烟塔合一技术烟塔的设计
烟塔的基本结构如图1 所示,包括烟塔本体、烟道、塔芯填料等。脱硫后的烟气通过玻璃钢烟道( FRP) 进入自然通风冷却塔,由塔心排放。
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1 烟塔尺寸
根据国内某电厂的实际情况,为了减少净烟道长度,节约投资,拟建烟塔的位置在主厂房北,3 个煤仓南,2 个烟囱之间。主厂房的高度为86 m ,烟塔与电除尘器之间的最小距离约50 m ,与主厂房的最小距离为70 m。在有风和高湿度的情况下,烟塔排出的水汽可向下沉降,并延长至下风向上百米距离,沉降的高度约为冷却塔高度的1/ 3。因此,烟塔的高度大约为120 m。由于烟塔布置在现有脱硫系统场地上,底部直径最大只有72 m ,否则,烟塔的基础将和3 个煤仓的基础发生冲突。
表2 列出了国外几个电厂与国内某电厂拟建烟塔的初步设计尺寸。
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从表2 可以看出,国内某电厂拟建烟塔属于非常规自然通风冷却塔, 较高但直径不大, 淋水面积约3 000 m2 ,进风口面积与淋水面积之比达到了1. 27 ,而一般仅要求达到0. 35～0. 40 即可。因此,拟建烟塔的通风能力很强,有利于烟气抬升。
2 烟塔的外型
在德国,有些烟塔外型是带肋的。目的是减少钢筋和混凝土的用量,同时也可以减弱风对塔的影响。经调研,国内没有做过带肋的冷却塔,施工单位也没有建造带肋冷却塔的经验。而且,由于要增加新的带肋模板,总造价会更高。因此,国内某电厂拟建烟塔外型初步设计成光滑曲线。这种外型在德国也有很多。
3 烟塔的壳体
在德国,120 m 烟塔最薄处的厚度为180 mm ,按照中国的标准,应为140 mm ,加厚的目的是为了保护钢筋,因此混凝土的用量将会增加,在计算工程量时要考虑这一点。
4 烟塔地基处理和人字柱
德国设计烟塔的人字柱为预制混凝土,直接承受整个壳体的重量而不是均匀的将壳体重量传递给烟塔基础,因此地基的处理也采用单根人字柱单独处理(点式) ,与国内采用负荷地基处理技术(面式) 有所不同。国内某电厂地基处理为国内设计院设计,因此地基设计将按照中国的标准进行。
德国的烟塔人字柱直径比较大,但数量少,如德国为国内某电厂设计的120 m 高烟塔,人字柱直径达到了800 mm ,只有24 对,而国内某电厂烟塔的高度为90 m ,人字柱为400 mm ×400 mm ,数量达到了40 对。
5 冬季运行系统
德国设计的冷却塔有相当多的分区,分区的阀门采用不锈钢螺旋闸阀,布置在塔内。当气温低于8 ℃时,要打开化冰管,随着气温的降低,逐步关闭冷却塔中央的1 、2 等分区,以满足冷却塔出口循环水温维持在13 ℃～14 ℃。随着气温降低,冷却塔出口循环水温继续降低,这时再逐渐关闭其它区域。当淋水面积小于整个烟塔的50 %时,开启旁路手动闸门(图3) ,循环水直接通过竖井向下流到水池中。因此,国内某电厂拟建烟塔也设计了这些分区。
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在德国,操作分区自动进行,由安放在填料下的PT 100 铂电阻温度测量仪测量循环水温度,此信号通过电缆传输到控制室,再反馈给阀门调节控制系统。国内某电厂由于烟塔的特殊性,操作分区手动进行。德国设计的烟塔化冰管与中国的不同。循环水进水从中央竖井通过槽(管) 直接引到塔周围的化冰管,而不是环冷却塔池布置水管再垂直上水给化冰管。同时,在气温低于- 20 ℃时,采用抗低温较好的FRP 管道;如果电厂区域的环境温度在冬季高于- 20 ℃,可以采用造价较低的硬聚氯乙烯管道(UPVC) 。
6 烟塔上水管
