不同类型冷却塔经济性及噪音分析

刘娇

中国电建集团核电工程有限公司   山东济南  250000

摘要：火电厂根据项目所在地区不同，自然环境不同，采用的冷却方式也不同。电厂冷却水系统包含海水/河水一次直流系统、湿式通风冷却塔为冷却设备的单元制二次循环供水系统、自然通风冷却塔的循环冷却水系统等。

关键词：冷却塔；噪声分析

1  工程概况

     国外某大型燃煤电厂项目，项目地所在气候条件如下：

设计环境温度：35 ℃         大气压：1.013 bar

    设计相对湿度（RH）：98%     冷却塔设计出水温度：32°C

目前考虑其冷却水系统拟采用单元制二次循环供水系统，每台机组配一条压力进水管，一条压力排水管，设3台循环水泵。两台机组在湿式冷却塔前共建一座循环水泵房，冷却塔至循环水泵房采用2条循环水回水沟。

   本工程的冷却水系统按TMCR工况进行循环水系统设计，经初步循环水优化计算确定冷却倍率数为60倍，循环水量需用146880m³/h。

2  冷却塔考虑方案

    根据项目所在地区的气候条件及需用水量，循环冷却水系统可考虑采用两种方案，配置自然通风冷却塔的循环冷却水系统及配置机械通风冷却塔的循环冷却水系统。通过设计数据的计算，两个方案的基本配置情况如下。

2.1 方案一的基本配置

    每台机组配置一座淋水面积为9500㎡的双曲线自然通风冷却塔，且每台机组配置3×50%的循环水泵（2用1备）。

2.1.1自然通风冷却塔设计特征参数为：

淋水面积：   9500 m2

冷却水量：   70140 m3h

淋水密度：   7.38 m3h.m2

塔高：      155 m

喉部高：    116.25 m

喉部直径：   67.2 m

进风口高：   10.3 m

零米直径：   120.004 m

冷却塔竖井水位约为：14.80m

2.1.2 循环水泵的设计参数为：

流量：       Q=10.2m3/s   扬程：       H=0.265MPa

水泵效率：   88%；       电机功率：   P=3300KW

2.2 方案二的基本配置

    每台机组配置16座（15用1备）逆流式机械通风冷却塔，16座冷却塔背靠背布置（8×2形式）， 且每台机组配置3×50%的循环水泵（2用1备）。

2.2.1每座机械通风冷却塔的设计特征参数为：

平面尺寸：   19.6m×18.8m   冷却水量：   4900 m3h

淋水密度：   13.3 m3h.m2    塔高：       17.2 m

进风口高：   5.0 m          冷却水进水管标高：9.0m

风机功率： 200KW

2.2.2 循环水泵的设计参数为：

流量：       Q=10.2m3/s   扬程：       H=0.225MPa

水泵效率：   88%；       电机功率：   P=2800KW

3 冷却塔配置方案经济比较

    方案的经济比较，主要可从占地面积、设备费用、土建费用、运行维护费用、运行耗电费用等方面进行考虑。在方案经济比较之前，我们需做一些假定：1.两种冷却塔的出水温度相同；2.两个方案采用的凝汽器相同；3.循环水泵房的布置相同，不考虑循环水泵价格差异。

3.1占地面积比较

根据冷却塔形式不同，布置了两个厂区总平面布置方案，两个方案均是厂区布置在厂址范围的西南侧，厂区呈典型的三列式布置，由南向北依次布置400kV配电装置区、主厂房区和贮煤场区。厂区固定端朝西，主厂房A排朝南，输煤系统采用主厂房固定端上煤，冷却塔布置在厂区西南侧。方案一厂区围墙内用地面积为48.05hm2，方案二厂区围墙内用地面积为46.30 hm2。两个方案的总平面布置基本相同，区别在于厂区围墙内用地面积及循环水管长度不同。

表3.1                 本期工程主要总图差异性投标比较表

序号	项    目	单位	综合单价 (万元)	方案一 （自然通风塔）		方案二 （机械通风塔）
				工程量	投资 (万元)	工程量	投资 (万元)
1	厂区用地面积	hm2	---	48.05	---	46.30	---
2	循环水供水管 （DN3220）	ｍ	1.50	825	1237.50	630	945.50
3	循环水排水管 （DN3220）	ｍ	1.50	735	1102.50	1650	2475.00
4	合计（1～3项）				2340.00		3420.50
5	以方案一为基准的差异值			基准		+1080.50

