竹格填料與PVC薄膜填料的性能對(duì)比及應(yīng)用

陳友良，石永鋒，謝大幸

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

竹格填料與PVC薄膜填料的性能對(duì)比及應(yīng)用

陳友良，石永鋒，謝大幸

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

在工業(yè)冷卻塔內(nèi)，循環(huán)冷卻水與空氣之間的換熱主要發(fā)生在淋水填料區(qū)。淋水填料的熱力性能及阻力特性，直接影響了冷卻塔的冷卻性能。針對(duì)近年興起的環(huán)保節(jié)能型竹格填料，利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行模擬仿真，評(píng)估了竹格填料的實(shí)際性能。對(duì)比了竹格填料與薄膜填料在熱力性能、阻力性能及冷卻性能等方面的差別，并通過(guò)應(yīng)用案例分析，給出了2種填料的適用范圍。

冷卻塔；冷卻；竹格填料；薄膜填料；熱力；阻力；性能；評(píng)價(jià)

0　概述

對(duì)于自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔而言，填料層的冷卻水溫降占冷卻塔總溫降的70%左右［1］，所以，淋水填料的性能直接決定了冷卻塔的冷卻能力。目前，冷卻塔內(nèi)廣泛采用的是PVC薄膜式填料，填料形狀可分為S波、斜折波、雙向波、復(fù)合波等。近年興起的環(huán)保節(jié)能型竹格填料，對(duì)于其綜合性能評(píng)價(jià)一直未有定論，爭(zhēng)議很大。為此，對(duì)竹格填料的熱力性能、阻力性能及應(yīng)用情況，應(yīng)進(jìn)行全方位的調(diào)研和分析。

1　淋水填料的發(fā)展

對(duì)淋水填料的基本要求，包括了散熱效率高、通風(fēng)阻力小、親水性強(qiáng)、材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜等。在填料的發(fā)展過(guò)程中，選用的材料主要有木材、竹材、石棉、水泥、塑料、玻璃鋼、陶瓷等。按照淋水在填料區(qū)冷卻過(guò)程的存在形式，填料可分為點(diǎn)滴式、薄膜式和點(diǎn)滴薄膜式三種類型［］。

點(diǎn)滴式填料出現(xiàn)的時(shí)間最早，淋水落在填料上濺碎成小水滴，層層濺落后，水滴越來(lái)越細(xì)，分布越來(lái)越均勻。利用眾多小水滴較大的比表面積，完成空氣與水之間的傳熱傳質(zhì)，達(dá)到冷卻淋水的目的。點(diǎn)滴式填料包括了弧形、L型、M型和十字形等多種型式，材質(zhì)為木材、鋼絲水泥、石棉水泥、塑料等。點(diǎn)滴式填料由于換熱效率較低，單位體積的冷卻能力較差，因此，在逆流塔中，已被薄膜式填料所取代，但在大型橫流塔中仍被廣泛使用，因?yàn)檫@種填料對(duì)橫向氣流具有阻力小、單位體積耗材少、允許淋水密度大、對(duì)水質(zhì)要求低等優(yōu)點(diǎn)。

目前，薄膜式填料在電廠冷卻塔中的應(yīng)用最為廣泛，其中又以PVC填料最為常見，形狀有S波填料、斜折波填料、雙斜波填料等。使用薄膜式填料時(shí)，冷卻水以水膜狀態(tài)沿填料片兩側(cè)向下流動(dòng)，凹凸不平的填料薄片有三個(gè)方面的作用，一是增加冷卻水自身的比表面積，使其與空氣有較大接觸面積；二是減緩冷卻水的下落速度，延長(zhǎng)冷卻水與空氣的接觸換熱時(shí)間；三是增加水膜向下流動(dòng)的再分布，加強(qiáng)了冷卻水在填料薄片上分布的均勻性。薄膜式填料正是通過(guò)這些作用，讓冷卻水通過(guò)傳熱和傳質(zhì)，排走了熱量，達(dá)到冷卻降溫的作用。

