提高冷却塔效率的可调引风换热和填料差异化布置技术

戴 军， 邹晓辉， 徐厚达， 王 伟， 张佳伟

（1.中国华电集团江苏分公司，江苏南京 210000；2.华电电力科学研究院，浙江杭州 310030）

0 引言

火力发电以朗肯循环为基础。燃料在锅炉中燃烧放出热量，水在锅炉吸热成为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功，做功后的乏汽被排到凝汽器冷凝，向循环冷却水放热，携带废热的冷却水再通过冷却塔将热量传给环境空气。电厂凝汽器的低温状态由循环冷却水系统来保证，因此循环水的冷却在电力生产中至关重要。冷却塔就是通过空气与水之间的传热和传质将循环水冷却的设备。

冷却塔性能的好坏对火电厂运行的经济性和稳定性有很大影响。冷却塔换热能力低或者运行不稳定，进入凝汽器的冷却水温便会升高，使机组真空、热耗指标变差，降低机组带负荷能力；寒冷季节，冷却塔外围换热较强形成冰帘，造成填料、托架的损坏，使冷却塔通风变差、换热能力下降。

在不考虑冷却塔设计与机组运行因素的前提下，影响冷却塔换热效率的主要因素：1）配水管路堵塞及喷水蝶阀故障等造成的布水不均匀；2）环境风速、温度的造成的塔内流场的不均匀性；3）填料损坏或存在杂物造成液膜厚度差异等。目前，冷却塔的研究主要集中在数值模拟[1～5]，通过各种算法模拟冷却塔内部温度场及风速场，寻求通过改变塔内流场达到提高冷却塔换热效率的目的。冷却塔的节能多集中在优化喷淋装置[6，7]，采用淋水特性好的喷淋装置提高塔内淋水均匀度。上述研究为提高冷却塔换热能力起到了积极的推动作用，但目前研究中很少涉及冷却塔分区域控制，不能根据环境风向、风速变化实现流场控制，冷却塔进风量不能有效调整，冬季挂冰严重，冷却塔性能尚有较大的提升空间。

本文在深入分析冷却塔设计和运行条件的基础上，研究冷却塔强化换热的途径，提出一种可调引风换热和淋水填料差异化布置技术，以提高冷却塔换热能力，通过数值模拟和工程应用，验证本文方法的有效性。

1 可调引风换热装置

目前冷却塔均为自然通风方式，冷却塔内部配风方式受环境风和电厂冷却塔布局有关，通过人为方式无法进行改变。在冷却塔外围加装自动启闭式挡风装置，根据环境条件改变引风板的开启数目与角度，改变塔内的配风方式，使水膜厚度、落水时间及风速相配合，强化冷却塔换热效果，同时通过控制进风量解决冬季冷却塔挂冰现象，提高机组运行安全性，降低填料更换频率，节省填料维护成本。

在不破坏原冷却塔结构（老塔改造工程中）及不影响冷却塔正常运行为前提，挡风装置安装不增加原塔的通风面积阻力，在夏季可调引风装置无需拆除，保证冷却塔的运行效果。1）人字柱在水池壁外。以距地面人字柱外边缘大于1000㎜为圆心的地面为基点；2）人字柱在水池壁内。以距水池外壁的地面为基点。垂直于地面，高于进风口高度，通风面积大于原冷却塔通风面积的基础上形成“□”框架结构，设四层引风板。“□”框架与冷却塔塔筒之间用与水平成8°～10°的顶棚覆盖阻止冬季进风。

挡风装置的结构由框架式钢结构部分、引风板、机械传动机构、顶棚钢结构、顶棚板五大部分组成。

引风板的技术要求如下：

1）引风板材质为新型合聚型的高分子材料，经双螺杆挤出机一次挤出成型。结构尺寸稳定，机械强度高；2）引风板承载力为650N/m2，跨中挠度小于等于1/120；经纬向抗弯强度大于等于32MPa；3）外形平整，表面色泽均匀，无分解变色线，光滑，无裂纹及气泡等缺陷。其立面布局和单元结构如图1和图2所示。

顶棚板的技术要求如下：

1）顶棚板采用玻璃钢夹钢薄板厚度δ为4mm，以加强其刚度，确保其能承受塔顶冬季挂冰坠落而不损坏。其制作主材为不饱和聚酯树脂和中碱或无碱玻璃纤维布；2）顶棚板承载力为650N/m2，跨中挠度小于等于1/120，经纬向抗弯强度大于等于150MPa；3）外观：外形平整，表面色泽均匀，光滑，无龟裂、分层气泡等现象。

通过蜗轮蜗杆减速器手动，由输出轴上的链轮带动链条将运动传递到挡风装置底层的主轴链轮上，链轮带动主轴旋转。由于引风板、主轴、链轮和传动连杆连接板的位置相对固定，因此引风板和传动连杆连接板作旋转运动，传动连杆连接板带动连杆作曲线运动，传动连杆通过带动引风板下层的各传动连杆连接板带动引风板上层各转轴作同步的旋转运动，实现单元内同层的引风板作同步旋转运动。此次引风板改造，关、闭选择上层、下层单独执行操作，中间二层同时执行，从而实现引风板根据季节变化，灵活操作控制。现场应用情况如图3和图4所示。

