自然通风冷却塔的新型节能降噪协同技术研究

王 飞，孙远涛，韩 毅，顾小红

（北京朗新明环保科技有限公司南京分公司，江苏 南京 210000）

自然通风湿式冷却塔是广泛应用于火电厂等的循环水冷却，出塔的水温等直接影响相关设备的真空度，从而影响冷端系统的运行经济性能。冷却塔内空气与热水对流进行传热传质，与冷却塔外空气形成密度差，从而使冷却塔产生抽力，将循环水中的废热排放到大气中。环境无侧风时，冷却塔内外的流场是轴对称分布的，而冷却塔在不同季节、不同风力条件下，受到侧风影响，流场的均匀性被打破，尤其在进风口处，受到本身抽力和侧风的双重作用，使冷却塔的进风性能受到严重影响，冷却性能也随之降低。

冷却塔工作时，其主要噪声源为进风口气流稳流引起的气流噪声、冷却塔内循环水从上部流下溅落到水槽所产生的冲击噪声。这两部分噪声频带较宽、幅值较大。为达到环保指标，目前冷却塔降噪广泛采用的措施为在冷却塔周边设置半封闭式隔声罩，该种方案成本低，效果较好。但是由于声屏障有较高的水平高度，迎风面大，这就与冷却塔自身的通风、冷却性能之间产生矛盾，声屏障的设置扰乱了其周边流场环境，并增大了冷却塔进风口的通气阻力，使得冷却塔内传热与传质效率降低，冷却性能降低，不利于冷却塔节能。

如何实现降噪与节能相结合，在实现冷却塔降噪的同时，改善塔内流场特性，增强传热传质效率，提供冷却效率，实现节能，成为新的研究方向。

1 目前研究现状

自然通风湿式冷却塔作为有效的冷却设备，广泛应用于电站热力系统循环水的冷却，其冷却性能直接影响电站冷端系统的安全经济高效运行。同时，冷却塔噪声治理的难点在于宽频带、高量值的消声要求与冷却塔自身通风散热性能间的矛盾。

赵振国、翟志强等[1-2]通过模型试验研究了侧风条件下干式冷却塔进风口的压力和速度分布，表明侧风条件影响了塔两侧和背部的空气入流，同时横向风的冲击破坏了流场的均匀性和对称性，产生复杂涡流，增加了塔内通气阻力。R.AL-Waked等[3]的数值模拟结果表明侧风下冷却塔内水气分布严重不均是使冷却性能降低的主要原因。M.Goodarzi[4]对干式冷却塔的数值模拟结果表明，高速侧风使冷却温差减少了25%。张磊等[5]通过现场测试，研究了侧风下冷却塔进风口流场分布和通风性能，与进一步分析了侧风下通风性能与热力性能的关系，为机组的优化运行提供参考，并为冷却塔的改造提供了试验依据。结合实际侧风工况，从数值计算的角度研究了侧风对塔内各区传热传质和冷却塔总体冷却性能的影响机理，以及侧风条件下导流板、十字隔墙等控风方案对塔内各区传热传质的影响机理。现有的研究为冷却塔的节能改造提供了理论依据和数据支持。

已有的实验结果表明：低风速时，即塔顶140 m处的环境气流风速与冷却塔内填料高度处风速之比（简称风速比）为1～3以下，侧风影响很小；当风速比在1～3或7～12时，侧风产生明显的不利影响，总阻力系数可增加50%，风量可减小15%。对于侧风的影响，目前主要采用在冷却塔进风口设置导风板、在雨区设置十字隔墙或两种方案相耦合作用的改善方案。

孔祥军等人[6]在现场测量的基础上，着重分析了冷却塔的噪声特性及噪声源，进而设计并详细分析了针对不同噪声源的噪声治理方案。江世强等人[7]通过设置声屏障来实现冷却塔降噪，并在冷却塔前上半部设置弧形导流板，规范进出口冷却空气的路径，为冷却塔节能降噪提供了设计思路。刘圣等人[8]从冷却塔各噪声源及其传播路径出发，采用大型通风消声器和吸声型隔声屏障的降噪措施实现冷却塔降噪。

无论是侧风流场影响研究还是冷却塔降噪研究，均是以两个单独的方向进行，未考虑降噪与节能的统一，实现降噪的同时，提高冷却效率，实现节能。

2 已实施技术的优劣分析

（1）国内蚌埠电厂采用白俄罗斯技术在冷却塔周边设置混凝土聚风墙，起到收集自然风的作用，整体有效果，但据使用方介绍，有时也会出现负面的影响，且在降噪方面没有效果。如图1所示。

图1 蚌埠电厂混凝土导风墙的现场照片

（2）冷却塔降噪方面目前大多采用两种方案，一是声屏障，如图2所示的声屏障对冷却塔换热效果的影响已经有了大致的分析；二是消声器，目前的消声器主要功能是降噪，没有资料显示该措施能够调节气流，进而对冷却塔的换热产生有利的影响。