點(diǎn)滴薄膜式填料具有點(diǎn)滴式填料和薄膜式填料的雙重功能，冷卻水在其中以水滴和水膜兩種形式與空氣進(jìn)行換熱，其冷卻性能處于點(diǎn)滴式和薄膜式2種填料之間。美國(guó)馬利塔中的M填料板，可看作這類填料的最早形式，以后才發(fā)展成折波填料，使其具有點(diǎn)滴薄膜式的性能，增加了散熱性能，提高了冷卻效果。另一類點(diǎn)滴薄膜式填料為網(wǎng)格狀膜板填料，包括水泥網(wǎng)板、蜂窩填料、塑料格網(wǎng)、竹格填料等。在滿足冷卻要求的前提下，合理運(yùn)用這種填料，可以節(jié)省投資，降低維護(hù)費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用。

在許多冷卻塔中，出現(xiàn)了點(diǎn)滴式、薄膜式以及點(diǎn)滴薄膜式填料組合安裝的使用方案，根據(jù)分析，主要是基于幾個(gè)方面的考慮［3］。

（1）提高熱力性能穩(wěn)定性。在逆流塔中，上部安裝薄膜式填料，下部布置點(diǎn)滴式或點(diǎn)滴薄膜式填料，可以減少通風(fēng)阻力和結(jié)垢堵塞，雖然在初期冷卻性能上不占優(yōu)勢(shì)，但增加了長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中填料熱力性能的穩(wěn)定性。

（2）適應(yīng)高溫工況。PVC及改性PVC填料所允許的最高水溫為55℃左右。當(dāng)水溫較高時(shí)，可以在頂部安裝點(diǎn)滴式填料，以適應(yīng)高溫工況，工作溫度在82℃以上。

（3）防止填料損壞。當(dāng)循環(huán)水泵啟動(dòng)后，豎井周圍的配水槽溢水嚴(yán)重，破壞了頂部填料層。在北方寒冷地區(qū)，PVC薄膜填料上的水流較緩慢，容易結(jié)冰掛冰，導(dǎo)致填料片被撕裂后墜落。在這種情況下，均可用點(diǎn)滴薄膜式柵格填料代替部分PVC填料，可有效防止填料損壞。

2　竹格填料與PVC薄膜填料的比較

2.1 竹格填料與PVC薄膜填料的冷卻能力仿真計(jì)算

選取竹格填料與常用PVC薄膜填料（S波填料）進(jìn)行冷卻能力對(duì)比。竹格填料與S波填料的實(shí)物圖，如圖1所示。2種填料的熱力性能及阻力特性方程式，均由西安熱工研究院在模型塔上通過(guò)填料性能試驗(yàn)所獲得［5］，詳細(xì)數(shù)據(jù)，如表1所示。竹格填料與S波填料的熱力及阻力特性曲線，如圖2所示。從圖2可知，S波填料的冷卻數(shù)大于竹格填料，而阻力也高于竹格填料，冷卻數(shù)大對(duì)冷卻能力有利，而阻力高則對(duì)冷卻能力有不利影響，填料熱力性能及阻力特性共同決定冷卻能力，這就需要通過(guò)熱力計(jì)算獲得。

圖1　竹格填料與S波填料實(shí)物圖

表1　淋水填料熱力及阻力特性方程式

圖2　竹格填料與S波填料的熱力及阻力特性曲線

利用Matlab仿真軟件，編寫熱力計(jì)算程序?qū)δ畴姀S9 500 m2自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔進(jìn)行仿真計(jì)算。已知大氣壓力99.49 kPa，干球溫度29.2℃，濕球溫度26.5℃，淋水面積9 500 m2，塔總高度150.1 m，進(jìn)風(fēng)口高度10 m，有效高度141.1 m，進(jìn)塔水溫41℃。求解該冷卻塔分別應(yīng)用竹格填料及S波填料時(shí)，在不同淋水密度下的冷卻溫差。計(jì)算結(jié)果，如表2所示。

表2　某電廠9 500 m2冷卻塔冷卻溫差Δt仿真計(jì)算結(jié)果

由表2可知，當(dāng)淋水密度q=6.315 8～10.526 3 t/（m2·h），而其他參數(shù)一定時(shí)，采用竹格填料的冷卻溫差比S波填料小1.52～1.71℃，冷卻溫差的相對(duì)差值為19.2%～22.0%，這說(shuō)明竹格填料與S波填料的冷卻能力有較大的差距。

2.2 竹格填料與PVC薄膜填料的特點(diǎn)