在德国,除早期(上世纪70 年代前) 的上水管采用钢管从水池底上面进入中央竖井外,现在的冷却塔均采用现浇混凝土在水池底下面进入中央竖井,这样整个水池中看不到去中央竖井的上水管道。因国内的地基处理采用负荷地基处理方式,如将上水管道布置在水池底下面,可能导致地基受力不均,故去中央竖井的循环水管道仍然布置在水池底上面,离池底有一定距离,管道改用混凝土。
7 池底清淤
德国设计的冷却塔池底有一个斜坡通向塔外沟道,在清淤时用水将淤泥冲至沟道,再用吸泥泵将泥抽走。拟建烟塔将保留此设计,但塔外的沟道需要统一考虑。
8 出水口
德国设计的循环冷却水出水口在水池底部,其标高比国内设计降低了500 mm ,这可能会影响采用国内技术的地基处理效果。因此,拟建烟塔出水口的标高仍然由塔池外开始降低,以便与循环水回流系统连接。
9 塔芯设备
塔芯设备包括中央竖井、主水槽、支管、喷头、填料、收水器、分区阀门、化冰管等,均可在国内采购。德国设计的喷淋系统采用上喷,填料类型主要有飞溅式、薄膜式及介于两者之间的网状式,材料为聚氯乙烯(PVC) ;收水器框架为聚丙烯( PP) ,片为PVC ,喷头采用PP 制作,配水管道和化冰管可以采用UPVC 管,分区阀门为不锈钢手动螺旋闸阀。在正常使用条件下,填料的使用寿命为15 年,这些填料和设备均可在国内采购。
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10 挡风墙
为了减小大风情况下冷却水雾穿过冷却塔淋水区,通过进风口飘逸而影响周围设备的运行,造成湿滑、结冰,在填料与水池水面间有四面挡风墙,防止风对流。挡风墙为格栅式,水泥浇注,这样可以减小风对墙的冲击。
11 防雷系统
防雷系统的设计按照GB50057 94《建筑物防雷设计规范》的要求进行,在塔外与全厂防雷接地网连通。
12 走道与栏杆
德国设计走道、栏杆的基本原则是,凡有人站立、需要承重的地方,均用防硫酸腐蚀的不锈钢,其它地方用热镀锌材料。拟建烟塔塔顶走道为混凝土结构,内为混凝土壳体,高为1. 2 m ,外为含钛不锈钢栏杆,高为1. 2 m。从塔高10 m 至塔顶的鼠笼梯,采用防腐蚀不锈钢,大约每10 m 设1 个休息平台。从0 m 到塔高10 m 的楼梯用碳钢加防腐。在人孔门的对面还设计了从0 m 到塔高10 m 的鼠笼梯,目的是考虑紧急逃生用。塔内的走道用混凝土、碳钢加防腐材料(德国用热镀锌材料) 。塔内走道至玻璃钢烟道底部的鼠笼梯用防腐蚀不锈钢。
国内某电厂由于4 号炉烟气进1 个烟塔,检修的机会有限,因此塔内部件(包括走道、栏杆) 建议用耐腐蚀的不锈钢或工程塑料,少用碳钢。
13 塔内支撑与塔的防腐
塔内支撑的基础为混凝土加防腐,滑动支架用耐腐蚀不锈钢。
为了防止酸性冷凝液腐蚀烟塔,德国专门为烟塔设计了2 种防腐方式,一种是采用耐酸水泥,一种是喷涂防腐涂料。国内某电厂的防腐拟采用喷涂防腐涂料工艺,防腐设计按照V GB R 612 U 导则进行,初步设计如下。
(1) 内壁(含塔芯) 防腐 用50 MPa 的高压水冲洗,冲洗水的流量约为1. 7 t/ h 。冲洗前,先在塔顶和塔底固定滑轨,然后再将钢索固定在滑轨上,钢索上安装有吊篮,这样既可以上下移动,也可以左右移动,方便冲洗和防腐。塔喉部以上的内壁和塔顶部的防腐层厚度为300μm ,包括1 层防水层、1 层基层和2 层面层;喉部以下的内壁防腐层厚度为200 μm ,包括1 层基层和2 层面层;塔芯的防腐层厚度为100μm ,包括1层基层和1 层面层。
(2) 外壁防腐 德国设计的所有烟塔的外壁全部进行防腐,法国、匈牙利等国的烟塔外壁防腐前不用水冲洗,防腐层厚度只有80μm ,包括1 层防水层和2 层面层,目的是减少由于毛细现象进入到混凝土内的水分,延长钢筋寿命。拟建烟塔也采用类似的外壁防腐工艺。
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