国产大型海水高位收水冷却塔配水装置改造应用分析

王 勇,张 磊,姚 坤

(1.神华国华寿光发电有限责任公司，山东 寿光 262714; 2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001;3.黑龙江苑博信息技术有限公司,黑龙江 哈尔滨 150001)

0 前言

随着国内环保节能标准的提升，低噪声，低耗能的高位收水冷却塔开始在国内火电机组中逐步应用[1]。与常规湿式冷却塔的设计不同，高位收水冷却塔下方不设水池，而是通过在填料层下方增加高位收水装置，从而实现节能和降噪的目的。但高位冷却塔同样面临高投入、高维护费用的问题。实际上，高位收水冷却塔的早期多用于核电机组，对高位冷却塔在火电机组中应用的相关研究正在逐步开展之中。

对于高位收水冷却塔，国内的一些学者总结了高位收水冷却塔与常规湿式冷却塔之间的优缺点，指出了高位冷却塔在建设过程中需要注意的问题[2-3]。也有学者采用数值模拟方法分析了淋水密度、入塔水温、填料高度和环境风速等运行条件对高位收水冷却塔冷却性能的影响规律[4]。部分研究人员借助热力性能试验分析了获得高位冷却塔的热力性能，指出高位收水冷却塔在填料处断面风速更大，并且在夏季出塔水温更低的优势[5]。还有部分工程人员从应用角度出发分析了高位收水塔的优势，详细总结了实际运行过程中存在的问题，为后期优化提供了建议[6]。此外，还有学者从经济性角度出发，详细论述了高位冷却塔的节能效果及经济性，为火电机组节能方式的选择提供了技术依据[7]。

由于目前国内高位收水冷却塔的应用并不广泛，对其技术的研究并不全面，设计过程中的细微差别常使实际应用效果偏离预期。例如由填料层悬吊式变为搁置式设计引发的溅水问题，气候环境对高位塔的影响等等。特别是气候寒冷的北方地区，极易引发结冰问题。而针对高位塔的溅水结冰问题的研究相对较少，冷却塔结冰问题的研究对象仍集中在常规湿式冷却塔上[8-9]。例如，一些研究利用热力性能试验对冷却塔出口循环水温度进行了校核计算。也有研究利用数值模拟方法从多个角度分析了横向风速与冷却塔冷却效果间的相互关系。并给出了更为有效的防冻措施[10]。一些学者总结了冷却塔内容易发生结冰问题的位置并给出了造成结冰现象的原因，同时详细阐述了对应的防治措施[11-12]。也有学者从整个循环水系统出发，提出通过改变循环水泵流量的方法抑制冷却塔内部结冰问题，再结合折水板等防冻措施改善冷却塔外部结冰问题[13]。实际上，造成高位收水冷却塔结冰问题的原因与常规塔并不完全相同，对其结冰问题需要进一步的分析，以提出具有针对性的解决措施。

本文针对某电厂高位收水冷却塔存在的溅水结冰问题，提出了一种在冷却塔下部增加截水装置改造方法。文中首先分析了造成高位收水冷却塔溅水问题的主要原因，并通过增加截水装置、导流板等改造措施降低了冷却塔溅水率过大的问题，保障了机组运行的安全。

1 冷却塔结冰问题及原因分析

1.1 冷却塔概况

某沿海电厂所在区域冬季气候寒冷，多年冬季月平均最低气温值为-4.7～-7.4 ℃，极端最低气温可达-22.3 ℃；平均风速3.3 m/s，实测最大风速24.7 m/s。该电厂以海水作为冷却水源的高位收水塔，具体参数如表1所示。

表1 冷却塔参数

1.2 冷却塔结冰问题现状

实际运行中发现，在冬季运行时，该机组高位塔配水装置存在挂冰问题，溅水结冰严重损坏收水装置，已经严重威胁冷却塔的安全稳定运行。如图1所示，挂冰主要发生在破损的收水斜板、填料以及溅水的立柱等位置。当结冰问题发展到一定程度时，部分填料或者收水斜板承受不住结冰的重量而损坏，进一步加剧了漏水问题，形成恶性循环。

图1 冷却塔不同部位结冰现象图

1.3 原因分析

造成冷却塔冬季发生结冰现象的原因有很多，如气候环境和冷却塔设计结构。从环境角度看，该塔所处地区冬季温度相对较低，风速较大。对比采用了相同设计的其它地区冷却塔，该塔发生溅水、漏水及海水腐蚀问题都更为严重。从冷却塔结构设计角度看，该塔冷却水源为海水，在多个方面都与常规塔和其它地区高位收水冷却塔存在一定的差异性：

