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冷却水塔优化的三个方向
前言 去年写了一篇“冷却水塔优化技术简介”，一年多过去了，又发现一些新的技术。其中，“塔内空气导流装置”的实验室数据，反映出新的思路具有潜力。修改补充成今文，供同行参考。
发电机组的冷端优化，已经被越来越多的同仁所关注。 凝汽器背压降低1kpa，发电煤耗平均降低2.8克，在炎热的夏季，煤耗降低值会更大。 冷却水塔（也包括空冷塔）作为冷端的主要设备，它的效率直接影响冷端的效率。目前，在国内外的最新技术中，提高水塔效率的技术，主要分为塔内优化技术、塔外优化技术和出风口优化技术三个方向。
（一） 塔内优化技术：
① 塔内空气导流装置 这是哈尔滨宇神科技有限公司通过实验发明的一种装置。他们研究了水塔喷淋层上部运行工况变化对水塔整体运行工况的影响[4]，在除水器上部增设了导流装置，（专利受理号201620273501.1）降低了塔内通风阻力。增加了进风量。整体上提高了淋雨区、填料区、喷淋区的热交换性能。这是一项广泛适用于新建或原有冷却塔、性价比很高的技术，可以单独使用。如果与下文介绍的塔外进风口导流装置配合，可获得更加优良的性能。 ② 中心区优化技术：[5] 1. 这是一项在国内还没有案例的技术，了解的人也很少。但国外已经有了实施案例[6]。 它的原理及措施是： 在水塔雨区，由于气液间的热质交换和相互作用力，空气温度和湿度沿径向由外向内逐渐升高，速度逐渐降低，塔中心处空气的温度高、湿度大、速度低。相对而言，中心区域温度高，冷却效果差。 针对这种状况，该技术在最重要的传统冷却部件——填料构件上采取措施，拆除部分填料，加装中心区空气调整装置。使填料中心区的阻力降低，使通过淋雨区已经升高温度和湿度的空气，不再滞留在水塔水平圆心附近的填料中心区下部空间和填料空间，而是在调节装置的作用下，在低阻力状态下，较快地上升到填料层上侧，中心区较高温度和湿度且冷却能力较差的空气被快速排除，从而使塔外新鲜空气在不改变原水塔入口通风面积和通道的条件下，较快地进入水塔中心区。该优化方案采用配水、配风和填料有机协调的技术，尽可能使水塔整体的热交换过程均匀、有效。 这个过程发挥了两个作用，一是提高水塔填料断面各部分冷却效果的均匀性，二是增加了进风量。水塔整体性能获得改善，多降低出塔水温0.3-0.5度。 ⒉ 根据相同的分析，为改善水塔中心区的热交换过程，国内和国外还采用过导管引流方案[7]。该方案的主要措施是： 在水塔进风口周向布置4至8根空心导管，导管沿径向水平布置在集水池水平面上侧；导管一端固定在集水池边沿上部，便于进风口的空气进入；导管另一端布置在水塔集水池圆心附近的水平面（水位标高）上部位。该技术将进风口的空气分为两部分，主要部分沿传统通道进入水塔。另一部分经导流管将新鲜空气直接引流到淋雨区（圆心）中心附近，改善了中心区的热交换过程。[8] ③ 喷嘴优化： 选择效率高的喷淋装置。如GX 型离心式高效喷溅装置[9]，NXJ 内旋式高效节能旋转型喷溅装置[10]，新型TPX-1 旋转型喷溅装置[11] 。据介绍，该喷淋装置的采用，多降低了出塔水温1度。[12] ④ 填料优化： 填料是冷却塔最主要的冷却部件。研究、开发、使用、测试和评价，都已用许多公开的成果。需要根据环境及水质条件，选择合适的技术成熟、冷却数高，不易堵塞，耐用的填料。注意样品的性能和实物的性能的一致性。 ⑤ 布置优化： 采用能够充分强化换热的配水和填料布置。如，填料的不等高布置，不均匀布水等[13]。也称之为“风水匹配强化换热技术”[14]，根据二维或三维计算[15]，对水塔内的空气和水的流动场及换热状况，在理想条件下进行模拟[16]。根据模拟结果布置填料及配水，求得提高水塔性能的预期。有报告称，该项技术可以降低出口水温0.53度;与喷淋装置优化及更换新的填料相结合，多项技术综合，可以多降低出塔水温1.6度[17]。 第 ③、④、⑤项技术的最大优点在于：有立竿见影的效果。提高的效率也比较明显。（即使更换普通填料，由于新填料的性能，也会使水塔的冷却效率获得明显提高。）目前国内发电企业，主要采用该方案。与任何事物一样，该技术有优良的性能，也有相对不足的一面。