从上述比较可以看出，两个方案循环水管投标方案一比方案二节省投资约1080.50万，但方案一比方案二围墙内用地面积增加1.75hm2。

3.2冷却塔土建、设备、安装费用比较

    方案一：两座9500㎡逆流式自然通风冷却塔，塔体为钢筋混凝土结构，塔筒为双曲面，人字柱支撑，钢筋混凝土环形基础，地基处理采用冲孔灌注桩。单塔上部混凝土总量为35000m3，单位造价按2900~3000元/m3

计；塔芯材料（淋水填料等）按混凝土单位造价10%计；另外计及地基处理、照明等费用，冷却塔单位综合造价约3630元/m3，单塔总造价35000（m3）×3630（元/m3）=12705万元，折合每平米淋水面积冷却塔造价约1.337万元/m2。2×9500m2自然塔总造价约25410万元。

    方案二：32座机械通风冷却塔，塔体采用大跨度钢筋混凝土框架结构，两端采用混凝土围护面板封闭，进风侧进风口以上部分采用玻璃钢围护面板封闭，冷却塔下部集水池采用钢筋混凝土水池。32台冷却塔钢筋混凝土量为18040 m3，总土建费用4050万元，32台冷却塔设备费2540万元（含运输费，运输费按设备费15%），另计及安装费300万元，则32台机力塔总投资费用6890万元。

3. 3 增加电气设备比较

方案二相比于方案一每台机组增加了16台机力冷却塔冷却风机，功率为200kW，每台机组需配置单独的冷却塔低厂变，采用明备用方式，每台机组设置3台容量为2000kVA的冷却塔低厂变和3段PC段，另外需每台机组需增加3台高压厂用电柜及相应的高低压电缆。

表3.3                         电气增加设备比较表

序号	项    目	单位	综合单价 (万元)	方案 （机械通风塔）增加金额
				工程量	投资 (万元)
1	高压开关柜	面	20	6	120
2	低压厂用变2000kVA	台	31.6	6	189.6
3	低压PC柜	面	7.4	40	296
4	电缆	Km	62	10	318.6
5	以方案一为基准的增加额			924.2

3. 4 运行耗电量比较

    两个方案的运行耗电量差异主要体现在循环水泵、风机级辅助电气设备的耗电量上。假定：1.本工程年运行小时数以6500h计；2.循环水泵4季（6500h）工频运行；3.每台机组冬季(1500h)机力塔开13台（2台关闭，1台备用）；4.成本电价以0.42元/（KW.h）计。

3.2.4.1方案一

    每台机组设3台循环水泵，2用1备；两台机组共设6台循环水泵，4用2备。

    每台循环水泵的功率为3300KW，则2台机组一年的耗电量为3300×4×6500=85.8×106(KW.h),则循环水泵每年的电费为85.8×106(KW.h) ×0.42元/（KW.h）=3603.6万元。

3.2.4.2 方案二

    每台机组设3台循环水泵，2用1备；两台机组共设6台循环水泵，4用2备。每台机组设16座冷却塔，15用1备；两台机组共设32座冷却塔，30用2备。

    每台循环水泵的功率为2800KW，则2台机组一年的耗电量为2800×4×6500=72.8×106(KW.h)。

    每台冷却塔风机的功率为200KW，则2台机组一年的耗电量为200×30×5000+200×26×1500=37.8×106(KW.h)。

    每台机组设置3台2000kVA低厂变（其中2台运行1台热备用），两台机组共设置6台2000kVA低厂变（其中4台运行2台热备用），每台2000kVA低厂变空载损耗为3.5kW，负载损耗为14kW，则低厂变每年的损耗电量为4×6500×14+6×8760×3.5=547960(KW.h)。

     该方案的总耗电量为：72.8×106+37.8×106+547960=111025320(KW.h)，则总电费为111025320(KW.h) ×0.42元/（KW.h）=4663.1万元。

