徐加鹏

(大唐长春第二热电有限责任公司，长春　130031)

循环冷却水塔是火力发电厂热力循环中的重要辅助设备，其热力性能优劣直接关系到电厂的经济效益。目前，北方地区部分电厂由于缺乏对冷却塔节能潜力的认知，对其改造的投入不足，导致其冷却能力逐年降低，出塔水温高于设计值，凝汽器真空下降，影响机组经济运行，因此，提出一方面采用新型淋水填料方案，在延长抗冻、抗拉等使用寿命前提下，增大气-水结合面积，改善淋水填料的热力性能及阻力特性；另一方面，进行塔内冷却风与循环水优化配比改造，实现优良的配水与配风，通过调整优化喷溅装置口径从内区到外区逐渐增大的过渡，及在冷却塔填料区采用非线性布置方法，提高冷却塔换热能力，实现电厂机组运行经济最大化。

1　冷却水塔现状及存在问题

1.1　冷却水塔现状

大唐长春第二热电有限责任公司(以下简称长春二热)3号机采用双曲线型自然通风逆流式冷却水塔，冷却水塔塔高为85 m，淋水面积3 000 m2，进风口高5.8 m，冷却面积为3 000 m2。冷却塔采用双管、单竖井进水，全塔共4条封闭主水槽呈十字形布置。塔芯由淋水填料、喷溅装置、配水管、除水器、填料支撑网格栅等组成，于2005年7月随机组投入运行。由于冬季水塔运行，塔内积冰脱落砸坏部分喷淋设备，沉积多年配水管临时封堵，造成水塔喷淋效果差，冷却后循环水温度，比相同负荷的4号机水塔要高2 ℃，说明水塔冷却效果较差；另一方面，由于早期粉煤灰管道漏泄、循环水使用中水等原因造成水塔填料结垢严重，厚度达到1 mm，严重影响冷却效果，机组运行经济性下降。

1.2　存在的问题

a.3号塔淋水填料为“S”波形，其热力性能及阻力特性较差。冷却系数较差、通风阻力大的原因在于：波形不够优化；片距较大，气-水结合面积较小。另外抗冻、抗拉、抗压、抗水腐性等较差，使用寿命较短。

b.塔内淋水填料层高1 m，采用等高布置方式，未充分考虑到塔内空气流场的不均衡性，内围上升空气已充分吸湿吸热，但风速较低、新风量小；外围上升空气未充分换热，存在进一步降温的空间。

c.3号塔所用喷溅装置为XPH改进型喷溅装置，其水力学特性较差。与其他现用喷头比较，喷洒半径较小，溅水均匀性差，流量系数、流量特征数较小；水滴较粗，滞空时间相对较短。

d.3号塔未充分考虑到配水场、填料场与空气流场的匹配性，传统冷却塔设计中，追求的是内外各部分淋水密度的一致，这实际上是不科学的。

2　冷却水塔整体节能优化实施

2.1　GXT-26新型高效淋水填料性能

大型工业湿式冷却塔的主要换热部件一般为淋水填料，淋水填料的作用是使进入冷却塔的热水尽可能成为小水滴或水膜，增大水和空气的接触表面积，延长接触时间，保证空气和水良好的质、热交换。淋水填料因热力和阻力性能的差异，而具有不同的冷却能力。影响热力和阻力性能的因素主要有波形结构、片距、波距、波高、高度、厚度等。在高度、厚度一定的情况下，影响淋水填料热力和阻力性能的主要是波形结构、片距、波高、波距。目前，国内工业冷却塔常规的淋水填料为波形结构为“S”波、斜折波和双斜波，片距分别为30 mm、33 mm、35 mm，甚至更大，波高为26 mm或28 mm，波距为55 mm或60 mm。GXT-26型高效淋水填料波形结构为新斜波，片距为(26+1) mm，波高为(25+1) mm、波距为(50+1) mm。从中可见，GXT-26型高效淋水填料在片距、波高、波距方面都要小于常规的淋水填料。

对比片距30 mm、波高26 mm、波距55 mm的“S”波、斜折波和双斜波淋水填料，与GXT-26型高效淋水填料比较见表1。

表1　4种填料相关数据比较

注：成型片延展系数为成型片完全展开的面积与平片面积的比值。

由于波形结构、片距、波高、波距的差异，淋水填料热力和阻力性能也不同。热力和阻力性见表2。

表2　组装高度1.00 m时填料热力性能

注：λ为气水比；g为通风密度；q为淋水密度。

从表2可以看出：GXT-26型高效淋水填料的冷却性能好于常用的“S”波、双斜波淋水填料。通风阻力还略小于“S”波、双斜波淋水填料。

GXT-26型高效淋水填料，采用原生料，每立方米质量不小于24 kg,添加一定比例的轻钙粉和抗冻剂。抗压性、抗冻性、抗燃性、延展性、热力特性、通风阻力、使用寿命等都优于传统填料，GXT-26型高效淋水填料的物理力学性能及成型片在65 ℃热水浸泡72 h的耐温性能见表3。

表3　GXT-26型高效淋水填料的物理力学性能

目前，常用的淋水填料大都参照DL/T 933—2005《冷却塔淋水填料、除水器、喷溅装置性能试验方法》大部分片距为30 mm、33 mm。GXT-26型高效淋水填料片距为26 mm，片距小于DL/T 933—2005要求。相同体积的淋水填料组装块，片距26 mm的冷却面积比片距30 mm、33 mm的分别大12.0%或23.4%。也就是说：长春二热3 000 m2冷却塔，同样采用1.00 m等高布置，使用GXT-26填料后，相当于比传统填料增加12.0%～23.4%的冷却面积，达到3 360～3 702 m2，解决了冷却塔冷却面积设计不足带来的问题，起到增容的作用,不同片距淋水填料冷却面积数据对比见表4。

