双曲线自然通风冷却塔效率下降原因及应对措施

马岩昕，马 越，潘乃宏

(1.黑龙江华电齐齐哈尔热电有限公司，黑龙江齐齐哈尔161000;2.黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨150030)

某公司自投产以来，经过多年生产运行，存在双曲线冷却水塔冷却效率下降、机组凝汽器真空值偏低等问题，直接影响机组循环热效率。因此，本文运用数据采集及效率计算，分析了高效淋水填料、新型喷溅装置对冷却水塔经济性的影响，并对冷却塔运行中存在的问题采取了相应的解决措施，降低了燃煤成本，提高了经济效益。

1 冷却水塔概况

某公司2台机组分别配备1个自然通风逆流湿式冷却塔。冷却塔冷却面积为4 000 m2，进风口高度为7.3 m，填料底标高为8.05 m，顶标高为9.3 m，塔总高为105 m。当地环境气压冬季平均为100.46 kPa，夏季平均为98.77 kPa;年平均气温为3.2℃，极端最高温度40.1℃，一月份平均气温为－19.5℃，七月份平均气温为22.8℃;一月份和七月份的相对湿度分别为71%和73%;夏季平均风速为2.8 m/s，冬季平均风速为3.2 m/s。冷却塔填料为双斜波，填料厚度为1.25 m，配水形式为管式配水。

1号冷却塔和2号冷却塔几何结构尺寸如图1所示。

图1 冷却塔结构几何尺寸

2 数据采集及效率计算

1号机运行数据采集如表1所示。

表1 1号机运行数据采集

由表1可知，1号塔夏季出塔水温普遍在30.3℃以上，比七月份平均气温高8.5℃，比七月份湿球温度高12℃以上。这表明1号机冷却塔冷却能力不足。

2.1 无侧风条件下热力性能计算

冷却塔原设计填料为等高度布置，填料类型为双斜波淋水填料(材质为PVC塑料填料)。夏季典型工况(7月13日):机组负荷228 MW，当地环境温度为29℃，凝结水流量643.23 t/h，循环水流量为34 300 m3/h，循环水进塔水温为37.8℃，循环水出塔水温为30.3℃。

基于上述条件，结合冷却塔几何结构尺寸及填料特性，首先在无侧风条件下，对该冷却塔热力性能及其空气动力场进行计算分析，并根据该计算结果分析了塔内空气流速和冷却水水温的分布规律［1］。经计算得知，无环境自然风条件下该塔出塔水温为30.402℃，与实测相差0.102℃，偏差小于常见测温仪表的测量误差(0.2℃)，相对偏差仅为塔内冷却水实测温降的1.36%。这表明所建冷却塔热力性能三维数值计算模型可实现该塔热力性能的准确计算。

冷却塔在无环境自然风影响时，冷却塔雨区横截面空气动力场和水池水面水温场呈周向均匀分布。在塔内外空气密度差所形成抽力的驱动下，空气高速流入塔内;在冷却塔雨区内，受下落雨滴的阻力和空气向上的转向分流影响，雨区空气流速沿径向逐渐减小。经分析，塔中心位置的空气流速较低，而水池中央位置的冷却水温度较高，这说明外界冷空气很难进入塔中心位置，以致塔中心位置换热较差，使总体出塔水温升高。

考虑到冷却塔内空气动力场和水温场分布的周向均匀性，可通过某一径向空气参数和冷却水参数的分布，分析塔内气－水两相传热传质强度沿径向的分布。以填料区z=8.7m径向直线为基准，分别分析了空气流速、空气温度、空气量和水温等的径向分布。

填料区外围空气流速较大，内围空气流速较小;外围空气温度较低，内围空气温度较高;外围空气含湿量较小，内围空气含湿量较高;外围水温较低，内围水温较高。

以水池水面径向直线为基准，分析了水温的径向分布。可得出外围水温较低，内围水温较高。

在无环境自然风影响时，冷却塔内围换热较充分，内围上升空气是温度较高、含湿量较大的湿热空气，表明内围上升空气得到了充分利用。外围空气流速较大，空气温度和含湿量相对较小，表明外围空气的吸热吸湿能力未被充分利用。由水温的径向分布可知，外围水温低，内围水温高。因此，外围水温低的主要原因是外围空气流速较大，对流换热系数较大，同时外围上升空气还有一定的吸热、吸湿能力。

