自然通風(fēng)冷卻塔增加內(nèi)區(qū)風(fēng)力技術(shù)改造的探討

陳建東，周文勝，陳軍

（1.中國(guó)華電集團(tuán)有限公司福建分公司，福建 福州 350001；2.福建華電永安發(fā)電有限公司，福建 三明 365001；3.常州市佳瑞塑料制品有限公司，江蘇 常州 213175）

火電廠自然通風(fēng)冷卻塔的冷卻性能和冷卻能力能夠直接影響到電廠機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性。福建華電永安發(fā)電有限公司準(zhǔn)備對(duì)一座5500m2雙曲線型逆流自然通風(fēng)濕式冷卻塔內(nèi)部部件進(jìn)行局部?jī)?yōu)化：在局部區(qū)域修復(fù)淋水填料、除水器等部分老化部件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)冷卻塔塔芯其他部件進(jìn)行優(yōu)化，即淋水填料層采用不等高優(yōu)化布置、傳統(tǒng)噴濺裝置更換為霧化效果更好的節(jié)能旋轉(zhuǎn)型噴濺裝置、冷卻塔下部加裝增加進(jìn)風(fēng)量的導(dǎo)風(fēng)管，以實(shí)現(xiàn)淋水填料分布和淋水填料層內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的良好匹配，實(shí)現(xiàn)冷卻塔整體熱力性能的最大化，同比運(yùn)行條件下冷卻塔出塔水溫預(yù)計(jì)降低1～1.5℃。

1 自然通風(fēng)冷卻塔改造方法

福建華電永安發(fā)電有限公司本次進(jìn)行冷卻塔改造的計(jì)算方法：修正的熱力和空氣動(dòng)力計(jì)算方法。

這種計(jì)算方法是建立在塔內(nèi)淋水填料高度相同，配風(fēng)、配水均勻的前提下，考慮到了雨區(qū)氣流流場(chǎng)特點(diǎn)及實(shí)際工業(yè)塔的雨區(qū)散熱能力。修正傳統(tǒng)算法的流體流動(dòng)模式為填料區(qū)和填料以上的噴淋區(qū)，雨區(qū)。除了采用考慮雨區(qū)流場(chǎng)的阻力計(jì)算公式計(jì)算塔的阻力外，還把模擬試驗(yàn)塔試驗(yàn)得到的淋水填料冷卻數(shù)方程進(jìn)行修正，從中減去模擬塔雨區(qū)尾效部分，同時(shí)加上實(shí)際工業(yè)塔的雨區(qū)尾效散熱。修正后的計(jì)算方法采用的計(jì)算公式為：

對(duì)于塔的填料底部?jī)?nèi)徑D=60～110m,進(jìn)風(fēng)口高度為Hp=5.75～11m（約為淋水面積3000～9500m2）,進(jìn)風(fēng)口相對(duì)高度。

不同高度的冷卻數(shù)按下式計(jì)算：

塔抽力：Hnd=Heg(ρ1-ρ2)

總阻力系數(shù)：ξ=ξ1+ξ2+ξ3

福建華電永安發(fā)電有限公司對(duì)本工程采取此種計(jì)算方法的原因：現(xiàn)在火電廠使用的冷卻塔，每個(gè)冷卻塔都有自己獨(dú)立的特點(diǎn)，修正的熱力計(jì)算和空氣計(jì)算方法是建立在塔內(nèi)淋水填料高度相同，配風(fēng)、配水均勻的前提下。

考慮到了雨區(qū)氣流流場(chǎng)特點(diǎn)及實(shí)際工業(yè)塔的雨區(qū)散熱能力，修正的熱力和空氣動(dòng)力計(jì)算方法是在對(duì)冷卻塔雨區(qū)熱力特性研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了逆流式自然通風(fēng)冷卻塔的軸對(duì)稱二維熱力計(jì)算,計(jì)算了淋水分布等幾個(gè)參數(shù)變化對(duì)冷卻水溫的影響,并給出了在均勻布水的條件下,用簡(jiǎn)單的一維計(jì)算替代復(fù)雜的軸對(duì)稱二維計(jì)算的方法,為設(shè)計(jì)提供了一個(gè)既簡(jiǎn)單又精確的計(jì)算方法。計(jì)算水溫和工業(yè)塔實(shí)測(cè)結(jié)果非常一致。