3.5经济对比表

  两个方案的经济比较，详见表3.5。

表3.6                自然通风塔与机械通风塔的经济比较表              单位：万元

序号	对比项	方案一 （自然通风塔）	方案二 （机械通风塔）
1	循环水管费用	2340	3420.5
2	冷却塔土建、设备、安装费用	25410	6890
3	增加的电气和仪表设备费用	基准	924.2
4	总投资（1+2+3+4）	27750	11234.7
5	年固定投资费用	5258.6	2129.0
6	年运行维护费用	基准	100
7	年耗电费用	3603.6	4663.1
8	年运行总费用	3603.6	4763.1
9	年总费用（6+9）	8862.2（8957.0）	6992.0

备注：1.投资回收率按12%计算；2.经济运行期按25年计算；3.基本折旧费率按4.8%考虑；4.大修费率按1.4%考虑；5.年固定分摊费率按18.9%计算。

4噪音比较

4.1自然通风冷却塔噪声分析

    自然通风冷却塔的噪声主要是下落的水流冲击水面产生的淋水噪声，噪声频谱主要表现为中高频特征，并随着集水池水深的增加，向低频方向移动。下面对本工程的拟采用自然通风冷却塔方案的噪音进行简单的分析。

    以每个塔为一个噪声源计，共2塔。冷却塔位于厂内西南侧。经计算其噪声衰减表如下表4.1所示。

表4.1            自然通风冷却塔噪声衰减表

距离最近噪声源（m）	单点噪声声压级dB	噪声总声压级dB
80	78.07	76.77
100	75.63	75.43
150	70.98	72.18
200	67.34	69.17
250	64.25	66.42
300	61.52	63.89
350	59.03	61.53
400	56.72	59.31
420	55.84	58.46
750	43.22	46.05

注：1、根据一般经验，距自然通风冷却塔距离15m，高度1.5m噪声值为78 dB，本计算结果依据与冷却塔中心点距离80.5m，海拔高度9.5m的监测点噪声值为78 dB计算；

2、单点噪声即单台自然通风冷却塔产生的噪声，总声压为两个自然通风冷却塔产生的噪声，测点位于自然通风冷却塔双塔的中心平分线上，距离即测点与中心点的距离。

根据厂区布置及现场踏勘，拟建厂址的南侧对岸岸边、北侧、东北侧以及东侧有居民居住。自然通风冷却塔产生的噪声对厂界及各居民点的影响值如下表所示。

表4.2自然通风冷却塔产生的噪声对厂界及各居民点的影响

噪声影响区域	距离冷却塔（m）	噪声影响值（dB）
南侧厂界	≥80	≤79
西侧厂界	≥78	≤77
北侧厂界	≥745	≤47
东侧厂界	≥1230	≤47
南侧居民点	≥420	≤59
北侧居民点	≥1600	≤47
东北侧居民点	≥1400	≤47
东侧居民点	≥1750	≤47

本项目西侧与南侧厂界均临河，陆上无居民点，不产生实质性噪声污染，东侧与北侧厂界噪声排放可满足世行噪声厂界排放限值70dB。北侧、东北侧与东侧居民点距离较远，基本不受到冷却塔的噪声污染。南侧对岸岸边居民点受到的噪声影响小于59dB。此外，厂界围墙与周边植被可以起到一定的隔声效果，使得实际噪声污染更小。

根据现场踏勘及当地调查，该区域属于工业用地，且拟建厂址周边还建有梅克纳工业区（厂址西侧约1500米处），同时水路运输也较为繁忙，由工厂和轮船造成的噪音就已较大，附近居民早已适应当地噪音吵杂的生活环境，对该地作为工业区没有异议，因此电厂附近的居民点的噪音可以按照工业区的噪音指标来进行控制。根据世界银行工业区声环境质量标准限值70dB，孟加拉工业区标准白天75dB，夜间70dB，自然通风冷却塔方案满足噪声控制的要求。

4.2机械通风冷却塔噪声分析

    机械通风冷却塔噪声由以下几部分产生：顶部轴流风机产生的空气动力性噪声；水的势能撞击冷却塔中的填料和集水池产生的淋水噪声；电机、传动部件及减速箱等产生的机械噪声；风机、电机及减速机引起冷却塔塔壁及顶部平台振动，产生固体传声噪声。机力塔噪声频谱主要表现为中高频特征。下面对本工程的拟采用机械通风冷却塔方案的噪音进行简单的分析。

