自然通风冷却塔增加内区风力技术改造的探讨

陈建东，周文胜，陈军

（1.中国华电集团有限公司福建分公司，福建 福州 350001；2.福建华电永安发电有限公司，福建 三明 365001；3.常州市佳瑞塑料制品有限公司，江苏 常州 213175）

火电厂自然通风冷却塔的冷却性能和冷却能力能够直接影响到电厂机组运行的经济性、稳定性和安全性。福建华电永安发电有限公司准备对一座5500m²双曲线型逆流自然通风湿式冷却塔内部部件进行局部优化：在局部区域修复淋水填料、除水器等部分老化部件的基础上，进一步对冷却塔塔芯其他部件进行优化，即淋水填料层采用不等高优化布置、传统喷溅装置更换为雾化效果更好的节能旋转型喷溅装置、冷却塔下部加装增加进风量的导风管，以实现淋水填料分布和淋水填料层内空气动力场的良好匹配，实现冷却塔整体热力性能的最大化，同比运行条件下冷却塔出塔水温预计降低1～1.5℃。

1 自然通风冷却塔改造方法

福建华电永安发电有限公司本次进行冷却塔改造的计算方法：修正的热力和空气动力计算方法。

这种计算方法是建立在塔内淋水填料高度相同，配风、配水均匀的前提下，考虑到了雨区气流流场特点及实际工业塔的雨区散热能力。修正传统算法的流体流动模式为填料区和填料以上的喷淋区，雨区。除了采用考虑雨区流场的阻力计算公式计算塔的阻力外，还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。修正后的计算方法采用的计算公式为：

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。

不同高度的冷却数按下式计算：

塔抽力：Hnd=Heg(ρ1-ρ2)

总阻力系数：ξ=ξ1+ξ2+ξ3

福建华电永安发电有限公司对本工程采取此种计算方法的原因：现在火电厂使用的冷却塔，每个冷却塔都有自己独立的特点，修正的热力计算和空气计算方法是建立在塔内淋水填料高度相同，配风、配水均匀的前提下。

考虑到了雨区气流流场特点及实际工业塔的雨区散热能力，修正的热力和空气动力计算方法是在对冷却塔雨区热力特性研究的基础上,进行了逆流式自然通风冷却塔的轴对称二维热力计算,计算了淋水分布等几个参数变化对冷却水温的影响,并给出了在均匀布水的条件下,用简单的一维计算替代复杂的轴对称二维计算的方法,为设计提供了一个既简单又精确的计算方法。计算水温和工业塔实测结果非常一致。

修正传统算法的流体流动模式为填料区和填料以上的喷淋区，雨区。除了采用考虑雨区流场的阻力计算公式计算塔的阻力外，还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。所以，此种计算方法更加简单和精确。

2 技术改造措施

2021年3月份福建华电永安发电有限公司对5500m²自然通风冷却塔进行了性能优化改造，这次改造的主要内容是：①将塔内损坏的淋水填料进行更换，并将淋水填料优化为不等高方式布置；②更换塔内全部喷溅装置。对喷溅装置的喷嘴流量根据风水配比的原理进行优化计算，重新进行优化布置，使冷却塔内各区间的淋水密度与气流流场及流速分布相匹配吻合；③为增加冷却塔内区的风力和风量，加装冷却塔导风管，增大和增加内区的风力和风量，使冷却塔塔内区能更好的进行风水配比。

通常情况下，冷却塔内区域即使有自然的抽风，其风力和风量也被经淋水填料下来的雨雾阻拦，内区的风力和风量逐渐减弱，福建华电永安发电有限公司的技术人员经过缜密的思考和研究，通过一种新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，利用导风管进风，增加内区风力，加大内区风量来解决这一难题，增加了冷却塔内区的风力和风量。

（1）新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，其在冷却塔的塔体底部进风区设置若干根导风管，导风管的进风口延伸至塔体的外侧，导风管的出风口延伸至冷却塔的塔体内区，并且导风管由导风横管和导风竖管两部分组成，在塔体内区通过导风竖管将出风口竖向向上延伸一段距离，使冷却塔外部的空气能够经过导风管向上引导至冷却塔的内区，大大提高了冷却塔内区的进风量，增强了冷却塔内区的换热效率，强化了冷却塔的冷却能力，使自然通风逆流式冷却塔更加节能高效。

（2）新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，其导风管的直径为800mm，导风管的导风竖管高度为500mm，使导风管向冷却塔内区的风力引导效果更好，同时兼顾了大直径导风管的制造难度，降低了传统自然通风冷却塔的改造成本。