修正傳統(tǒng)算法的流體流動(dòng)模式為填料區(qū)和填料以上的噴淋區(qū)，雨區(qū)。除了采用考慮雨區(qū)流場(chǎng)的阻力計(jì)算公式計(jì)算塔的阻力外，還把模擬試驗(yàn)塔試驗(yàn)得到的淋水填料冷卻數(shù)方程進(jìn)行修正，從中減去模擬塔雨區(qū)尾效部分，同時(shí)加上實(shí)際工業(yè)塔的雨區(qū)尾效散熱。所以，此種計(jì)算方法更加簡(jiǎn)單和精確。

2 技術(shù)改造措施

2021年3月份福建華電永安發(fā)電有限公司對(duì)5500m2自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行了性能優(yōu)化改造，這次改造的主要內(nèi)容是：①將塔內(nèi)損壞的淋水填料進(jìn)行更換，并將淋水填料優(yōu)化為不等高方式布置；②更換塔內(nèi)全部噴濺裝置。對(duì)噴濺裝置的噴嘴流量根據(jù)風(fēng)水配比的原理進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，重新進(jìn)行優(yōu)化布置，使冷卻塔內(nèi)各區(qū)間的淋水密度與氣流流場(chǎng)及流速分布相匹配吻合；③為增加冷卻塔內(nèi)區(qū)的風(fēng)力和風(fēng)量，加裝冷卻塔導(dǎo)風(fēng)管，增大和增加內(nèi)區(qū)的風(fēng)力和風(fēng)量，使冷卻塔塔內(nèi)區(qū)能更好的進(jìn)行風(fēng)水配比。

通常情況下，冷卻塔內(nèi)區(qū)域即使有自然的抽風(fēng)，其風(fēng)力和風(fēng)量也被經(jīng)淋水填料下來(lái)的雨霧阻攔，內(nèi)區(qū)的風(fēng)力和風(fēng)量逐漸減弱，福建華電永安發(fā)電有限公司的技術(shù)人員經(jīng)過(guò)縝密的思考和研究，通過(guò)一種新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，利用導(dǎo)風(fēng)管進(jìn)風(fēng)，增加內(nèi)區(qū)風(fēng)力，加大內(nèi)區(qū)風(fēng)量來(lái)解決這一難題，增加了冷卻塔內(nèi)區(qū)的風(fēng)力和風(fēng)量。

（1）新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，其在冷卻塔的塔體底部進(jìn)風(fēng)區(qū)設(shè)置若干根導(dǎo)風(fēng)管，導(dǎo)風(fēng)管的進(jìn)風(fēng)口延伸至塔體的外側(cè)，導(dǎo)風(fēng)管的出風(fēng)口延伸至冷卻塔的塔體內(nèi)區(qū)，并且導(dǎo)風(fēng)管由導(dǎo)風(fēng)橫管和導(dǎo)風(fēng)豎管兩部分組成，在塔體內(nèi)區(qū)通過(guò)導(dǎo)風(fēng)豎管將出風(fēng)口豎向向上延伸一段距離，使冷卻塔外部的空氣能夠經(jīng)過(guò)導(dǎo)風(fēng)管向上引導(dǎo)至冷卻塔的內(nèi)區(qū)，大大提高了冷卻塔內(nèi)區(qū)的進(jìn)風(fēng)量，增強(qiáng)了冷卻塔內(nèi)區(qū)的換熱效率，強(qiáng)化了冷卻塔的冷卻能力，使自然通風(fēng)逆流式冷卻塔更加節(jié)能高效。

（2）新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，其導(dǎo)風(fēng)管的直徑為800mm，導(dǎo)風(fēng)管的導(dǎo)風(fēng)豎管高度為500mm，使導(dǎo)風(fēng)管向冷卻塔內(nèi)區(qū)的風(fēng)力引導(dǎo)效果更好，同時(shí)兼顧了大直徑導(dǎo)風(fēng)管的制造難度，降低了傳統(tǒng)自然通風(fēng)冷卻塔的改造成本。

（3）新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，其導(dǎo)風(fēng)管的導(dǎo)風(fēng)橫管底部設(shè)有若干排水孔，能夠方便落入導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)的循環(huán)水快速排出，防止導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)部積水而影響進(jìn)風(fēng)；排水孔的孔徑不大于50mm，在兼顧了排水效果的情況下，也有效避免了因排水孔開(kāi)孔過(guò)大而引起導(dǎo)風(fēng)管側(cè)壁漏風(fēng)的問(wèn)題。