机械通风冷却塔共有两组，每组16台，位于厂区西南角。按每台为一个噪声源计，共32台，运行30台。经计算其噪声衰减如表4.3所示：

表4.3机械通风冷却塔噪声衰减表

距离最近噪声源（m）	单点噪声声压级dB	噪声总声压级dB
30	82.28	87.95
50	77.79	86.11
100	71.61	82.45
150	67.97	79.82
200	65.34	77.76
250	63.27	76.05
300	61.55	74.60
350	60.08	73.32
370	59.54	72.85
400	58.78	72.18
650	53.89	67.71
1200	47.08	61.25
1400	45.20	59.43
1600	43.51	57.78
1750	42.32	56.61

注：1、根据机械通风冷却塔设备要求，距设备1倍直径，高1.5m的噪声低于85dB，本结果将机械通风冷却塔视为点噪声源，依据海拔高度9.5m，距噪声源22m的噪声值为85dB进行计算；

2、单点噪声即单台机械通风冷却塔产生的噪声，总声压为30台机械通风冷却塔产生的噪声，测点位于最南侧一排机械通风冷却塔的中心平分线上，距离即测点与中心点的距离。

根据厂区布置及现场踏勘，机械通风冷却塔产生的噪声对厂界及各居民点的影响值如下表所示。

表4-4 机械通风冷却塔产生的噪声对厂界及各居民点的影响

噪声影响区域	距离冷却塔（m）	噪声影响值（dB）	是否满足标准要求
南侧厂界	≥30	≤88
西侧厂界	≥30	≤91
北侧厂界	≥657	≤68
东侧厂界	≥1200	≤62
南侧居民点	≥370	≤73	略微超出一点
北侧居民点	≥1600	≤58	满足
东北侧居民点	≥1400	≤60	满足
东侧居民点	≥1750	≤57	满足

根据表4.4本项目西侧与南侧厂界均临河，陆上无居民点，不产生实质性噪声污染，东侧与北侧厂界噪声排放可满足世行噪声厂界排放限值70 dB；根据世行工业区声环境质量标准限值70dB，孟加拉工业区标准白天75dB，夜间70dB，机械通风冷却塔方案对东、北侧较远的居民点噪声控制满足要求，但是机械通风冷却塔方案若不加任何防噪措施，对南侧居民点（河对岸）的噪声污染会超出世行工业区噪声标准以及孟加拉夜间噪声标准。

考虑到对南侧居民点的影响超标准值较低，影响区域内居民点较少，居民点附近植被较多，且计算值为假设的最大噪声值（目前单台机械通风冷却塔实际噪声值低于85dB，不计厂界围墙隔声效果），根据以往工程经验若在南侧厂界区域种植树木群防护林即可达到良好的降噪效果，防护林与围墙的隔声作用即可使机械通风冷却塔对南侧居民点的噪声影响低于标准值。另外，需要指出的是，由于现场踏勘时没有实际登陆南侧（河对岸）居民点，南侧居民点是否处于噪声安全距离内并不确定，目前仅凭现场照片肉眼判断可能有少量居民点位于安全距离圆附近，为保险起见，我们暂且认为少量居民点位于安全距离圆内（即噪音超标），这样做法是偏于保守的，实际存在少量居民点安全距离圆外的情况，若是这样则不采取任何措施噪音控制都能满足要求。

4 结论

    通过以上经济和噪音方面比较，可以看出两个方案各有优劣，都能满足本工程的循环冷却要求。但是由于当地气温高、湿度大，自然通风冷却塔的通风降温效果会相对差一点，且当地混凝土购买比较困难，价格高；本工程在河边的滩涂建造，地基条件差，且自然通风冷却塔在当地施工经验少，施工比国内困难，且自然通风塔的投资成本高。机械通风冷却塔占地面积少，施工安装周期短，冷却效率高，投资成本较低，且在当地施工经验丰富。综合以上两点分析，机械通风冷却塔占优势。