無填料噴霧冷卻塔在大型火電機組中的應用

吳承剛

(中電投新疆能源化工集團 五彩灣發電有限責任公司，新疆昌吉 831799)

大型火電機組的輔機冷卻水系統均設置機力通風冷卻塔，主要是降低輔機循環冷卻水溫度，確保火電廠各類輔機設備可靠運行。目前國內大型火電機組均大量采用與主機水冷機組相似的填料噴霧型機力通風冷卻塔(簡稱填料塔)，但近幾年在化工項目、冶金項目的工業循環冷卻中試采用無填料噴霧型機力通風冷卻塔(簡稱無填料塔)。筆者以新疆五彩灣某660 MW級火電項目為例，對兩種輔機冷卻方式進行研究分析，從而確定設備選型方案。

1 填料塔與無填料塔的對比

傳統的填料塔是將循環被加熱的水噴灑在塔內的填料上，形成水膜，通過水膜與空氣的交換將熱水冷卻。經過多年應用實踐，該類型冷卻塔冷卻效果能充分滿足火電廠正常的生產使用要求，在設備及填料正常情況下機組運行較可靠。但也存在一些問題：首先，在填料選擇上存在通風阻力與散熱能力的矛盾[1-2]，即散熱能力好的填料通風阻力大，通風阻力小的填料水質散熱能力又差，隨著運行時間的增長，尤其是在水質惡劣的情況下，水中的鈣鎂無機鹽及微生物不斷黏附在填料上，堵塞填料而增大氣流阻力，影響散熱效果，使冷卻能力下降；其次，填料塔多用塑料做填料，塑料的變形、壓陷、老化，造成填料破碎并失去散熱能力，堵塞管道，釀成事故，因而須要頻繁更換填料，提高了運行成本；最后，在處理高濁度和易結垢的循環水時，冷卻效率相對較高的薄膜填料表面易于黏附水中雜質和結垢并逐漸積聚下來，致使填料的親水能力大幅下降，冷卻效率隨之降低，當積聚雜質達到一定程度時，填料本身不能承受這個重量，便出現填料斷裂、塌陷現象[3]。

無填料塔突破了傳統的填料塔設計思路，去除了冷卻塔設備中的聚氯乙烯(PVC)填料部分，對塔內配水系統進行了重大改進，采用了全新開發的專用導向霧化噴頭。該類型噴頭采用蝸殼式導流腔作為冷卻元件，取代了傳統填料塔的填料和布水裝置，使整塔幾乎成為一個空塔，結構大大簡化。能使循環水在導流腔內形成急速的旋流，再通過流線型霧化噴嘴旋噴出來，形成獨特的霧化效果，上噴的霧化水滴在上升、回落過程中與冷空氣在無填料的情況下進行正常的水氣熱交換，從而達到循環水降溫冷卻的目的。無填料塔將霧化裝置安裝在進風道上方，水的噴射方向與軸流風機抽吸的冷風同向，同時水有上升、下降及懸浮三個過程，冷卻也有順流冷卻和逆流冷卻兩個過程。無填料塔因填料取消，使塔體載荷大大減小，無需更多的支承梁板，土建結構簡化，節約土建投資。無填料塔為一排布置、單側上水、雙面進風。中空式無填料塔由于去除了常規塔的填料部分，從而避免了由于水質原因而導致的填料性能的下降和破壞，對處理高溫、高濁度、易結垢循環水有著重要的意義，在中、高溫循環水的處理中越來越廣泛。冷卻塔進行循環水冷卻的關鍵是使水氣進行充分的熱交換，相對填料塔具有以下優點：

(1)因無填料，系統阻力小、氣流風速大，靜壓約為填料塔的50%，同時氣流量增大20%。

(2)采用霧化裝置，使水以霧滴狀與氣流接觸，并有先上后下兩個過程，傳熱傳質徹底；避免了由于填料結垢、長菌、生藻、黏泥，以及老化、變形、脆裂引起的堵塞、局部死區、溝流，進而避免了冷卻分布不均勻現象。