（3）新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，其导风管的导风横管底部设有若干排水孔，能够方便落入导风管内的循环水快速排出，防止导风管内部积水而影响进风；排水孔的孔径不大于50mm，在兼顾了排水效果的情况下，也有效避免了因排水孔开孔过大而引起导风管侧壁漏风的问题。

（4）新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，其导风管由直管和弯管拼接而成，直管的一端具有内径与另一端外径相适配的直管扩径段，导风横管由若干节直管首尾拼接而成，弯管的一端具有内径与另一端外径相适配的弯管扩径段，弯管的弯管扩径段与直管的端部拼接形成向上延伸的导风竖管，采用上述直管和弯管拼接形成导风管，结构简单，制造和施工更加便捷。

（5）新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，其导风横管沿冷却塔塔体底部的支撑立柱安装，且导风横管通过不锈钢支架固定于支撑立柱上，利用原有支撑立柱固定导风管，使导风管安装固定更加简单方便；不锈钢支架包括定位环、支撑柱、锁紧箍和锁紧螺母，不锈钢支架耐腐蚀性强，使用寿命长，且结构简单，锁紧牢固稳定。

（6）新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，其导风管在冷却塔塔体底部的四个象限区内分别设有三根，导风管的导风竖管靠近冷却塔的中央竖井，采用上述导风管布置结构，不仅方便了导风管的安装和布置，而且能够最大化地增强冷却塔内区的进风量，提高冷却塔的冷却能力。

（7）新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，其在原有自然通风冷却塔的基础上设置了自然通风冷却塔内区风力增强装置，大大提高了自然通风冷却塔中心区域的进风量，改善了冷却塔中心区域的冷却效果，提高了自然通风逆流式冷却塔的整体冷却效率。

示意图中的标号说明：1、塔体；A1、第一象限区；A2、第二象限区；A3、第三象限区；A4、第四象限区；1-1、中央竖井；1-2、进水方沟；1-3、除水器；1-4、淋水填料装置；1-5、支撑立柱；1-6、集水池；2、导风管；2a、导风横管；2b、导风竖管；2-1、直管；2-1a、直管扩径段；2-1b、排水孔；2-2、弯管；2-2a、弯管扩径段；2-3、定位环；2-4、支撑柱；2-5、锁紧箍；2-6、锁紧螺母。

图4 自然通风冷却塔内区风力增强装置中组成导风管的弯管结构示意图

现场具体的实施方案：

结合图1所示，一种新型的自然通风冷却塔内区风力增强装置，包括安装于塔体1内的若干根导风管2，导风管2沿径向布置于塔体1底部的进风区，且导风管2的进风口延伸至塔体1的外侧，导风管2的出风口延伸至冷却塔的塔体1内区，塔体1外侧的空气能够经过导风管2引入塔体1的中心区域，进而增强冷却塔内区风力。在本实施方案中，上述的导风管2包括导风横管2a和导风竖管2b，导风横管2a沿冷却塔径向水平固定于塔体1的进风区内，导风竖管2b的下端与导风横管2a伸入塔体1内区的一端相连接，将导风管2的出风口竖向向上延伸。与现有冷却塔导风管设计不同，本实施方案中将导风管设计为导风横管和导风竖管两部分，在塔体内区通过导风竖管将出风口竖向向上延伸一段距离，使冷却塔外部的空气能够经过导风管向上引导至冷却塔的内区，大大提高了冷却塔内区的进风量，增强了冷却塔内区的换热效率，强化了冷却塔的冷却能力，使自然通风逆流式冷却塔更加节能高效。

图1 自然通风冷却塔内区风力增强装置在冷却塔底部的安装结构示意图

在本实施方案中，上述的导风管2的直径为800mm，导风管2的导风竖管2b高度为500mm。使导风管2向冷却塔内区的风力引导效果更好，同时兼顾了大直径导风管的制造难度，降低了传统自然通风冷却塔的改造成本。另外，由于导风管2的出风口位于冷却塔的中心区域，且出风口方向朝上，冷却塔雨区的循环水容易经过导风竖管2b落入导风管2内，因此，为了防止导风管2内部积水而阻碍进风量，在导风管2的导风横管2a底部设有若干排水孔2-1b，能够方便落入导风管2内的循环水快速排出，防止导风管2内部积水而影响进风；优选地，排水孔2-1b的孔径不大于50mm，如将排水孔2-1b的孔径设计为48mm，在兼顾了排水效果的情况下，也有效避免了因排水孔开孔过大而引起导风管侧壁漏风的问题。