2 冷却塔热力和空气动力计算方法选取

冷却塔的热力计算方法可分为两类。一类是根据冷却塔内水和空气之间的传热传质，按蒸发冷却理论推导出来的理论公式计算法；另一类是按经验公式计算法。目前世界各国多采用理论公式计算法，且基本采用焓差法。

2.1 传统一维热力和空气动力计算方法

该计算方法前提条件：塔内淋水填料高度相同；在填料的全断面配风、配水均匀。该计算方法没有考虑淋水密度、雨区高度、配水系统形式以及风速等因素的影响。该方法获得的塔总阻力较实际偏高约10%～40%，大部分偏高15%～25%。

其热力和空气动力计算采用的计算公式为：

总阻力系数：

式中 g—重力加速度，m/s2；

ρ1，ρ2—进、出塔空气密度，kg/m3；

He—塔筒的有效抽风高度，取淋水填料中部至塔顶的高差，m；

P—塔的总阻力，Pa；

ξ—塔的总阻力系数；

ρm—进塔和出塔的空气平均密度，kg/m3；

Vf—填料断面的平均空气流速，m/s；

D1—塔进风口平均直径，m；

Hi—进风口高，m；

Fm—淋水填料顶面塔内壁包围的面积，m2；

Fe—塔出口面积，m2；

ξf—淋水填料的阻力系数；

ξe—除水器阻力系数。

2.2 修正一维热力和空气动力计算方法

该方法前提条件为：塔内淋水填料高度相同；配风、配水均匀；考虑雨区二维气流流场特点及实际工业塔的雨区散热能力；采用考虑雨区二维流场的阻力计算公式计算塔的阻力；把模拟试验塔试验得到的淋水填料冷却数方程进行修正，从中减去模拟塔雨区尾效部分，同时加上实际工业塔的雨区尾效散热。修正一维计算方法采用的计算公式为：

模拟塔雨区高度为1.5m，雨区冷却数方程为：

对于塔的填料底部内径D=60～110m，进风口高度为Hp=5.75～11m（约为淋水面积3000～9500m2），进风口相对高度ε=0.38～0.40，不同高度的冷却数可按下式计算：

塔抽力：Hnd=Heg（ρ1-ρ2）

总阻力：p=ξρmV/2

总阻力系数：ξ=ξ1+ξ2+ξ3

式中 ξ1—从塔的进风口至塔喉部的阻力系数（不包括雨区淋水阻力）；

ξ2—淋水时雨区阻力系数；

ξ3—塔出口阻力系数；

ε—进风口相对高度，即塔进风口面积（按进风口上沿直径的进风环向面积）与进风口上缘塔内面积之比；

D—淋水填料底部塔内直径，m；

q—淋水密度，m3/（h·m2）；

Vm—填料断面的平均风速，m/s。

2.3 二维数值模拟热力和空气动力计算方法

传统一维计算方法，适用于计算塔筒几何尺寸较小，塔内淋水填料高度相同，在填料的全断面配风、配水均匀的情况。实际上塔内的气流速度分布并不均匀，而且在淋水填料底部至冷却塔贮水池水面之间的雨区中气流是二维流动。采用二维数值模拟计算方法对冷却塔进行配水配风的优化设计计算是十分必要的。二维优化计算不仅较真实的反映了冷却塔的冷却能力，可以在不改变冷却塔尺寸的情况下降低出塔水温，提高冷却效果，从而提高发电能力，或者在较小的冷却塔尺寸的情况下满足冷却要求。二维计算方法虽然较为精确，但是计算工作甚为复杂，计算工作量大，计算周期长，一般一个塔型计算需时一个月以上。

2.4 不同计算方法性能分析

某电厂自然通风冷却塔，净淋水面积F为9075m，塔高H为150.1m，进风口高Hi为10.0m，喉部高Hu为12.48m，喉部直径Du为66.5m，塔顶直径Dout为71.17m，进风口上沿直径Ds为110.72m。管式配水，喷头为XPH型，除水器为BO-42/145，淋水填料为双向波，高1.0m。塔的冷却水量Q为70 900m3/h，冷却水温差Δt为8.67℃，大气压力Pa为99.75kPa，干球温度θ为30.57℃，相对湿度Φ为0.64。按上述条件采用传统一维、修正一维和二维方法计算的冷却水温见表1。

表1 不同计算方法与实测冷却水温比较

由表1可知，修正一维和二维计算方法的计算结果与实际测试结果基本相当，而传统一维计算方法有较大误差。冷却塔二维数值模拟计算方法计算复杂、计算周期长、费用较高，鉴于修正一维和二维方法的计算结果与实际测试结果基本相当，故本文采用修正一维计算方法进行冷却塔的数值模拟。

