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摘要:目的 为了提升全厂热效率，降低厂用电率，节省用地，减少降噪设施投资，提出了一种新型冷却塔在火力发电厂、特别是城市型燃机电厂的应用场景。方法 结合工程背景和应用的实际情况，对机械通风冷却塔的选型进行介绍，着重通过对常规单面进风机械通风冷却塔和单面进风高位收水机械通风冷却塔在结构、布置上的详细说明，针对这两种类型机械通风冷却塔在能耗、噪音控制、环境影响、经济等方面进行对比，采用动态经济分析的年总费用最小法，说明在保证具有同等冷却效果的前提下两种类型机械通风冷却塔的优劣性。结果 对比结果表明：高位收水装置可在机械通风冷却塔上具有更好的应用前景。高位收水装置可以消除大部分淋水噪声，大幅降低循环水泵扬程；通过配备变频循环水泵，满足发电机组不同工况的冷却水量需求，降低厂用电率，节能效果明显；适合大型背靠背布置塔型，节省用地。结论 所提出的新型冷却塔在火力发电厂的应用是可行的，特别是在用地紧张的城市型燃机电厂，采用背靠背布置的大型高位收水机械通风冷却塔可提高发电机组循环冷却水系统的整体运行经济性，减少系统能耗，节能减排，并同时兼顾循环冷却系统的初期投资和厂内降噪效果。随着国家大力发展和投资大型燃气-蒸汽联合循环发电机组，大型高位收水机械通风冷却塔应用前景广阔。Abstract:Introduction In order to improve the thermal efficiency of the whole plant, reduce the power consumption rate, save land and reduce investment in noise reduction facilities, this paper proposes the application scenario of a new cooling tower in thermal power plants, especially in urban gas turbine power plants.Method Based on the engineering background and the actual application, this paper described the selection of mechanical draft cooling tower, focused on the detailed description of the structure and layout of the typical single-sided air inlet mechanical draft cooling tower and the single-sided air inlet high level water collecting mechanical draft cooling tower, compared the two types of mechanical draft cooling tower in terms of energy consumption, noise control, environmental impact, economical efficiency, etc., and described the advantages and disadvantages of the two types of mechanical ventilation cooling tower on the premise of ensuring the same cooling effect by using the minimum annual total cost method of dynamic economic analysis.Result The comparison results show that the high level water collecting device can have a better application prospect in mechanical draft cooling tower. The high level water collecting device can eliminate most of the water pouring noise and greatly reduce the circulating water pump lift; By providing a variable frequency circulating water pump, it can meet the cooling water demand of generator unit under different working conditions, reduce the power consumption rate and achieve obvious energy saving effect; It is suitable for large back-to-back tower type and can save land.Conclusion The application of the new cooling tower in thermal power plants is feasible, especially in urban gas turbine power plants with land shortage. The adoption of a large high level water collecting mechanical draft cooling tower with back-to-back arrangement can improve the overall operation economy of the generator unit circulating cooling water system, reduce the system energy consumption, save energy and reduce emissions, while taking into account the initial investment of the circulating cooling system and the noise reduction effect in power plants. With the vigorous development and investment of large gas-steam combined cycle generator units in China, the application prospect of large high level water collecting mechanical draft cooling towers is broad.