（4）新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，其導(dǎo)風(fēng)管由直管和彎管拼接而成，直管的一端具有內(nèi)徑與另一端外徑相適配的直管擴(kuò)徑段，導(dǎo)風(fēng)橫管由若干節(jié)直管首尾拼接而成，彎管的一端具有內(nèi)徑與另一端外徑相適配的彎管擴(kuò)徑段，彎管的彎管擴(kuò)徑段與直管的端部拼接形成向上延伸的導(dǎo)風(fēng)豎管，采用上述直管和彎管拼接形成導(dǎo)風(fēng)管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和施工更加便捷。

（5）新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，其導(dǎo)風(fēng)橫管沿冷卻塔塔體底部的支撐立柱安裝，且導(dǎo)風(fēng)橫管通過(guò)不銹鋼支架固定于支撐立柱上，利用原有支撐立柱固定導(dǎo)風(fēng)管，使導(dǎo)風(fēng)管安裝固定更加簡(jiǎn)單方便；不銹鋼支架包括定位環(huán)、支撐柱、鎖緊箍和鎖緊螺母，不銹鋼支架耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鎖緊牢固穩(wěn)定。

（6）新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，其導(dǎo)風(fēng)管在冷卻塔塔體底部的四個(gè)象限區(qū)內(nèi)分別設(shè)有三根，導(dǎo)風(fēng)管的導(dǎo)風(fēng)豎管靠近冷卻塔的中央豎井，采用上述導(dǎo)風(fēng)管布置結(jié)構(gòu)，不僅方便了導(dǎo)風(fēng)管的安裝和布置，而且能夠最大化地增強(qiáng)冷卻塔內(nèi)區(qū)的進(jìn)風(fēng)量，提高冷卻塔的冷卻能力。

（7）新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，其在原有自然通風(fēng)冷卻塔的基礎(chǔ)上設(shè)置了自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，大大提高了自然通風(fēng)冷卻塔中心區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量，改善了冷卻塔中心區(qū)域的冷卻效果，提高了自然通風(fēng)逆流式冷卻塔的整體冷卻效率。

示意圖中的標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1、塔體；A1、第一象限區(qū)；A2、第二象限區(qū)；A3、第三象限區(qū)；A4、第四象限區(qū)；1-1、中央豎井；1-2、進(jìn)水方溝；1-3、除水器；1-4、淋水填料裝置；1-5、支撐立柱；1-6、集水池；2、導(dǎo)風(fēng)管；2a、導(dǎo)風(fēng)橫管；2b、導(dǎo)風(fēng)豎管；2-1、直管；2-1a、直管擴(kuò)徑段；2-1b、排水孔；2-2、彎管；2-2a、彎管擴(kuò)徑段；2-3、定位環(huán)；2-4、支撐柱；2-5、鎖緊箍；2-6、鎖緊螺母。

圖4 自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置中組成導(dǎo)風(fēng)管的彎管結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)具體的實(shí)施方案：

結(jié)合圖1所示，一種新型的自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，包括安裝于塔體1內(nèi)的若干根導(dǎo)風(fēng)管2，導(dǎo)風(fēng)管2沿徑向布置于塔體1底部的進(jìn)風(fēng)區(qū)，且導(dǎo)風(fēng)管2的進(jìn)風(fēng)口延伸至塔體1的外側(cè)，導(dǎo)風(fēng)管2的出風(fēng)口延伸至冷卻塔的塔體1內(nèi)區(qū)，塔體1外側(cè)的空氣能夠經(jīng)過(guò)導(dǎo)風(fēng)管2引入塔體1的中心區(qū)域，進(jìn)而增強(qiáng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力。在本實(shí)施方案中，上述的導(dǎo)風(fēng)管2包括導(dǎo)風(fēng)橫管2a和導(dǎo)風(fēng)豎管2b，導(dǎo)風(fēng)橫管2a沿冷卻塔徑向水平固定于塔體1的進(jìn)風(fēng)區(qū)內(nèi)，導(dǎo)風(fēng)豎管2b的下端與導(dǎo)風(fēng)橫管2a伸入塔體1內(nèi)區(qū)的一端相連接，將導(dǎo)風(fēng)管2的出風(fēng)口豎向向上延伸。與現(xiàn)有冷卻塔導(dǎo)風(fēng)管設(shè)計(jì)不同，本實(shí)施方案中將導(dǎo)風(fēng)管設(shè)計(jì)為導(dǎo)風(fēng)橫管和導(dǎo)風(fēng)豎管兩部分，在塔體內(nèi)區(qū)通過(guò)導(dǎo)風(fēng)豎管將出風(fēng)口豎向向上延伸一段距離，使冷卻塔外部的空氣能夠經(jīng)過(guò)導(dǎo)風(fēng)管向上引導(dǎo)至冷卻塔的內(nèi)區(qū)，大大提高了冷卻塔內(nèi)區(qū)的進(jìn)風(fēng)量，增強(qiáng)了冷卻塔內(nèi)區(qū)的換熱效率，強(qiáng)化了冷卻塔的冷卻能力，使自然通風(fēng)逆流式冷卻塔更加節(jié)能高效。