图2 冷却塔外设置声屏障降噪的现场照片

对于冷却塔降噪，目前常用的降噪方式为设置声屏障，也有部分大型消声器的应用，但是这两种降噪措施均对塔内及进风口流场产生较大的不利影响，无法保证节能与降噪的统一。

3 研究思路与总体研究内容

3.1 研究思路

在冷却塔雨区侧部，高速空气穿过雨区，而在进风口侧后方形成局部空气出流区域，破坏了进风口空气径向分速度轴向分布的均匀性，并直接影响了进风口下游塔内传热传质区的空气流场。在冷却塔进风口设置导风板进行调控风量，以达到改善进风口空气动力场的目的。导风板沿冷却塔轴向均匀地布置与进风口外侧，可使冷却塔迎风侧进塔空气尽可能在水平方向上沿径向流入塔内，从而减小冷却塔进风口侧后方空气出流区域，增大冷却塔纵向通气量。将新型宽频吸隔声材料兼容到导风装置中，吸收和隔断塔内及进风口噪声，保证周围声环境的同时，改善塔内流场特性，提高传热传质效率，实现节能。

降噪方面目前主要通过设置声屏障，降低气流噪声或其他塔内噪声向周围环境的声辐射。但是声屏障由于迎风面积较大，又对塔内流场和进风口阻力产生影响。因此考虑将导风与吸声降噪结合到一起，使得每个导风口都成为一个消声通道，在实现导风改善流场的同时，达到消声降噪的目的。

3.2 总体研究内容

本项目通过在冷却塔周围合理设置可调节的导风板，并将宽频、高吸声性能吸声材料结合到导风板中，使导风板在合理的控风条件下形成宽频消声通道实现节能与降噪的统一。

首先通过环境侧风对冷却塔内传热传质影响机理的研究，分析冷却塔在实际环境下的流场特性，为导风板结构及其形式提供依据。

根据侧风条件下冷却塔内流场特性，合理设置导流板结构及其组合形式，减少侧风条件下冷却塔内气流出流现象，增大塔内纵向气流流量，降低进风口通气阻力，提供塔内传热传质效率，实现节能。

将宽频、高吸声性能吸声材料结合到导风板结构中，使相邻两个导风板形成一个高性能消声通道，实现冷却塔节能降噪的统一。

4 研究方法

（1）先进行现场调研，通过调研电厂当地各季度的环境温度、湿度以及风力等情况，为冷却塔内流场分析提供参数数据条件。对冷却塔无侧风、有侧风和设置声屏障等工况条件的出水温度、换热效率等进行数据收集和分析，作为冷却塔节能的参考数据。对冷却塔各噪声源进行现场测量，分析其频带特性和声压级强度，为吸声材料的选用和吸声结构的设计提供输入条件。

（2）开展侧风环境对冷却塔内传热传质机理影响的研究，分析不同侧风条件、是否设置声屏障等工况下，冷却塔内流场特性（如图3所示），对比不同工况下冷却塔内气流横向出流量、涡流情况、纵向通气量、进风阻力、传热传质效率（如图4所示）等参数，为导风调节装置的设计提供理论依据。

图3 环境侧风条件下冷却塔内流场分析

图4 配水、填料、雨区传热传质系数

（3）开展冷却塔进风口导风板调控风的方案作用机理的研究，建立冷却塔周边设置不同的声屏障（如图5所示）、导风水泥板（如图6所示）、智能化调节导风板结构及其组织形式模型（如图7所示），分析不同侧风条件下冷却塔内气流横向出流量，涡流情况、纵向通气量、进风阻力以及传热传质系数等参数，确定最优化的智能化导风板结构及其组合形式，实现冷却塔换热提效节能。

图5 冷却塔设置声屏障模型

图6 冷却塔设置导风水泥片模型

图7 冷却塔进风口设置智能化调节导风板模型

（4）开展宽频、高吸声性能吸声材料的研究，结合冷却塔工作时现场使用条件、噪声源频谱特性等选用适合的吸声材料，并根据智能化调节导风板通风尺寸等确定吸声材料的吸声性能及其结构（如图8所示）。将确定的吸声结构合理地与智能化调节导风板相结合，实现冷却塔的换热提效节能的同时实现降低噪声。

图8 智能化调节导风消声通道

（5）智能化调节导风板消声通道的试制生产，根据确定的吸声结构和导风板结构形式，试制生产导风板消声通道。

（6）智能化调节导风板消声通道消声性能测试与改进，对导风板消声通道进行声学性能测试，确定其消声量及频率范围，与噪声源的频谱特性进行对比，确定消声导风板的结构参数。

（7）智能化调节消声导风板生产与现场施工，根据设计消声导风板参数进行设备生产，并进行现场施工。

（8）换热提效节能降噪效果评测，冷却塔进风口设置消声导风板后，对冷却塔的换热效率、节能情况和降噪情况进行测试，以确认消声导风装置的降噪与节能效果。

5 结论

（1）根据环境侧风对冷却塔内传热传质影响机理的研究和当地气象等条件，确定合理的智能化导风板调控风量方案，消除环境侧风对塔内流场的影响，减小冷却塔空气出流量，降低通气阻力，提高塔内传热传质效率，降低能耗。

（2）将宽频、高吸声性能吸声材料合理结合到智能化调节导风板中，形成消声通道，实现节能与降噪的统一，并提高运行安全性能。

（3）智能化调节导风消声通道的设置可以解决传统降噪方案中使用隔声屏障等措施由于其体积大、迎风面积大在运行期间存在的安全问题。

该技术不仅可以适用于自然通风逆流湿式冷却塔，对于其他类似冷却塔也同样适用。