表4　不同片距淋水填料冷却面积数据对比

经西安热工研究院第三方试验表明：在自然通风冷却塔常用气水比范围内，GXT-26型淋水填料的热力特性可比常规间距斜折波提高21%～28%，通风阻力为常规间距斜折波阻力的83%～99%。在10 000 m2自然通风冷却塔，采用GXT-26型淋水填料的出塔水温可比采用常规间距斜折波淋水填料时的出塔水温降低约0.8～1.0 ℃。不同形式淋水填料冷却系数对比见表5。

表5　不同形式淋水填料冷却系数对比

从表5可以看出，1.00 m高的GXT-26型高效淋水填料组装块的冷却能力与1.25 m高的其他波形的淋水填料组装块相近。

2.2　淋水填料布置方式优化

冷却水塔内淋水填料“非等高布置优化”布置示意图见图1。

图1　冷却水塔内淋水填料“非等高布置优化”示意图

传统冷却塔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，因此有必要在更换淋水填料的基础上，进一步实现淋水填料布置的优化，以实现淋水填料分布和淋水填料内空气动力场的良好匹配，实现冷却塔整体热力性能的最大化。

对淋水填料进行布置优化，即在冷却塔填料区采用非线性布置。根据塔内空气动力场的分布规律，尽可能的实现塔内空气流场和填料分布的耦合优化，充分发挥各部分填料的冷却潜力，在不同半径处，填料高度有所差异。

具体填料高度的半径差异通过数值模拟的方法获得。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，但内围空气流速较低，且内围空气的吸热吸湿能力已得到充分利用。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。

由于冷却塔喷头与填料层顶部间距不小于700 mm的限制，为保证喷溅装置最佳的喷洒高度，拟分内外两个区域进行淋水填料的非等高布置优化，内围采用1.00 m的高度，外围采用1.25 m高度；以更好匹配塔内空气流场。“非等高布置优化”方式同样可以起到增加冷却塔冷却面积的效果(传统填料60～66 片/m3，GXT-26型填料74片/m3。同样布置3 000 m2塔，采用非等高技术布置共需3 750 m3填料，合277 500片；传统1.00 m布置需用3 000 m3的填料，合180 000～198 000片。GXT-26型填料实际要比传统填料多用97 500～79 500片，合1 625～1 205 m3的填料)。GXT-26高效填料采用非等高布置与30、33 mm片距填料传统1.00 m等高布置冷却面积对比见表6。

2.3　高性能TP-Ⅱ型喷溅装置配置

TP-Ⅱ型喷溅装置、喷淋效果见图2、图3。

不同类型喷溅装置的溅散均匀性、溅散半径、流量系数流量特征数不同，采用高性能的喷溅装置，对冷却塔效率的提高有着不容忽视的影响，同时，也能更好的适应淋水填料场的高度差异。

表6　GXT-26高效填料采用非等高布置与30、33 mm片距填料传统1.00 m等高布置冷却面积对比

图2　TP-Ⅱ型喷溅装置

图3　喷淋效果

TP-Ⅱ型喷头为典型的重力溅散型喷溅装置，其特点是：在溅水时形成水滴上抛落下，使水滴进行了两次冷却；溅水均匀性好；溅散半径较大；流量系数、流量特征数也较大；四周相互交叉配水可克服溅水盘下方无水现象。

通过对TP-Ⅱ、XPH型、多层流型，XPH改进型,四种喷溅装置的水力学试验结果表明，TP-Ⅱ型喷溅装置的水力学性能最好，XPH型、多层流型次之，XPH改进型最差，TP-Ⅱ型为溅碟型喷头，对喷头底盘到填料顶部的溅水距离反应不明显，如考虑在冷却塔原设计1.00 m高度填料基础上再增加一定高度的填料，TP-Ⅱ型喷溅装置较为适宜。

2.4　气-水比优化

自然通风逆流湿式冷却塔的配水系统主要由进水管、竖井、水槽或配水管、喷溅装置组成。冷却塔把来自凝汽器的热水先用竖井送到配水高程，然后通过水槽或配水管将水分布到整个塔的淋水断面上，再用喷溅装置将水洒向填料。

配水的好坏直接影响着填料能否被合理有效利用、空气和热水热质交换进行的程度，进而影响到出塔水温。

目前，冷却塔配水系统设计中，追求的是各区均匀配水，以达到淋水密度一致。尽管有些冷水塔根据上塔水量的大小，可调整为内、外区配水，但在内、外区配水内部，追求的也是均匀配水，以使淋水密度都保持一致。淋水密度是单位时间通过1 m2淋水填料断面的水量，其计量单位通常以kg/(m2·h)表示。

实际上，塔内空气流场在各处不是均匀分布的，各处风速及风量并不一致，在冷却塔配水管不变的情况下，现实的路径为：利用此次喷溅装置更换的有利时机，调整优化喷溅装置口径，从内区到外区逐渐连续增大，以使淋水密度从内区到外区连续增大。同时，参考冷却塔所处地的常年风向(尤其是夏季风向)，适当加大背风区的淋水密度。优化的具体内容可通过建立冷却塔热态模型以找出其塔内空气流场的分布规律，然后在循环水量、水头压力等约束条件下，不断试算得出具体配水管口径的配备组合。

3　结论

通过循环冷却水塔节能优化研究，在采用高效淋水填料及布置方式优化、高性能喷溅装置、气水比优化等措施下，可使冷却塔出水温度平均下降1.0～1.5 ℃，使其达到并超过设计致冷效果，减少了各种污染物的排放，降低了供电煤耗，提高了机组运行经济性。