2.2 环境自然风热力性能的影响

由于冷却塔长期工作在外界环境中，环境自然风时刻影响冷却塔的性能，因此有必要对侧风条件下冷却塔性能的变化做出量的分析。可利用三维冷却塔热力计算程序，分析计算外界侧风影响下冷却塔的空气动力场以及热物理参数的变化规律［2］。

在环境侧风影响下，雨区横截面空气动力场不再呈轴对称分布，其周向均匀性受到破坏，迎风侧空气流速较大，背风侧空气流速很小，外侧空气几乎沿平行于X轴的方向穿过雨区，在雨区侧后方形成空气出流区域，降低了塔内通风量，使填料区和配水区传热传质强度降低。由于空气流场周向均匀性被破坏，导致水池水面水温度场不再呈轴对称分布。夏季在3.2 m/s平均自然风速条件下，循环水出塔水温相对于无环境侧风影响增加了1.35℃。环境自然风对冷却塔性能的劣化机理主要是环境自然风破坏了冷却塔进风口周向进风的均匀性，改变了冷却塔内外空气动力场的轴对称性，造成冷却塔进风量的降低，从而弱化了冷却塔的整体热力性能。因此，在侧风条件下，须改善冷却塔进风口空气动力场，提高冷却塔进风口周向进行的均匀性，实现冷却塔通风量的增大;在较大的环境自然风速条件下，减小空气出流区域所形成的穿堂风，增大冷却塔纵向通风量。冷却塔通风量的增大，可有效提高塔内气水比，实现塔内气－水两相间传热传质的强化，并最终实现出塔水温的降低。

3 冷却塔运行中存在的问题及采取的措施

根据上述分析可知，1号机冷却塔存在冷却能力不足的问题。结合无环境自然风条件下冷却塔冷却性能的计算分析以及现场巡检，发现1号机冷却水塔效率下降，主要存在以下问题:

1)塔内空气动力场不均，导致塔内气水比不均，使塔内围空气量较少，冷却能力不足。塔外围空气流量较大，填料上方空气参数较低，空气冷却能力未被充分利用。

2)现有填料为双斜波、S波填料，其板间距较大，存在热力性能较低、阻力特性较大的缺点。

3)填料托架部分断裂、变形。

4)喷头喷溅不均。

5)收水器部分损坏。

6)循环水泵入口水温度高、凝汽器真空低(机组在夏季经常因为真空过低而带不满负荷)、主机润滑油温度高(在负荷270 MW时，达到46℃)、水环真空泵冷却水温度高，造成真空泵出力下降，从而近一步影响了机组的真空［3］。

3.1 应用高效淋水填料

采用新型小板间距高效填料(GXT－27型)，其特点如下:

1)填料板间距为27 mm。相比目前国内填料市场的通类板间距，增大了10%～20%的气－水结合面积。

2)波形更为优化。该填料的波形充分考虑塔内空气流场及填料的阻力特性，在增大气－水结合面积的同时，使通风阻力下降。

3)对胶球系统有很好的适应性。某公司循环水系统使用的胶球直径大多数为25 mm，吸水后直径也不超过26 mm，该板间距可保证现有胶球很好的通过性。

4)该型高效填料在增大了传热传质面积的同时，强化了淋水在填料板表面的附着度，减少了板间存在的大尺度水流，增大了板间有效通风面积，实现了通风阻力的下降。

经试验表明，该型高效斜折波淋水填料，在λ=0.5～0.8常见气水比工况下，可将冷却数提高10%以上，将填料容积散质系数提高5%，将通风阻力减小到90%。

原类型旧填料更换为新填料，可使冷却塔出塔水温降低1.1～1.3 ℃［4］。

3.2 填料布置优化

针对现有填料效率较低、通风阻力较大的特点，结合1号机组塔型尺寸及设计工况，优化填料选型。建议采用高效新型填料，并在填料优化选型基础之上，对1号机冷却塔填料布置进行优化，提高1号机冷却塔整体冷却性能［5］。

无环境自然风时，冷却塔外围水温最低值为29.2℃，与其冷却极限环境空气湿球温度25℃尚有4～5℃之差，这给外围循环水的进一步冷却提供了空间。为充分利用外围上升空气的吸热吸湿能力，进一步对外围循环水进行冷却，可增大外围填料厚度。