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0. 引言
随着我国核电机组技术的不断发展和成熟，核电厂的建设和调试工作变得越来越重要。在核电厂系统设备的调试阶段，反应堆保护系统作为反应堆安全的中枢神经系统，具有极其重要的作用。传统的反应堆保护系统调试方式中，使用单个信号模拟工具只能模拟单个信号，反应堆保护系统在正常运行工况下需要模拟几十个以上的信号变量，同时反应堆保护系统的输出控制信号较多，其输出变化结果需要一个个测量确认，因此存在效率低下、人力物力消耗大、信号稳定性难以保证等问题，这对于高温气冷堆示范工程的反应堆保护系统调试来说尤为突出。在现有的核电厂反应堆保护系统调试工具不适用于高温气冷堆示范工程调试的背景下，为了高效、高质量地完成高温气冷堆示范工程反应堆保护系统的调试，研发了一套用于高温气冷堆示范工程的反应堆保护系统的自动化调试专用工具。文章将介绍这套专用工具的研发目的、思路、功能和优点，以期为核电厂建设和调试工作提供有益参考。
1. 研发目的及思路
1.1 研发目的
为了克服高温气冷堆示范工程反应堆保护系统调试技术的不足，需要一套专门用于反应堆保护系统的自动化调试工具。该调试工具基于反应堆保护系统功能和设备的特点而设计，具备可编程及扩展性，不仅可以用于高温气冷堆反应堆保护系统的调试，还可以通过适应性改造实现其他堆型反应堆保护系统功能和性能的验证。
1.2 研发难点
本调试工具的研发存在两大难点：（1）在各功率平台下，如何实现一键自动化进行反应堆保护系统逻辑、系统性能的自动调试及结果判断功能；（2）如何准确地实现反应堆保护系统中特有变量（如变化率）自动调试功能。针对此类变量的自动化调试，在以往的核电厂反应堆保护系统调试中没有实际应用经验，调试工具的软件功能需要进行大量的修改和测试，功能的研发和应用过程也面临较大的挑战。
1.3 研发思路
为了实现反应堆保护系统的调试功能，借鉴现有类似工具的经验，确定了调试工具的功能研究方向[1]主要为：反应堆保护系统调试工具可以根据预先设计的程序，为反应堆保护系统模拟就地仪表和系统接口信号，并自动调整各模拟信号的幅值和开关量信号触点的状态，同时实时监测反应堆保护系统的输出控制信号，通过调试工具专用的开发软件对数据进行分析[2]，从而综合评价反应堆保护系统的逻辑和性能是否达到了系统设计的需求。
1.3.1 运行过程要求
1）根据预先编制好的手动或自动运行程序脚本，自动化调试工具为反应堆保护系统4个测量通道输入模拟的保护监测变量信号，以及接口操作信号。
2）反应堆保护系统接收自动化调试工具输出的4个测量通道模拟信号进行隔离、处理，并根据模拟的保护监测变量信号条件进行逻辑符合，形成停堆、联锁、专设触发信号，并产生动作指令驱动信号。
3）自动化调试工具采集反应堆保护逻辑符合输出的动作指令驱动信号，与预期的设计结果进行对比，并对结果进行记录和分析评价，判断结果是否正确，以确定是否继续进行下一步调试流程。
1.3.2 功能需求
1）自动化调试工具能够为反应堆保护系统机柜提供足够的模拟量输入信号，能够模拟不同功率平台下的保护变量并稳定运行，输出的模拟信号应具有足够的精度，并且能够满足与反应堆保护系统变量实际输入信号的程序范围，输出的模拟信号可以按设定的变化率变化，模拟反应堆保护变量变化率信号的特性，同时具有正/负变化率输出调整的功能，其变化率的输出特性可通过公式修改，且满足反应堆保护系统设计文件的要求。
2）自动化调试工具应具备可扩展性和可靠性（包括硬件、软件），可以通过扩展硬件和软件功能，满足反应堆保护系统的设计优化的要求，并具备长时间连续稳定运行的能力，反应堆保护系统4个测量通道的模拟信号一致性和同步性能好。
3）人机界面友好，交互能力强，试验结果和综合评价分析结果直观充分，当出现调试结果不一致时，能够记录详细的过程，以供问题分析。
2. 实现过程
自动化调试工具基于PCI总线架构设计[3]，运行于Windows操作系统上，与反应堆保护系统输入输出接口相互连接，如图1所示。通过自动化调试工具的人机交互界面进行自动化调试操作，将信号采集板卡和信号输出板卡的信号调理成符合需求的标准信号，实现对信号变量保护变量整定值判断、逻辑运算、变量的监视及强制等功能，自动执行调试试验测试、记录测试数据，最终形成数据分析报告和报表。
