无填料喷雾冷却塔在大型火电机组中的应用

吴承刚

(中电投新疆能源化工集团 五彩湾发电有限责任公司，新疆昌吉 831799)

大型火电机组的辅机冷却水系统均设置机力通风冷却塔，主要是降低辅机循环冷却水温度，确保火电厂各类辅机设备可靠运行。目前国内大型火电机组均大量采用与主机水冷机组相似的填料喷雾型机力通风冷却塔(简称填料塔)，但近几年在化工项目、冶金项目的工业循环冷却中试采用无填料喷雾型机力通风冷却塔(简称无填料塔)。笔者以新疆五彩湾某660 MW级火电项目为例，对两种辅机冷却方式进行研究分析，从而确定设备选型方案。

1 填料塔与无填料塔的对比

传统的填料塔是将循环被加热的水喷洒在塔内的填料上，形成水膜，通过水膜与空气的交换将热水冷却。经过多年应用实践，该类型冷却塔冷却效果能充分满足火电厂正常的生产使用要求，在设备及填料正常情况下机组运行较可靠。但也存在一些问题：首先，在填料选择上存在通风阻力与散热能力的矛盾[1-2]，即散热能力好的填料通风阻力大，通风阻力小的填料水质散热能力又差，随着运行时间的增长，尤其是在水质恶劣的情况下，水中的钙镁无机盐及微生物不断黏附在填料上，堵塞填料而增大气流阻力，影响散热效果，使冷却能力下降；其次，填料塔多用塑料做填料，塑料的变形、压陷、老化，造成填料破碎并失去散热能力，堵塞管道，酿成事故，因而须要频繁更换填料，提高了运行成本；最后，在处理高浊度和易结垢的循环水时，冷却效率相对较高的薄膜填料表面易于黏附水中杂质和结垢并逐渐积聚下来，致使填料的亲水能力大幅下降，冷却效率随之降低，当积聚杂质达到一定程度时，填料本身不能承受这个重量，便出现填料断裂、塌陷现象[3]。

无填料塔突破了传统的填料塔设计思路，去除了冷却塔设备中的聚氯乙烯(PVC)填料部分，对塔内配水系统进行了重大改进，采用了全新开发的专用导向雾化喷头。该类型喷头采用蜗壳式导流腔作为冷却元件，取代了传统填料塔的填料和布水装置，使整塔几乎成为一个空塔，结构大大简化。能使循环水在导流腔内形成急速的旋流，再通过流线型雾化喷嘴旋喷出来，形成独特的雾化效果，上喷的雾化水滴在上升、回落过程中与冷空气在无填料的情况下进行正常的水气热交换，从而达到循环水降温冷却的目的。无填料塔将雾化装置安装在进风道上方，水的喷射方向与轴流风机抽吸的冷风同向，同时水有上升、下降及悬浮三个过程，冷却也有顺流冷却和逆流冷却两个过程。无填料塔因填料取消，使塔体载荷大大减小，无需更多的支承梁板，土建结构简化，节约土建投资。无填料塔为一排布置、单侧上水、双面进风。中空式无填料塔由于去除了常规塔的填料部分，从而避免了由于水质原因而导致的填料性能的下降和破坏，对处理高温、高浊度、易结垢循环水有着重要的意义，在中、高温循环水的处理中越来越广泛。冷却塔进行循环水冷却的关键是使水气进行充分的热交换，相对填料塔具有以下优点：

(1)因无填料，系统阻力小、气流风速大，静压约为填料塔的50%，同时气流量增大20%。

(2)采用雾化装置，使水以雾滴状与气流接触，并有先上后下两个过程，传热传质彻底；避免了由于填料结垢、长菌、生藻、黏泥，以及老化、变形、脆裂引起的堵塞、局部死区、沟流，进而避免了冷却分布不均匀现象。

(3)冷却水量大。在风机、塔体尺寸相同的情况下，水量比填料塔提高10%。

(4)运行费用低。因无填料，运行阻力小，雾化冷却效率高，自然通风好，冬季停开风机时间长，较填料冷却塔综合节能降耗25%。

(5)使用周期长，维修方便。喷雾冷却塔内部空间大，维修保养方便，根本上杜绝由填料问题所引起的填料层堵塞、局部死区、沟流、填料碎片堵塞而影响系统管道等设备性能的现象。