对比外围循环水温，内围水温较高，空气流速较低，内围空气的吸热吸湿能力得到充分利用。为强化内围换热，进一步对内围循环水进行冷却，可考虑通过减小内围填料厚度来降低内围上升空气阻力，从而增大内围空气流速，实现内围循环水的进一步冷却。

该厂冷却塔填料原设计为等高度布置，运行中存在填料分布和填料空气动力场匹配不当的问题，使外围进塔空气的吸热吸湿能力未能充分利用，影响到外围循环水的进一步冷却;同时，内围存在空气不足的问题，影响到内围循环水的冷却。因此，有必要在更换填料的基础上，优化填料布置，以实现填料分布和填料内空气动力场的良好匹配。

通过上述分析，初步得到填料非均匀布置方案，即增大外围填料厚度、减小内围填料厚度。

考虑塔内气水流场、温度场及其含湿量场之间的匹配问题，结合典型工况对填料进行优化布置，实现填料高度沿径向由内而外由1.0 m增大为1.5 m。同时，对配水喷嘴进行选型优化，确保配水喷嘴喷溅均匀性。

在夏季典型工况下，无环境自然风影响时，采用填料非均匀布置方案后，水池水面外围水温最高值下降约0.72℃，外围水温最低值下降约0.36℃。水温沿径向增加的斜率明显减小，内围水温平均下降0.41℃。这表明填料非均匀布置方案，可改善冷却塔冷却性能，使得水池水面水温平均值即出塔水温相对于填料均匀布置方案下降了0.53℃。

3.3 采用新型喷溅装置

原有喷溅装置为比较落后的XPH型，主要表现在喷洒半径小、水滴居空时间短、喷洒均匀性不够。

现采用TP－Ⅱ型喷溅装置，该型喷溅装置靠四周喷溅装置，相互交叉配水，在溅水时形成水滴上抛落下，使水滴进行了两次冷却。该型喷溅装置的溅水均匀分布系数较小，平均值不大于0.152，溅水均匀性好，溅散半径(约为2.1 m)、流量系数、流量特征数也较大。

4 冷却塔改造后经济分析

由于凝汽器入口冷却水温降低与热效率的增大成反比关系，因此冷却水的温度每降低1℃，可导致机组热效率增大0.35%。

某公司冷却塔采用非线性优化技术进行填料布置方式优化后，在无环境自然风条件下，可使出塔水温下降0.53℃;Vc=2.8 m/s的典型自然风风速条件下，可使出塔水温下降0.5℃。

在采用新型高效淋水填料、填料非均匀布置方案后，在无环境自然风和2.8 m/s环境自然风之间，可使出塔水温降低1.6～1.8℃，带来约1.4 g/kW·h的冷却效益。在冷却塔年运行小时数5 000 h时，可节约标煤2 100 t左右，按标煤价格为700元/t进行计算，则年节约运行费用147万元左右。

5 结论

1)缩小填料板间距，增大填料内淋水附着度，能够增大填料区单位体积内气水两相传热传质面积，减小填料内大水流下落运动，降低填料板间通风阻力，优化填料总体性能。

2)新型喷溅装置具有喷洒半径大、无交叉死区、喷洒均匀性好、水滴居空时间长等优点。

3)冷却塔改造投资317.2万元，可降低煤耗约1.4 g/kW·h，年节省燃煤成本约147万元，投资回收期2 a左右，经济效益明显。

［1］史佑吉.冷却塔运行与试验［M］.北京:水利电力出版社，1990.

［2］赵振国.冷却塔［M］.北京:中国水利水电出版社，1997:41－78.

［3］胡三季，陈玉玲，刘廷祥，等.不同高度淋水填料的热力及阻力性能试验［J］.工业用水与废水，2005，36(1):76 －77.

［4］胡三季，陈玉玲.工业冷却塔与模拟试验塔验系数的相关关系［J］.热力发电，2005，34(12):72 －73.

［5］曹伟.冷却塔冷却效率低的原因分析及处理［J］.华电技术，2009(9):65－66.

［6］邵和春.汽轮机运行［M］.北京:中国电力出版社，1997.