如图3、4所示，在本实施方案中，导风管2由直管2-1和弯管2-2拼接而成，直管2-1的一端具有内径与另一端外径相适配的直管扩径段2-1a，导风横管2a由若干节直管2-1首尾拼接而成，弯管2-2的一端具有内径与另一端外径相适配的弯管扩径段2-2a，弯管2-2的弯管扩径段2-2a与直管2-1的端部拼接形成向上延伸的导风竖管2b。具体地，若干节直管2-1先连接形成导风横管2a，弯管2-2的弯管扩径段2-2a与导风横管2a远离直管扩径段2-1a的一端插接连接。弯管2-2的两端轴线相垂直，且弯管2-2的竖直段可直接作为导风竖管2b，当然，在弯管2-2的竖直段长度不足时，也可在弯管2-2的竖直段上接上一端短管作为导风竖管2b。采用上述直管2-1和弯管2-2拼接形成导风管2，结构简单，制造和施工更加便捷。

返回图1并结合图5和图6所示，上述的导风横管2a沿冷却塔塔体1底部的支撑立柱1-5安装，且导风横管2a通过不锈钢支架固定于支撑立柱1-5上，利用冷却塔原有支撑立柱1-5固定导风管2，使导风管2安装固定更加简单方便。上述的不锈钢支架包括定位环2-3、支撑柱2-4、锁紧箍2-5和锁紧螺母2-6，定位环2-3套设于导风横管2a的外壁上，能够提高导风横管2a的结构强度，防止导风横管2a变形，且定位环2-3的外侧设有环槽；支撑柱2-4固定于支撑立柱1-5上，且自由端与导风横管2a的管壁相抵，支撑柱2-4优选设置两根，使导风横管2a的管壁支撑在两根支撑柱2-4之间，提高导风横管2a的支撑稳定性；锁紧箍2-5为U形结构，锁紧箍2-5的中部绕于定位环2-3的环槽上，且锁紧箍2-5的两端分别通过锁紧螺母2-6固定在支撑立柱1-5上，通过锁紧箍2-5与支撑柱2-4即可将导风管2牢固固定在支撑立柱1-5上。上述的不锈钢支架耐腐蚀性强，使用寿命长，且结构简单，锁紧牢固稳定。

图5 自然通风冷却塔内区风力增强装置中导风管的不锈钢支架安装示意图

图6 自然通风冷却塔内区风力增强装置中不锈钢支架的侧视结构示意图

如图2所示，在本实施方案中，导风管2在冷却塔塔体1底部的四个象限区A1、A2、A3、A4内分别设有三根，导风管2的导风竖管2b靠近冷却塔的中央竖井1-1。即，冷却塔塔体1底部划分为第一象限区A1、第二象限区A2、第三象限区A3和第四象限区A4，第一象限区A1、第二象限区A2、第三象限区A3和第四象限区A4内分别设有三根导风管2，使导风管2在冷却塔塔体1底部均匀分布。采用上述导风管布置结构，不仅方便了导风管2的安装和布置，而且能够最大化地增强冷却塔内区的进风量，提高冷却塔的冷却能力。

图2 自然通风冷却塔内区风力增强装置中各个导风管在冷却塔底部分布结构示意图

接图1所示，本实施方案在原有自然通风冷却塔的基础上，设置了自然通风冷却塔内区风力增强装置，大大提高了自然通风冷却塔中心区域的进风量，改善了冷却塔中心区域的冷却效果，提高了自然通风逆流式冷却塔的整体冷却效率（图7和图8）。

图7 导风管现场安装照片

图8 冷却塔导风管增加内区风力和风量的运行图片

3 技术改造后效果

改造后，经华电电力科学技术研究院检测，见表1。

表1 冷却塔试验数据及计算结果汇总表

试验后的结论：福建华电永安发电有限公司5500m²自然通风逆流式冷却塔改造后冷却塔的冷却能力超过设计值（当冷却塔的实测冷却能力达到95%及以上时，应视为达到设计要求；实测冷却能力达到105%以上时，应视为超过设计要求），经测试该公司冷却塔单泵工况下实测冷却能力值为109.57%，双泵工况下实测冷却能力值为107.08%。双泵运行工况下，冷却塔修正后的出塔水温为31.09℃，较改造前降低1.85℃。取得了较好的效果。

本次冷却塔的技术改造，在保证机组安全稳定运行、延长机组使用寿命、节能降耗等方面，特别是对冷却塔新型技术改造方面有着重要的意义。