(6)运行稳定，机械噪声比填料塔降低6 dB。

2 无填料塔的基本特点

无填料塔在结构上可采用全钢结构和钢筋混凝土结构形式，均为逆流式、多塔一排布置、单侧上水、双面进风，见图1。中空式无填料塔由于没有填料，要达到热交换的目的，就必须使淋水段的水滴粒径足够小，从而尽可能增大水与空气的接触面积，采用上喷布置的切线进水喷头解决了这一问题，水滴粒径小于1 mm，布水情况良好，无中空现象，满足正常的水气热交换的要求[4]。

图1 无填料塔的典型布置示意

在北方，大部分为干旱多沙尘地区，循环水的水质较差，如使用填料塔，将会导致塔内填料滋生菌和藻类(填料是菌、藻类滋生的温床)，其尸体会沉积在填料表面上增加塔的载荷，而且老化、变形的填料会造成堵塞，产生的死区、沟流等导致冷却点温度分布不均匀，不利于热交换，这些都严重影响了塔的效果和寿命。另外，老化、变形的填料还会形成淤泥堆积在换热器表面，从而降低传热系数，降低了系统效率。同时填料脆裂后碎片堵塞系统影响生产。填料塔多用塑料做填料，塑料的变形、压陷、老化，造成填料破碎，失去散热能力，因而须要频繁更换填料，提高了运行维护成本。

虽然喷雾塔的喷口要求压力较有填料冷却塔的喷口要求压力稍高，但综合比较而言，尤其对处理冷却规模较大的塔，塔的总耗电比下降明显，经济效益显著。喷雾冷却塔喷头口径大，对于高浊度易结垢循环水喷头不易堵塞，具有明显的技术优势，特别适用于处理高温、高浊度、易结垢循环水，收水器上部安装变频风机，材质为玻璃钢的机翼型叶片，风机配套减速器，与填料塔类似。风机外观仍然采用聚酯树脂和玻璃纤维布，采用模压成型。

无填料塔的核心装置是配水系统、雾化装置和喷嘴。成对布置的切线进水喷头是一种用于冷却塔管式配水系统布水的新型喷头布置，锁紧装置为基础组成一单元，喷头环形布置，出水形成上喷，该布置形式使出水水滴足够小而且布水均匀，无中空现象[5]。

而填料塔的维护、清洗和更换十分繁琐，新建或更换填料时，安装造成的填料破损率为8%以上；而无填料塔可在15年内保证新建塔的完好性。

喷头雾化效果见图2，不同类型喷头见图3。

图2 喷头雾化效果

图3 不同类型喷头设计图

无填料塔采用切线进水喷头环型布置，通过多只切线进水的雾化喷头的严格对中，使出水旋流方向相反的喷头出水发生对撞，水滴的动能被消耗，碰撞时能量的消耗使水滴进一步被打碎，这样就实现了在较低的进水压力下喷头出水粒径足够小而且十分均匀[6]。在喷头正常工作压力范围内，水滴粒径控制在0.5～1.0 mm，可以避免水滴过细而随风飘走。由于激烈的水滴对撞，消除了原切线进水离心喷头的布水中空现象，同时在风机运转状态下，塔内向上的空气线速度达2.5～3.0 m/s，此时0.5～1.0 mm的水滴在塔内处于悬浮并逐步下降的运行中，空间停留时间可达8～10 s，从而实现水气充分的热交换。该新型中空冷却塔能实现无淋水填料装置情况下的高效水气热交换[7]。

3 节能效益对比

该项目在新疆五彩湾地区，需要机力通风冷却塔3台。

(1)电费：3台2 300 m3/h的无填料塔，按每小时可节电10 kW·h、0.6 元/(kW·h)，每年运行5 000 h计，单塔每年节省电费3万元，3台无填料塔每年共节省电费9万元。

(2)水处理药剂费：按每年单塔节约4万元，3台塔每年12万元，减少化工水处理药剂的投加，也减少了对水资源的污染。

(3)检修材料费：可省去填料更换费用和换热器检修费用，按3年更换填料计，每3年更换3台塔填料费用约45万元，每年约15万元；每年2次清理换热器，可每年节约检修材料费约21万元。

通过比较，采用无填料塔有很好的节能效果，3台2 300 m3/h的无填料塔相对填料塔每年可节约42万元。

4 结语

无填料塔是一种新型的冷却塔，相较于传统型冷却塔取消了填料，避免了因填料引起的堵塞管道、泵和换热器等设备。采用高效低压离心雾化装置将水喷射成微小雾滴，增大传热面积，改善冷却效果，降低了运行及维护成本，提高在炎热、高沙尘环境中使用的可靠性，非常适宜在大型火电项目中推广应用。