(1)与早期采用填料悬吊式设计的高位收水冷却塔不同，该塔采用填料搁置式设计，即填料下部增加一层支撑梁系，将填料放置在支撑梁上，如图2所示。填料高度也由此降至1.5 m。虽然填料搁置式设计适用当地气候，但由于主梁高1.4 m，致使淋水填料下部与收水斜板最小垂直距离由原悬吊式的0.4 m增加到1.8 m。冷却水自由落体距离增加，在强化冷却效果的同时也增加了水滴撞击收水斜板的速度。水滴落在收水斜板后，飞溅的密度和距离随之增大，造成较大地溅水率。

图2 填料搁置式设计结构示意图

(2)填料搁置式设计是将填料铺设在支撑梁上，支撑梁与竖直立柱搭接在一起共同构成稳定结构，如图3所示。由于搭接部位采用凹槽型设计，且未对凹槽缝隙处填充，使得缝隙起到汇流作用。从填料下方流出的冷却水经支撑梁的引流在凹槽处汇集并形成大股水流冲击下方的收水斜板，加剧了收水装置溅水程度。

(3)施工安装精度及防溅器位移、变形引起的溅水，导致地面积水，冬季地面结冰或防晃网结冰等。

(4)设备运行期间，防溅水填料损坏后不能及时补充，也是造成部分区域溅水大的原因。

2 高位收水冷却塔配水装置改造措施

冷却塔在建设完成后，不宜对其内部结构做较大的改造，因此本文提出一种在收水斜板收水侧增加截水器的改造方案，该方案在不破坏冷却塔内部原有装置的前提下，仅在收水斜板上方增设导流板，并在斜板外侧布置一个截水器就可以有效减小冷却塔溅水率。

2.1 截水装置

(1)截水装置的安装位置

截水器安装在冷却塔收水装置下挂梁上，用玻璃钢型材作为固定截水器装置的搁置件。搁置件采用凹槽设计，并将竖置布置的截水装置下端夹置在凹槽中，起到固定截水装置下端的作用。如图4所示，装置上部用包箍固定在中竖杆上，并用平行定位横杆固定，防止左右侧斜，有效将溅出的水滴完全控制在截水装置内侧。

图4 截水装置示意图

平行定位横杆采用玻璃钢方管制成，固定必须牢固可靠，不得向里外倾斜。固定截水器下部支撑的搁置件采用不锈钢材料加工制作，与中竖杆连接固定。

(2)截水装置的结构

冷却塔内每个收水斜板装设一个截水装置，截水装置由多个截水单元件组成，截水单元件结构如图5所示。单元件由本体、包箍、支撑件组成。本体是由呈双波状的波形片叠加组成，由聚氯乙烯材质一次挤出成型。其中，每个波形片厚2 mm、宽170 mm、相邻波形片间距45 mm。为保证收水效果，截水单元件表面必须平整光滑，不得有翘起、弯曲、孔洞。

图5 截水器结构图

由于聚氯乙烯材料受力易变形，因此在本体外侧加装工字钢作为支撑件。为便于安装固定，在本体下部也安装有搁置支撑，搁置支撑由玻璃钢型材组装而成。位于截水单元件上部的包箍起到固定作用，即通过包箍将单元件固定在支撑梁与竖直立柱上。为防止其被海水腐蚀，制作加工材料为不锈钢。

2.2 导流板

(1)导流板安装位置

由于填料层采用搁置式的工艺布置，竖梁与横梁之间没有灌缝处理，间隙较大，汇集的水流造成溅水。因此在改造方案中，采用选择在竖梁间增设导流板装置，如图4所示。把竖梁处的水柱导出截水装置外250 mm，使其均匀落在防溅填料上。固定端采用45°角与收水斜板搭接，侧面开孔与吊杆相承插、并用固定板片连接固定。

(2)导流板的基本结构

导流板由玻璃钢材料制作而成，厚度为5 mm、长度2 000 mm,导水端采用小波纹，截水装置所采用的连接件及螺栓材料须采用不锈钢。

3 应用效果分析

该厂在运行中多次发生过高位收水冷却塔结冰损坏情况，导致水塔分区停运检修。通过上述改造措施，将新型导风截水装置应用到高位收水冷却塔，如图6所示。最终应用效果显示，采用导风截水器可改善溅水现象，治理后溅水严重区域的溅水率优于设计值0.05‰。

图6 高位收水冷却塔配水装置

4 结论及展望

针对某电厂搁置式填料设计高位收水冷却塔出现的溅水问题，本文提出基于截水器和导流板的改造优化方案，通过增加截水装置和增加导流板，解决了施工精度、材料变形等引起的溅水现象，有效将溅起的水滴拦截在截水装置内侧，明显降低高位收水冷却塔收水装置的溅水率。

该方法实现了冷却塔地面无积水，冬季无结冰，保障设备安全可靠运行。研究成果能够应用于严寒地区电厂，具有显著的安全效益、经济效应和市场推广应用前景。