2.1 信号输出
自动化调试工具信号输出功能由AO调理模块、DO调理模块、NI数据采集模块、预制电缆、接线端子实现。为了满足反应堆保护系统输入信号的数量要求，自动化调试工具信号的输出数量留有足够的余量，并具备硬件扩展能力。同时自动化调试工具可以输出标准的有源/无源4～20 mA模拟信号、开关量信号，模拟不同功率平台下反应堆运行的各变量参数，可根据不同的设计要求实现模拟量和开关量信号变化的功能。自动化调试工具输出的模拟信号可以根据需要设定变化率的速率，能够模拟核功率变化率等变化信号，同时具有正/负变化率输出调整的功能，最终通过硬接线的方式输入反应堆保护系统中进行数据处理和逻辑判断。
2.2 信号采集
信号采集部分主要由信号NI数据采集模块[4]、DI调理模块、预制电缆、接线端子组成。自动化调试工具接收反应堆保护系统输出的控制指令信号，通过硬接线的方式接入调试工具的接线端子，传送至信号调理模块，再通过预制电缆传输数据至数据采集模块，并送至主控计算机内进行工程量数据转换，最后对所采集的工程量数据与预期数据的一致情况进行分析。
2.3 数据处理
2.3.1 软件设计
自动化调试工具基于Windows操作系统平台，定制了专用自动化调试软件和监视调试软件，通过数据库与配置管理、用户管理、调试脚本管理、调试结果查询等辅助软件模块进行通信，以实现调试工具的自动化调试功能。在调试工具与反应堆保护系统接口连接正常的情况下，工具上电后各采集板卡会实时采集反应堆保护系统输出的所有控制信号状态。自动化调试工具的程序框图如图2所示，打开自动化调试专用程序，打开主菜单后导入基本配置信息，在主界面打开“自动测试”导入调试脚本，选择需要进行的调试功能，点击“开始”按钮进入自动调试状态，若调试结果与设计预期一致，则继续进行下一步直到所有测试结果满足预期为止；若调试结果与设计预期存在偏差，则系统弹出错误代码，自动调试过程暂停，由调试操作人进行问题排查及处理。
自动化调试软件程序，可以进行手动和自动调试功能的调用，程序可实现调试装置运行脚本的导入，运行脚本可以根据用户需求编制，调试装置运行脚本后，可实现信号自动模拟变化、自动发送和接收判断等功能[5]。解决在各功率平台下，实现一键自动化进行反应堆保护系统逻辑、系统性能的自动调试及结果判断功能[6]。
根据设计要求的变化率计算公式，反推变化率变量的输出变化特性，软件中包含用于模拟信号变化的特有输出模块[7]，结合专用软件程序中的自动调试功能，准确地实现反应堆保护系统中特有变量（如变化率）的自动调试。
2.3.2 偏差的处理
以反应堆保护系统紧急停堆功能的调试的温度信号为例，系统设计要求温度保护变量出现两个及以上信号超过保护变量整定值时，产生紧急停堆信号。假设自动化调试工具模拟两个及以上温度信号超过紧急停堆保护变量整定值，使反应堆保护系统产生紧急停堆输出指令信号，自动化调试工具接收到所有的紧急停堆输出信号后，在设定的时间范围内，将接收到的所有信号状态与紧急停堆预期信号状态进行逐一比较，当所有信号状态一致且稳定时，判断温度保护变量引起的反应堆保护系统紧急停堆功能满足要求，否则出现偏差报警提示[8]，暂停自动调试过程。
2.3.3 响应时间的实现
以反应堆保护系统紧急停堆响应时间的调试温度信号为例，温度保护变量出现两个及以上信号超过保护变量整定值时刻起，直到产生紧急停堆信号输出时刻的时间间隔需要满足系统设计的性能要求[9]。假设自动化调试工具模拟两个及以上温度信号超过紧急停堆保护变量整定值时，调试工具自动记录该时刻的时间t1，当反应堆保护系统产生紧急停堆输出指令信号时，自动化调试工具记录接收到所有的紧急停堆输出信号状态时刻的时间t2，自动计算时间差Δt=t2-t1[10]，获得温度保护变量引起的紧急停堆功能响应时间的测量值，将经计算所得的实际响应时间Δt与紧急停堆设计预期响应时间进行比较，当Δt小于设计预期值时，判断温度保护变量引起的反应堆保护系统紧急停堆响应时间的性能满足要求，否则出现偏差报警提示，自动调试过程暂停。
2.4 信息显示
2.4.1 上位机画面功能
基于Windows操作系统的上位机画面[11]，使用人员可以直观地监视自动调试的实时过程。每次在进行自动调试工作开始之前，需要在上位机屏幕上进行初始化配置，此时调试工具中的所有输出信号将恢复至初始状态，初始化结束后，使用人员通过选择需要验证的系统功能对反应堆保护系统进行自动化调试验证，使用人员可以在进行验证之前，选择每一组合逻辑或性能验证的间隔时间，并可以选择出现偏差报警后的自动处理流程[12]，包括等待、暂停、继续及停止。