圖1 自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置在冷卻塔底部的安裝結(jié)構(gòu)示意圖

在本實(shí)施方案中，上述的導(dǎo)風(fēng)管2的直徑為800mm，導(dǎo)風(fēng)管2的導(dǎo)風(fēng)豎管2b高度為500mm。使導(dǎo)風(fēng)管2向冷卻塔內(nèi)區(qū)的風(fēng)力引導(dǎo)效果更好，同時(shí)兼顧了大直徑導(dǎo)風(fēng)管的制造難度，降低了傳統(tǒng)自然通風(fēng)冷卻塔的改造成本。另外，由于導(dǎo)風(fēng)管2的出風(fēng)口位于冷卻塔的中心區(qū)域，且出風(fēng)口方向朝上，冷卻塔雨區(qū)的循環(huán)水容易經(jīng)過(guò)導(dǎo)風(fēng)豎管2b落入導(dǎo)風(fēng)管2內(nèi)，因此，為了防止導(dǎo)風(fēng)管2內(nèi)部積水而阻礙進(jìn)風(fēng)量，在導(dǎo)風(fēng)管2的導(dǎo)風(fēng)橫管2a底部設(shè)有若干排水孔2-1b，能夠方便落入導(dǎo)風(fēng)管2內(nèi)的循環(huán)水快速排出，防止導(dǎo)風(fēng)管2內(nèi)部積水而影響進(jìn)風(fēng)；優(yōu)選地，排水孔2-1b的孔徑不大于50mm，如將排水孔2-1b的孔徑設(shè)計(jì)為48mm，在兼顧了排水效果的情況下，也有效避免了因排水孔開(kāi)孔過(guò)大而引起導(dǎo)風(fēng)管側(cè)壁漏風(fēng)的問(wèn)題。

如圖3、4所示，在本實(shí)施方案中，導(dǎo)風(fēng)管2由直管2-1和彎管2-2拼接而成，直管2-1的一端具有內(nèi)徑與另一端外徑相適配的直管擴(kuò)徑段2-1a，導(dǎo)風(fēng)橫管2a由若干節(jié)直管2-1首尾拼接而成，彎管2-2的一端具有內(nèi)徑與另一端外徑相適配的彎管擴(kuò)徑段2-2a，彎管2-2的彎管擴(kuò)徑段2-2a與直管2-1的端部拼接形成向上延伸的導(dǎo)風(fēng)豎管2b。具體地，若干節(jié)直管2-1先連接形成導(dǎo)風(fēng)橫管2a，彎管2-2的彎管擴(kuò)徑段2-2a與導(dǎo)風(fēng)橫管2a遠(yuǎn)離直管擴(kuò)徑段2-1a的一端插接連接。彎管2-2的兩端軸線相垂直，且彎管2-2的豎直段可直接作為導(dǎo)風(fēng)豎管2b，當(dāng)然，在彎管2-2的豎直段長(zhǎng)度不足時(shí)，也可在彎管2-2的豎直段上接上一端短管作為導(dǎo)風(fēng)豎管2b。采用上述直管2-1和彎管2-2拼接形成導(dǎo)風(fēng)管2，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和施工更加便捷。