那就是，喷嘴、填料都会随投运时间的延长、环境及运行强度的变化，逐渐老化。需要及时维护，清理，一定时间后，还需重新更换。这需要一定的费用，也需要一定的停机时间。 ⑥ 高位收水技术 高位收水冷却塔最近受到关注，它的特点是取消了常规冷却塔底部的集水池，在填料下悬挂收水槽，由填料底部下落的水滴经过收水斜板在空中截流收集、流入高位集水槽，再送至循环水泵房。 它属于瘦高型的水塔，在平面布置比较紧张的场合非常适用。它还有节约水泵扬程、噪声低、塔内气流分布均匀、无生物滋生物等优点[18]。但造价较高，只推荐在大容量冷却塔中采用。该技术如果与塔内空气导流装置技术相结合，预计会有更好的效果。
（二）塔外优化技术： 塔外优化技术，目前主要有： ① 在设计阶段，科学布置水塔（或空冷塔）的位置和空间。保证空气的正常流动。有的电站为了降低水塔的噪音，在水塔进风口不远（小于进风口高度的3倍距离）设立隔音墙，极大的影响了水塔的效率。升高出塔水温0.5-3度。 ② 白俄罗斯科学院热质交换研究所发明的水塔空气动力涡流调节装置技术，从2006年介绍到我国。经过十年的考核试验，已经获得良好的效果。近年来，国内深入研究该技术，在风洞实验过程中，[19]发现了一些新的关键点，获得了即使在无自然风和弱风状态下，也能提升水塔冷却效率的技术。[20] 引进的水塔空气动力涡流调节技术，最大特点是稳定地增加水塔进风量并增加进风的均匀性（见图1，图2）；同时由于空气路径的延长，增加了空气与水的接触面积，提高气水热交换的程度。这三种变化[21]，促使水塔效率提高，预期多降低出塔水温1-1.5度。 从图3和图4中，我们也可以直观地观察到，在安装了空气动力涡流调节装置后，（图3）水塔进风口受自然风不利影响的程度有明显的减弱，进塔的空气稳定且进气量比较大。而没有安装该装置的水塔（图4），受自然风的影响很明显，降低了水塔的进风量，进塔空气的不均匀性也很明显。
我们都知道，在自然环境已经确定的前提下，水塔的内部特性基本上决定了水塔的冷却系数[22] ，而冷却能力还取决于进入水塔的进风量与循环水量的比值，俗称“气水比”。冷却水塔空气动力涡流调节装置技术，由于提高了进风量，（据测试，在不同环境风速条件下，可提高5-30%的进风量）[23]，从而增大了气水比。进塔空气的均匀性提高和气水比的提高，直接提高了水塔的冷却能力。降低了出塔水温。 该技术由于得到国家科技部的支持，在2011年列为国际重点合作项目。经过几年的合作研究，在原有理论基础上、又发现了新的关键技术要点，使该技术的使用效果，更加稳定、效率更高。即使在无自然风或低风速状态下，也能增加进风量，也能发挥作用。[24]
水塔进风口采用该技术，根据所选材料的不同，基本上不用维护，安全、稳定、常年发挥作用。 相对于受环境影响，特别是受自然风影响很大的空冷塔，该技术也能发挥作用。 （三）塔顶优化 这是白俄罗斯刚刚发明的一项技术，在水塔出风口加一个外套。降低塔内阻力，降低塔顶自然风的不利影响，稳定水塔运行。我们进行了风洞试验，发现确实增加了进风量。该技术已在白俄罗斯申请了专利。
结束语 本文介绍的水塔优化技术，是近年来水塔研究的新成果的一部分，有的已经应用，有的已经推广，有的还只有实验数据，有待于实体塔实验和验证。 这些技术应用于已有的冷却塔，将真实地提高它们的效率，有利于节能减排的实现。 将这些新的优化技术都集中（整合）应用于一座水塔，将显著改变水塔的热交换能力，或许会引领冷却塔某些部件的根本性变化。我们希望研究、制造、运行单位早日取得共识，早日实现。
2016年6月28日 2016年7月15日再修改 于哈尔滨科技创新城国际科技合作中心
联系方式： 联系人： 于建宇 电 话: 0451-53667133 13945670798 电子信箱： hrbys@126.com； zkx999@163.com；