2.4.2 上位机与模块的连接实现
在上位机上安装了LabVIEW运行环境[13]以及WinPcap、DAQPilot及NI MAX软件驱动。如图3所示，通过PCI总线与数据采集模块进行数据通信[14]。同时，通过RS232串口通信的方式使主控计算机控制器对采集模块继电器进行通信[15]，以实现继电器切换的控制功能。当主控计算机、上位机及采集模块上电时，LabVIEW运行环境及相关驱动将自动运行并建立数据通信[16]，便可正常使用自动化调试工具的自动调试功能。
![图 3 自动化调试工具通信结构框图]()
图 3 自动化调试工具通信结构框图Figure 3. Communication structure block diagram of automatic commissioning tools2.5 硬件布置实现
为实现高温气冷堆反应堆保护系统的自动化调试工具经济实用、接口简单、集成度高、便于操作和维护、便携移动的特点，专门为调试工具的机箱、NI主控计算机、NI数据采集模块、信号调理模块、空气开关、预制电缆、接线端子、显示器的布局进行了详细设计[17]，如图4所示，其特征在于NI数据采集模块与NI主控计算机通过插槽直接相连进行数据交换；信号调理模块与NI数据采集模块通过预制电缆连接进行数据传输，信号调理模块通过接线端子与外部系统或设备相连，发送和接收信号；显示器键盘、鼠标和NI主控计算机通过串口连接[18]，置于机箱顶部可移动位置，用于人机交互操作；配置万向轮位于机箱底部[19]，便于移动。
3. 工程应用
高温气冷堆示范工程调试人员，根据高温气冷堆示范工程设备布置和系统特点，针对反应堆保护系统自动化调试方面的需求，研究并搭建了自动化调试平台[20]，以此提高调试效率和准确性。使用自动化调试专用工具，调试人员完成了高温气冷堆反应堆保护系统的所有功能调试，并针对1、2号高温气冷堆示范工程反应堆保护系统共计完成8个调试试验项目。调试使用过程中，自动化调试专用工具的实施效果良好，发现并解决了多项高温气冷堆示范工程反应堆保护系统的设计、安装和设备缺陷问题，为后期高温气冷堆示范工程反应堆保护系统正常可靠地运行奠定了坚实的基础，保证了反应堆装料后的安全运行。这一系列工程应用实践证明了该自动化调试平台的性能稳定和可靠性，为类似项目的实施提供了可靠的参考和指导。
4. 结论
自动化调试工具作为高温气冷堆反应堆保护系统专用的调试工具，具有以下特点和优势。首先，该工具具有经济实用的特点，使用成本低，且可以满足高温气冷堆反应堆保护系统功能和性能的验证要求。其次，接口简单，集成度高，便于操作和维护，可以根据需要扩充和减少相应的设备和软件需求，便于后续反应堆保护系统的调试和应用。此外，该工具还具有便携移动和能自动完成预订功能的特点，方便调试工作的实施和管理。最重要的是，应用实践证明该自动化调试工具性能优异，能大幅提升高温气冷堆示范工程反应堆保护系统调试的工作效率，同时提高了调试过程中的稳定性和安全性。因此，该自动化调试工具是高温气冷堆反应堆保护系统调试的理想选择，具有广泛的应用前景和市场潜力。
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图 1 常规机械通风冷却塔内部结构图
Figure 1. Internal structure drawing of typical mechanical draft cooling tower
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图 3 高位收水机械通风冷却塔内部结构图
Figure 3. Internal structure drawing of high level water collecting mechanical draft cooling tower
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图 4 高位收水冷却塔塔群平面布置图
