔型组合方案下的场地布置、经济收益及噪声影响等因素，确定了机力塔及自然塔的配置方案。结果表明：在本文的工程条件下，采用自然塔具有更大的优势。
关键词：燃气机组；机力塔；自然塔
Application Study of Machine Power Tower and Natural Tower in Large Gas
Turbine Power Plant
Abstract：In order to further investigate the arrangement and economic benefits of cooling tower in gas turbine power
plant, we study the cooling methods of machine power tower and natural tower.Through comparative analysis of venue layout,economic benefits and nosie, we determine the configuration of machine power tower and natural tower. The results show that the natural tower has a greater advantage in the conditions meationed by this paper. Key words：gas turbine., machine power tower, natural tower
0 引言
冷却塔是燃气发电厂冷端系统中主要的设备之一，其主要作用是维持汽轮机出口背压，使热力系统实现朗肯循环，故其散热效果的好坏直接影响机组和整个电厂的热经济性。电厂常用的冷却塔有机力塔和自然塔两种，随着节能环保要求的进一步提高，火电厂冷却塔的合理选择与布置直接决定了机组的运行效率以及节能效果。为此， 国内外学者对机力塔和自然塔的散热效果及经济效益进行了一系列的研究。徐跃芹等研究了火电厂冷却塔填料层淋水密度不均对出塔水温的影响，得出冷却循环水出塔水温与填料损坏的百分比成线性增长关系[1]；杨志针对自然通风冷却塔冬季冷却能力过剩、夏季冷却能力不足的问题，提出了自然通风冷却塔与机械通风冷却塔混合冷却的方案，并通过研究得出混合方式具有更好的经济性[2]；刘官郡研究了机力塔代替自然塔的可行性，并给出了具体实施方案[3]；戴振会等对火电厂大型冷却塔的运行性能进行分析，确定环境因素对冷却塔冷却效果的影响[4]。
综上所述，国内外学者对火电厂的研究主要还是停留在对机力塔和自然塔的单独研究，很少有对两种塔型的性能和适用性进行对比，笔者以
某电厂的燃气轮机组作为研究对象,根据现场的实际情况，对机力塔和自然塔两种塔型的冷却性能及经济性进行研究，为电厂规划冷却塔建设和其他学者研究相关问题提供了相关指导意见。
1 冷却塔基本情况
冷却循环水的持续稳定供给很大程度上影响电厂的经济性与安全性。某燃机电厂规划建设6台F级燃气-蒸汽联合循环机组，其冷却循环水的设计参数如表1所示。
表1 冷却循环水设计参数
Tab. 1 Design parameters of the cooling water
参数名称 循环水总水量 热水温度 冷水温度 设计干球温度 设计湿球温度 相对湿度 大气压力
单位 t/h ℃ ℃ ℃ ℃ % mBar
设计值 81041 42 32 30.6 26.7 73.83 1004.6
大型湿冷发电机组的循环冷却水系统，主要用到的有自然塔和机力塔。自然塔运行稳定，维护方便，目前在国火电厂中应用最广，已积累了
丰富的施工与运行等方面的经验。机力塔具有占地少，布置灵活，投资小和建设周期短等优点，可根据不同季节的循环水量变化调整风机的运行台数，启停灵活，对地基的承载能力要求也较低。
根据两种塔型的特性及循环冷却水的设计参数，设计以下几种配置方案，其具体安排如表2所示。
表2 冷却塔布置方案
Tab. 2 Layout scheme of cooling tower
方案
布置方式
具体说明
1机配6座单塔处理能力为4500m3/h
机力塔
3机18塔
的机力塔，6座组合式逆流机力通风冷却塔形成一列。
1机配1座淋水面积4000m2
的标准型1机1塔
自然通风逆流式冷却塔。
3机配2座淋水面积5500m2的标准型
自然塔
3机2塔
自然通风逆流式冷却塔。
3机配1座淋水面积9500m2的标准型
3机1塔
自然通风逆流式冷却塔。
同时，考虑到冬季和夏季气温的不同，循环水泵和机力塔的运行情况有所不同，在冬季，循环水泵的运行方式调整为50%的方式运行，风机运行按总台数的3/4运行，其余时间循环水泵和风机全部运行。根据机组的年运行情况可以确定循环水泵及风机的运行情况，表3为机组的运行年运行情况。
表3 机组的年运行情况
Tab. 3 Annual operation of power plant
项目
冬季 夏季 总计 设计电厂年耗气量（m3） 19800 70200 90000 项目机组运行小时数（h）
880
3120
4000
2 冷却塔布置方案分析
电站冷却塔的占地和布置具有重要的意义，有效用地是选择自然塔和机力塔的重要参考依据。
2.1 机力塔布置方式