PVC薄膜填料的材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、易加工、耐腐蝕、冷卻效果好、氣流阻力較小、形式多樣。冷卻水在該型填料中比表面積大、換熱時(shí)間長(zhǎng)、冷卻效率高，性能為點(diǎn)滴式填料的3倍以上，但缺點(diǎn)是水流比較緩慢，容易污染結(jié)垢，甚至?xí)霈F(xiàn)堵塞現(xiàn)象，造成冷卻塔效率降低。在高溫工況下，運(yùn)行3～5年后會(huì)老化變形，易脆裂破碎，影響冷卻效率。在冬季，因結(jié)冰引起荷載增大，冰塊將填料扯斷墜落，產(chǎn)生大量的填料碎片，阻塞濾網(wǎng)或凝汽器，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

竹格填料屬于點(diǎn)滴薄膜式淋水填料，是由植物纖維竹片經(jīng)設(shè)計(jì)加工組裝而成，有喜水、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、不易結(jié)垢堵塞、不易破碎變形等優(yōu)點(diǎn)，尤其在防凍耐寒方面性能突出［4］。竹格填料的片距較大，通風(fēng)阻力小，但也減少了換熱面積，容積散質(zhì)系數(shù)小，整體冷卻能力不如PVC薄膜式填料，且價(jià)格也較高一些。

綜合分析后，將竹格填料與PVC薄膜填料的綜合性能進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果，如表3所示。

表3　竹格填料與PVC薄膜填料的性能對(duì)比

3　竹格填料應(yīng)用案例分析

從20世紀(jì)的90年代起，竹格填料已被應(yīng)用于電廠的冷卻塔中，但主要應(yīng)用于中小型機(jī)組或自備電廠。通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，對(duì)部分公開發(fā)表的改造方案及應(yīng)用案例進(jìn)行了分析。

3.1 大唐微水發(fā)電廠

微水發(fā)電廠現(xiàn)有2臺(tái)50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，配備2座2 000 m2自然通風(fēng)逆流式冷卻塔［6］。由于投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，且循環(huán)水的水質(zhì)較差，導(dǎo)致最初選用的水泥網(wǎng)格填料大量結(jié)垢，堵塞填料網(wǎng)眼，降低了水塔的冷卻效果，影響了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的真空度，因而需要更換填料。

為了節(jié)約投資，選出1號(hào)塔和2號(hào)塔內(nèi)依然可用的水泥網(wǎng)格填料，合并后集中用于1號(hào)冷卻塔內(nèi)，而將2號(hào)塔內(nèi)填料全部更換為竹格填料，填料層高度仍保持原設(shè)計(jì)值，為1.6 m。通過(guò)性能試驗(yàn)，實(shí)測(cè)1號(hào)冷卻塔的熱力特性方程為N=1.25λ0.51，2號(hào)冷卻塔的熱力特性方程為N=1.35λ0.5，而S波填料的熱力特性方程為N=1.69λ0.54。由此可知，竹格填料雖然比水泥網(wǎng)格填料的熱力性能高一些，但與S波填料的熱力性能相比，仍有較大的差距。

綜上所述，以熱力性能相比，竹格填料比水泥網(wǎng)格填料更好，但比PVC填料的熱力性能略差一些。由于竹格填料的阻力特性好，不易結(jié)垢堵塞，所以，在循環(huán)水水質(zhì)較差或滿足機(jī)組冷端要求的前提下，竹格填料可供新建或現(xiàn)役機(jī)組選用。

3.2 大有集團(tuán)合成氨廠

大有集團(tuán)合成氨廠在1984年建成了第一座造氣污水冷卻塔［7］，原設(shè)計(jì)選用聚丙烯折波填料。在1985年機(jī)組大修時(shí)發(fā)現(xiàn)煙煤灰聚積過(guò)厚，大部分填料層已倒塌，采用了焊接鋼架支撐進(jìn)行加固。在1986年大修時(shí)，冷卻塔仍因堵塞嚴(yán)重不能正常運(yùn)行，原因是該填料縫隙小、強(qiáng)度低。無(wú)論造氣污水，還是合成循環(huán)水，都不同程度帶有泥污等渣質(zhì)，致使這種填料的冷卻效果不明顯。

鑒于這些問(wèn)題，于1987年大修時(shí)，更換了已報(bào)廢的塑料折波填料，采用了竹格填料，填料層的裝填高度為1.5 m，共30層，其通風(fēng)面積為399.84 m2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，擬合出竹格填料熱力特性方程式為N=1.54λ0.58，這說(shuō)明該填料具有較好的熱力性能。污水冷卻塔改用竹格填料后，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，冷卻效果較好。