3 冷却塔填料差异化布置技术

通过冷却塔现场观察及分析冷却塔的换热机理可以发现，由于冷却塔面积大，假定喷水蝶阀完全一致的前提下，沿冷却塔半径方向上淋水密度依然会存在差异，目前广泛采用的淋水填料的等高布置方式未考虑该部分影响。本文充分考虑塔内淋水密度差异，优化淋水填料布置厚度，采用沿冷却塔径向划分区域，不同区域采用不同厚度的淋水填料方式，使得填料的水膜厚度与落水时间相匹配，使换热效果最大化。

3.1 淋水填料优化布置方式

冷却塔四周和塔内相比风量分布较大，为充分利用冷却塔四周风量分布较大的特点，冷却塔采取淋水填料分区布置，这样能充分发挥冷却塔外区淋水填料的冷却能力，调整冷却塔内淋水区域进塔空气气流的分布，使冷却塔的冷却能力得以进一步提高，针对冷却塔的实际情况，冷却塔淋水填料分内、中、外三个区域布置，淋水填料布置方式为：沿径向在0～16m范围内布置高度为1.0m淋水填料；沿径向在16～23m范围内布置高度为1.25m淋水填料；沿径向在23m～塔周范围内布置高度为1.0m淋水填料。

同时喷溅装置配水也采取和淋水填料对应的区域配水，这样加大外区的淋水密度，充分利用冷却塔外区的空气气流，达到最大限度的发挥淋水填料的冷却能力。

3.2 冷却塔数值模拟和结果分析

采用修正一维热力和空气动力计算方法进行冷却塔填料差异化布置的数值模拟。自然风风速为零时，计算域空气进口取压力入口边界条件，空气出口取压力出口边界条件，塔壁和地面取无滑移边界条件。填料层对空气运动的阻力作用，采用多孔阶跃模型实现。冷却水自配水面向下垂直进入计算域，取配水面冷却水参数为进塔冷却水的初始参数。

大气压力100.05kPa，环境干球温度25.5℃，环境湿球温度19.8℃，冷却水流量22763t/h，进塔水温度36.6℃，出塔水温度24.6℃。填料厚度1m，冷却塔淋水密度、塔内温度模拟结果如图5所示，工况计算总温降为12.78℃。

采用差异化布置后，冷却塔淋水密度、塔内温度模拟结果如图6所示，工况计算总温降为13.02℃。

4 实际应用及结果分析

表2 改造前后冷却塔指标对比

某电厂4号汽轮机是由武汉汽轮电机（集团）有限责任公司设计制造，为N150-13.24/535/535型、单轴、双1.5%～2%，含氮分6%计算，改造后机组年二氧化碳排放减少4125t，年减少SO2排放约45t，年减少NO2排放222t，对减轻环境压力具有重要意义。

5 结语

本文提出的可调引风换热和淋水填料差异化布置技术，可以根据负荷、环境温度、环境风速和风向的变化，调整冷却塔进风量，实现淋水密度、落水时间、进风量等参数的最佳匹配，冷却塔冷却能力得到明显提高。该技术通过引风装置进行分区域控制，实现了冷却塔内流场可控；在可调引风装置顶部与冷却塔之间设置顶棚，形成换热缓冲区，通过调节引风装置开度及数量，有效防止了冷却塔外沿冬季结冰；突破了传统的淋水填料等高布置方式，结合淋水密度分区域布置合适的淋水填料厚度，使水膜与落水时间相协调，实现了冷却水在淋水填料上的充分换热。通过在150MW冷却塔的实际应用，冷却塔冷却能力提高了约7%，机组供电煤耗降低了约1.5g/（kW·h），取得了较好的节能效果。缸双排气、超高压、一次中间再热、凝汽式汽轮机。机组冷却塔改造前效率为91.72%，比设计值99%低7.18%。

将本文提出的可调引风换热和淋水填料差异化布置技术在该机组上进行应用实施，改造后冷却塔的性能指标见表2。由表2可知，冷却温差增加了0.27℃，效率系数提高了1.61，通风量增大了284kg/s，改造后冷却塔整体冷却效果得到了有效提升，说明通过可调引风换热和淋水填料差异化布置强化了塔内的整体传热传质，达到了增强冷却效果的目的。

改造后冷却塔效率达到99%，较改造前提高了7.18%，机组供电煤耗降低了约1.5g/（kW·h），假定机组年利用小时数为5000h，机组年节煤量为1125t，标煤单价为800元/t，机组因节煤带来的经济收益约为90万。同时，该方法可有效控制循环水飘冷引起的水损失，降低我国在运火电机组平均耗水率，达到节水的效果，使得国内机组平均耗水率由目前的1m3/（GW·h）向发达国家的0.73m3/（GW·h）靠近。以年节约标煤1125t，进炉煤含硫分

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