机力塔采用3机18塔的布置方式，单台容量为4503t/h，风机直径为9.14m，配用电机为160KW。结合该电厂一期、二期的施工需要，有
单排布置、两排三列布置、三排两列布置等方式。如图1至图3所示。
618 m314 m18 m一期塔排一期塔排一期塔排二期塔排二期塔排二期塔排循环水泵房图1 机力塔单排布置图
Fig.1 Layout of single row machine power tower
314 m一期塔排一期塔排一期塔排69 m33 m循环水泵房二期塔排二期塔排二期塔排
图2机力塔塔排两排三列布置
Fig.2 Layout of two rows of three machine power tower
102 m一期塔排二期塔排120 m一期塔排二期塔排一期塔排二期塔排
图3机力塔三排两列布置
Fig.3 Layout of three rows of two machine power tower
以上三种布置方式的占地面积如表4所示。
表4 3机18塔各种布置方式的占地面积
Tab. 4 Covers of 3 power plant 18 tower
布置方式 一期占地（m2）
两期总占地（m2）
单排布置 5652 11376 两排三列布置 5652 21666 三排两列布置
12240
24960
大型冷却塔的塔排长宽比在3：1到5：1之间。若按照通用方案设计将一机6塔设计成一个塔排，则超出设计规范一般要求，故不予以选用。采用两排三列布置的方式，需要用到300米场的场地，场地使用受到限制，基于两排三列与三排两列的占地面积相差不大，因此采用三排两列的布置方式。 2.2 自然塔布置方式
自然台配置方案分为3机1塔、3机2塔，3机3塔三种配置方式。其布置方式如图4-6所示。
图4 三机两塔布置占地
Fig.4 Arrangement of 3 plants and 2 towers
图5三机三塔一排布置
Fig.5 Arrangement of 3 plants and 3 towers
图6三机三塔三角形布置图
Fig.6 Triangular arrangement of 3 plants and 3 towers
上述三种布置方式下，占地面积汇总如表5所示：
表5 自然塔各种布置方式的占地面积
Tab. 5 Covers of different arrangement of natural tower
布置方式 一期占地（m2
）
双塔单排布置 19360 三塔单排布置 22983 三塔三角形布置
25790
由于受到地形的限制，三塔单排布置的方式不可取，因此3机3塔采用三角形布置的方式进行布置。
通过对比机力塔和自然塔的布置方案，可以看出，机力塔在占地面积和布置的灵活性上均要优于自然塔。
3 经济分析
3.1 机力塔方案经济分析 3.1.1 投资成本
冷却塔的经济性分析需涉及初期投资成本、后期运行成本以及后期维护成本几个部分。该燃机电厂一期工程18塔的约投资4024万元，16塔的约投资3577万元。根据冷却塔设备投资回收率取9%，经济使用年限20年进行计算，则年固定分摊费率10.95%，年均设备投资成本分别为
440.63万元和391.68万元。 3.1.2 运行成本
运行成本包括循环水泵运行成本和风机运行成本，计算方法是设备轴功率、运行小时数和电价的乘积。另外还包括风吹损失而损耗的水的费用。
由于两种方案的机力塔淋水高度一样，故其
配置的循环水泵相同，给出的在泵选型未确定情况下，循环水泵的轴功率计算公式（1）计算轴功率：
P?QH367? （1） 式中：Q为气相密度，t/h；H为扬程，m；?为效率，取0.87；367为水的密度与3600秒的一个比值常数。
假设3套机组配置6台循环水泵，扬程为20m，由此我们得到单台循环水泵的轴功率为846.05kW，年运行耗电量见表6：
表6 循环水泵运行年耗电情况
Tab. 6 Annual power situation of circulating pump
项目 冬季 夏季 总计 运行小时数 （h） 880 3120 4000 循环水泵运行台数 (台)
3 6 耗电量 (kWh) 2233583 15838056 18071639 耗电费用（万元）
129.8
920.2
1050.0
18塔方案配电机的轴功率为139.3 kW，三机18塔方式下风机的年运行耗电量见表7：
表7 三机18塔方案下风机运行年耗电情况 Tab. 7 Annual power situation of blower in scheme of 3
plants and 18 towers 项目
冬季 夏季 总计 运行小时数 （h） 880 3120 4000 循环水泵运行台数 (台)
18×3/4 18 耗电量 (kWh) 1654884 7823088 9477972 耗电费用（万元）
96.2
454.5
550.7
在实际应用中，机力塔和自然塔的蒸发损失一样，排污率和冷却塔形式无直接关系，所以上述两种水损失都不计算比较。而带除水器的机力通风冷却塔将产生风吹损失，假设将机力通风冷却塔风吹损失率定为0.1%，根据设计方案总循环水量为81041m3/h进行计算，则三个塔排的年风
机力塔与自然塔在大型燃机电厂的应用研究