返回圖1并結(jié)合圖5和圖6所示，上述的導(dǎo)風(fēng)橫管2a沿冷卻塔塔體1底部的支撐立柱1-5安裝，且導(dǎo)風(fēng)橫管2a通過(guò)不銹鋼支架固定于支撐立柱1-5上，利用冷卻塔原有支撐立柱1-5固定導(dǎo)風(fēng)管2，使導(dǎo)風(fēng)管2安裝固定更加簡(jiǎn)單方便。上述的不銹鋼支架包括定位環(huán)2-3、支撐柱2-4、鎖緊箍2-5和鎖緊螺母2-6，定位環(huán)2-3套設(shè)于導(dǎo)風(fēng)橫管2a的外壁上，能夠提高導(dǎo)風(fēng)橫管2a的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止導(dǎo)風(fēng)橫管2a變形，且定位環(huán)2-3的外側(cè)設(shè)有環(huán)槽；支撐柱2-4固定于支撐立柱1-5上，且自由端與導(dǎo)風(fēng)橫管2a的管壁相抵，支撐柱2-4優(yōu)選設(shè)置兩根，使導(dǎo)風(fēng)橫管2a的管壁支撐在兩根支撐柱2-4之間，提高導(dǎo)風(fēng)橫管2a的支撐穩(wěn)定性；鎖緊箍2-5為U形結(jié)構(gòu)，鎖緊箍2-5的中部繞于定位環(huán)2-3的環(huán)槽上，且鎖緊箍2-5的兩端分別通過(guò)鎖緊螺母2-6固定在支撐立柱1-5上，通過(guò)鎖緊箍2-5與支撐柱2-4即可將導(dǎo)風(fēng)管2牢固固定在支撐立柱1-5上。上述的不銹鋼支架耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鎖緊牢固穩(wěn)定。

圖5 自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置中導(dǎo)風(fēng)管的不銹鋼支架安裝示意圖

圖6 自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置中不銹鋼支架的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，在本實(shí)施方案中，導(dǎo)風(fēng)管2在冷卻塔塔體1底部的四個(gè)象限區(qū)A1、A2、A3、A4內(nèi)分別設(shè)有三根，導(dǎo)風(fēng)管2的導(dǎo)風(fēng)豎管2b靠近冷卻塔的中央豎井1-1。即，冷卻塔塔體1底部劃分為第一象限區(qū)A1、第二象限區(qū)A2、第三象限區(qū)A3和第四象限區(qū)A4，第一象限區(qū)A1、第二象限區(qū)A2、第三象限區(qū)A3和第四象限區(qū)A4內(nèi)分別設(shè)有三根導(dǎo)風(fēng)管2，使導(dǎo)風(fēng)管2在冷卻塔塔體1底部均勻分布。采用上述導(dǎo)風(fēng)管布置結(jié)構(gòu)，不僅方便了導(dǎo)風(fēng)管2的安裝和布置，而且能夠最大化地增強(qiáng)冷卻塔內(nèi)區(qū)的進(jìn)風(fēng)量，提高冷卻塔的冷卻能力。

圖2 自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置中各個(gè)導(dǎo)風(fēng)管在冷卻塔底部分布結(jié)構(gòu)示意圖

接圖1所示，本實(shí)施方案在原有自然通風(fēng)冷卻塔的基礎(chǔ)上，設(shè)置了自然通風(fēng)冷卻塔內(nèi)區(qū)風(fēng)力增強(qiáng)裝置，大大提高了自然通風(fēng)冷卻塔中心區(qū)域的進(jìn)風(fēng)量，改善了冷卻塔中心區(qū)域的冷卻效果，提高了自然通風(fēng)逆流式冷卻塔的整體冷卻效率（圖7和圖8）。

圖7 導(dǎo)風(fēng)管現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

圖8 冷卻塔導(dǎo)風(fēng)管增加內(nèi)區(qū)風(fēng)力和風(fēng)量的運(yùn)行圖片

3 技術(shù)改造后效果

改造后，經(jīng)華電電力科學(xué)技術(shù)研究院檢測(cè)，見(jiàn)表1。

表1 冷卻塔試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果匯總表

試驗(yàn)后的結(jié)論：福建華電永安發(fā)電有限公司5500m2自然通風(fēng)逆流式冷卻塔改造后冷卻塔的冷卻能力超過(guò)設(shè)計(jì)值（當(dāng)冷卻塔的實(shí)測(cè)冷卻能力達(dá)到95%及以上時(shí)，應(yīng)視為達(dá)到設(shè)計(jì)要求；實(shí)測(cè)冷卻能力達(dá)到105%以上時(shí)，應(yīng)視為超過(guò)設(shè)計(jì)要求），經(jīng)測(cè)試該公司冷卻塔單泵工況下實(shí)測(cè)冷卻能力值為109.57%，雙泵工況下實(shí)測(cè)冷卻能力值為107.08%。雙泵運(yùn)行工況下，冷卻塔修正后的出塔水溫為31.09℃，較改造前降低1.85℃。取得了較好的效果。

本次冷卻塔的技術(shù)改造，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命、節(jié)能降耗等方面，特別是對(duì)冷卻塔新型技術(shù)改造方面有著重要的意義。