通過(guò)對(duì)造氣污水冷卻塔填料的改造，認(rèn)為竹格填料冷卻效果與塑料折波填料基本相同。由于其強(qiáng)度較塑料高，運(yùn)行中不易被損壞，且淋水均勻，檢修時(shí)，對(duì)泥污的沖洗方便。實(shí)踐表明，在不影響冷卻效果的前提下，竹格填料是強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)、檢修方便的一種淋水填料。

3.3 其他應(yīng)用案例

根據(jù)華電電科院的調(diào)研情況，列出了使用竹格填料的主要用戶單位，如表4所示。

表4　竹格填料的主要應(yīng)用案例一覽表

由表4可知，竹格填料的應(yīng)用案例集中在北方寒冷地區(qū)，主要是冶金、煉油、化工、造紙等行業(yè)的中小型冷卻塔。如果冷卻塔運(yùn)行在嚴(yán)寒或高溫、灰污大、水質(zhì)差等比較惡劣的環(huán)境下，填料易老化脆化，易結(jié)垢堵塞。但竹格填料在防凍抗寒、耐高溫、防污染結(jié)垢等特性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，雖然PVC薄膜填料具有更好的冷卻性能，但在惡劣環(huán)境下的運(yùn)行效果，反而不如竹格填料。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比竹格填料和PVC薄膜填料的性能可知，前者熱力特性不如后者，但阻力特性優(yōu)于后者，綜合冷卻能力比后者低20%左右。竹格填料在污染特性、易破碎性、防凍抗寒、耐高溫性、檢修維護(hù)等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

在高溫塔、污水塔、嚴(yán)寒地區(qū)、灰污大、水質(zhì)差（如冶金、煉油、化工、造紙行業(yè)冷卻塔）等惡劣運(yùn)行環(huán)境下，推薦選用竹格填料，適當(dāng)增加竹格填料層的高度；而在發(fā)電廠中的大型自然通風(fēng)雙曲線冷卻塔中，由于水溫較低、水質(zhì)較好，所以更注重冷卻能力，推薦選用PVC薄膜填料，或采用組合的布置方式，即在冷卻塔的上部布置PVC填料，在冷卻塔的下部布置少量的竹格填料。

［1］趙振國(guó).冷卻塔［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.

［2］潘雯瑞，任建興，翁建華.燃煤機(jī)組濕式冷卻塔淋水填料結(jié)構(gòu)與特性分析［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27（1）：9-13.

［3］高福東，孫奉仲，王凱.電廠冷卻塔填料的發(fā)展與研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2007，23（5）：7-10.

［4］郗孟杰，張榮佩，王興國(guó).冷卻塔竹柵填料的特性分析［J］.河北電力技術(shù)，2000，19（2）：42-43.

［5］胡三季，陳玉玲，劉廷祥.逆流式冷卻塔不同高度的PVC淋水填料熱力及阻力性能試驗(yàn)研究［J］.吉林電力，2003（4）：9-11.

［6］楚賢民，吳永才.竹柵網(wǎng)格與PVC填料組合在冷水塔上的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，1996（2）：58-61.

［7］張明海.竹格填料在冷卻塔中的應(yīng)用［J］.河南化工，1997（11）：18-19.

Performance Comparison between Bamboo Grid Packing and PVC Film Packing and its Applications

CHEN You-liang，SHI Yong-feng，XIE Da-xing
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，Zhejiang，China）

In industrial cooling towers，heat transfer between circulating water and air mainly occurs in the packing zone，and cooling capacity of towers is directly determined by thermal and resistance characteristics of packing.To evaluate the comprehensive performance of bamboo grid packing accurately，the development course of packing is summarized.By means of numerical simulation，thermal performance，resistance and cooling ability is compared between bamboo grid packing and PVC film packing，comprehensive performance evaluation of two packing is obtained，several application cases are analized，finally the packing selection advice is given.

cooling towers；cooling；bamboo grid packing；PVC film packing；thermal；resistance；performance； evaluate

TK264.1

A

1672-0210（2016）01-0037-05

2015-11-23

陳友良（1985-），男，博士，工程師，主要從事電站熱力設(shè)備節(jié)能方面的研究。