Figure 4. Layout plan of high level water collecting cooling tower group
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图 5 高位收水机械通风冷却塔侧视图
Figure 5. Side view of high level water collecting mechanical draft cooling tower
表 1 冷却塔冷却性能要求
Table 1 Cooling performance requirements for cooling tower
序号 设计工况 干球温度/℃ 相对湿度/% 大气压/hPa 单塔冷却水/（m3·h−1） 冷幅/℃ 出塔水温/℃ 1 性能保证工况 28.4 82 1 004.2 5 850 6.90 ≤31.0 2 年平均工况 22.4 78 1 012.0 5 850 6.90 ≤27.4 3 夏季10%气象条件 25.8 95 1 002.1 5 850 6.90 ≤31.0 4 冬季工况 13.9 73 1 019.8 5 850 8.33 ≤22.0 
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表 2 两种塔型的工艺设计初步参数
Table 2 Preliminary process design parameters of two types of towers
参数 项目 常规塔 高位收水塔 备注 性能参数 单台冷却水量/(q·m−3·h−1) 5 850 5 850 — 水温降/°C 6.9 6.9 — 出塔水温/°C 31 31 性能保证工况 26 26 年平均气象条件 风机直径/m 10.4 10.4 — 配用电机功率/kW 250 250 高位收水塔总的通风阻力与常规塔相比整体相当或略有降低，暂按相当考虑。 塔型参数 单塔平面尺寸/m 20.5×21.5 20.5×21.5 — 进风口高度/m 8.8 8.8 — 配水管高度/m 12.1 15.2 由于布置高位收水装置，高位收水塔需总体抬高。
两个方案冷却塔出风口均设置混凝土隔声墙。风机平台高度/m 17.6 21.8 塔总高度/m 25.6 29.8 单塔本体占地面积/m2 441 441 不含进风消音器 冷却塔区域总占地面积/m2 12 184 9 225 含冷却塔、进风消音器、水池、循环水泵房
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表 3 两种塔型方案经济对比
Table 3 Economic comparison of two tower schemes
序号 项目 常规塔 高位收水塔 备注 1 初期投资（万元） 0 1 240.0 — 1.1 高位收水装置造价 0 1 920.0 高位收水塔增加收水装置 1.2 冷却塔土建造价 0 920.0 高位收水塔需整体加高约4 m，因新增集水槽需加大梁柱。仅取消地下集水池。 1.3 循环水泵造价 0 −200.0 高位收水塔配套的循环水泵扬程降低，电机及变频器功率降低。 1.4 其他辅助设备造价 0 −40.0 循环水前池取消了平板滤网及电动葫芦，以及循泵房取消了排水泵。 1.5 循环水管造价 0 −330.0 高位收水塔配套的循环水管比常规塔配置的短约340 m。 1.6 循泵房土建造价 0 −350.0 高位收水塔配套的循环水前池和循泵房土方开挖工程量大幅减少，但需增加
循环水前池地上布置以及循泵房地上部分加高的工程量。1.7 降噪造价 0 −680.0 高位收水塔配套的进风口消音器工程量减少。 2 年运行总费用（万元） −281.6 — 2.1 循环水泵功耗电费 0 −361.6 按成本电价0.496元/(kW·h)计，年利用小时数3 300 h。 2.2 冷却塔检修维护费用 0 80.0 高位收水塔检修维护工作量较大，按高位收水塔的比常规塔高5万/年考虑。 3 年费用值（万元） 0 −93.1 按DL/T 5339-2018《火力发电厂水工设计规范》规定投资回收率取10%，
大修费率取3.5%，年固定分摊费率15.2%。
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