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[1] 赵康雄. 教授级高级工程师，哈尔滨宇神科技有限公司.电子邮箱: zkx999@163.com . [2] 彭云生. 教授级高级工程师， 哈尔滨宇神科技有限公司实验室负责人. [3] 于建宇. 工程师，哈尔滨宇神科技有限公司，yjy0798@126.com. [4] 水塔除水器上部，由于塔内热交换的不均匀性，由于塔顶自然风的作用形成的不稳定性，由于空气上升过程中的相互作用，塔内上部会常态化的存在窝风区域，影响上升抽力，影响空气阻力，进而影响整个水塔的进风量。进风量的变化，反过来全过程地影响水塔淋雨区、填料区、喷淋装置的效率，虽然它们发挥作用的热交换比重还是20%、70%、10%，基本稳定；但整体效率会随总体进风量的变化发生变化。因而，对水塔除水器上部的运行工况，需要我们以新的视角重新关注、重新认识、重新研究. [5] 哈尔滨宇神科技公司，发明专利 200810137049.6；中心区具有空气调节装置的自然通风冷却水塔及调节方法。 [6] 白俄罗斯热质交换研究所发明并首先使用。 [7] 山东大学孙奉仲教授及其研究生团队，为提高水塔的冷却效率，长期坚持，做了大量的研究和开创性工作。本文介绍的优化技术，包含他们的部分成果。 [8] 国外还有采用伞状帐篷式导流技术的，国内水科院也研究过在淋雨区布置圆锥型导流装置，基本出发点都是将进风口的空气通道分割成两个部分，使一部分空气沿原通道进入水塔，另一部分空气沿新通道直接进入水塔中心区。 [9] 江苏环球龙圣境科技发展有限公司产品介绍； [10] 西安立鼎电气科技有限公司产品介绍； [11] 河南华润电力首阳山有限公司介绍；“新型旋转喷溅装置在600MW火电厂冷却水塔的应用”。根据西安热工院冷却塔性能测试报告，1 号塔改造后实测冷却能力平均值为96%，改造前实测冷却能力平均值为76%，改造后比改造前冷却能力提高了20%，出塔水温降低了1.31℃。 [12] 喷淋装置的冷却效果一般占整座水塔冷却效果的10-15%。如果水塔出入口温差为10度，喷淋装置也就是降低1-1.5度水温。仅仅因为改善了喷头，就多降低1度，从而整体降低1-2.5度水温，这样数据是值得研究和证实的。 [13] 李燕勇：“冷却水塔风水匹配强化换热技术”. [14] 安徽泰达尔能源科技公司，“发电厂大冷端系统综合改造节能技术”. [15] 赵顺安，中国水科院水塔研究所，“海水冷却塔”.2007年7月. [16] 赵顺安，中国水科院水塔研究所，“自然通风逆流式冷却塔的三维热力计算模型”.2012. [17] 马岩昕，马昕，潘乃宏，“双曲线自然通风冷却塔效率下降原因及应对措施”.黑龙江电力，2013,10. [18] 1996年3月我国首座淋水面积4750 m2高位收水冷却塔在山西蒲城电厂一期工程300MW容量机组投入运行. [19] 一般认为，在水塔进风口安装空气动力涡流调节装置，由于导向板的设立，减少了水塔进风面积，在无风或弱风状态下，该装置不起作用，甚至会起反作用。国内外专家的共识是，该装置在风速比较大时，具有明显的效果。国内几座已经改造的水塔，也出现这样的现象。 2012年，哈尔滨宇神科技有限公司在经过多次多方面实验后发现，只要采用新发现的诀窍，在无风时，也能增加水塔的进风量。这就解决了即使无风状态，也能提高水塔效率的技术难题。 [20] 在原有理论基础上、发现新的关键技术要点，使技术的使用效果，更加稳定、效率更高。在无自然风或低风速状态下，也能增加进风量，也能发挥作用。在有自然风的条件下，可以多降低出塔水温1-1.5度。 [21] 增加进风量、增加均匀性、增加气水接触面积。 [22] 冷却系数，在这里是指一般意义上的冷却效率，它主要取决于水塔内部的特性，也受运行参数的影响，进风的均匀性也会有一定的影响。它的定义，μ= ｛( t1 –t2 )/ ( t1 –t0)｝×100% 式中: μ—— 在一定冷却水量下，水塔的冷却效率 t1—— 水塔入口水温 t2—— 水塔出口水温 t0—— 环境湿球温度 [23] 白俄罗斯科学院的数据。国内测试的数据，也基本与之相符。 [24] 在关键点发现之前，一般认为，虽然空气动力涡流调节装置降低了自然风的不利影响，在自然风速较大的地区，有显著的效果。但由于它或多或少侵占了水塔进风口的有效面积，因而，在无自然风的条件下，起不到预期的效果。这是现实的。但采用新的关键点后，消除了这种消极作用，全过程提高进风量和水塔效率。这个诀窍，使今后的应用效果比已经投运的装置都好3%以上。 |
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