(3)冷卻水量大。在風機、塔體尺寸相同的情況下，水量比填料塔提高10%。

(4)運行費用低。因無填料，運行阻力小，霧化冷卻效率高，自然通風好，冬季停開風機時間長，較填料冷卻塔綜合節能降耗25%。

(5)使用周期長，維修方便。噴霧冷卻塔內部空間大，維修保養方便，根本上杜絕由填料問題所引起的填料層堵塞、局部死區、溝流、填料碎片堵塞而影響系統管道等設備性能的現象。

(6)運行穩定，機械噪聲比填料塔降低6 dB。

2 無填料塔的基本特點

無填料塔在結構上可采用全鋼結構和鋼筋混凝土結構形式，均為逆流式、多塔一排布置、單側上水、雙面進風，見圖1。中空式無填料塔由于沒有填料，要達到熱交換的目的，就必須使淋水段的水滴粒徑足夠小，從而盡可能增大水與空氣的接觸面積，采用上噴布置的切線進水噴頭解決了這一問題，水滴粒徑小于1 mm，布水情況良好，無中空現象，滿足正常的水氣熱交換的要求[4]。

圖1 無填料塔的典型布置示意

在北方，大部分為干旱多沙塵地區，循環水的水質較差，如使用填料塔，將會導致塔內填料滋生菌和藻類(填料是菌、藻類滋生的溫床)，其尸體會沉積在填料表面上增加塔的載荷，而且老化、變形的填料會造成堵塞，產生的死區、溝流等導致冷卻點溫度分布不均勻，不利于熱交換，這些都嚴重影響了塔的效果和壽命。另外，老化、變形的填料還會形成淤泥堆積在換熱器表面，從而降低傳熱系數，降低了系統效率。同時填料脆裂后碎片堵塞系統影響生產。填料塔多用塑料做填料，塑料的變形、壓陷、老化，造成填料破碎，失去散熱能力，因而須要頻繁更換填料，提高了運行維護成本。

雖然噴霧塔的噴口要求壓力較有填料冷卻塔的噴口要求壓力稍高，但綜合比較而言，尤其對處理冷卻規模較大的塔，塔的總耗電比下降明顯，經濟效益顯著。噴霧冷卻塔噴頭口徑大，對于高濁度易結垢循環水噴頭不易堵塞，具有明顯的技術優勢，特別適用于處理高溫、高濁度、易結垢循環水，收水器上部安裝變頻風機，材質為玻璃鋼的機翼型葉片，風機配套減速器，與填料塔類似。風機外觀仍然采用聚酯樹脂和玻璃纖維布，采用模壓成型。

無填料塔的核心裝置是配水系統、霧化裝置和噴嘴。成對布置的切線進水噴頭是一種用于冷卻塔管式配水系統布水的新型噴頭布置，鎖緊裝置為基礎組成一單元，噴頭環形布置，出水形成上噴，該布置形式使出水水滴足夠小而且布水均勻，無中空現象[5]。

而填料塔的維護、清洗和更換十分繁瑣，新建或更換填料時，安裝造成的填料破損率為8%以上；而無填料塔可在15年內保證新建塔的完好性。

噴頭霧化效果見圖2，不同類型噴頭見圖3。

圖2 噴頭霧化效果

圖3 不同類型噴頭設計圖

無填料塔采用切線進水噴頭環型布置，通過多只切線進水的霧化噴頭的嚴格對中，使出水旋流方向相反的噴頭出水發生對撞，水滴的動能被消耗，碰撞時能量的消耗使水滴進一步被打碎，這樣就實現了在較低的進水壓力下噴頭出水粒徑足夠小而且十分均勻[6]。在噴頭正常工作壓力范圍內，水滴粒徑控制在0.5～1.0 mm，可以避免水滴過細而隨風飄走。由于激烈的水滴對撞，消除了原切線進水離心噴頭的布水中空現象，同時在風機運轉狀態下，塔內向上的空氣線速度達2.5～3.0 m/s，此時0.5～1.0 mm的水滴在塔內處于懸浮并逐步下降的運行中，空間停留時間可達8～10 s，從而實現水氣充分的熱交換。該新型中空冷卻塔能實現無淋水填料裝置情況下的高效水氣熱交換[7]。

3 節能效益對比

該項目在新疆五彩灣地區，需要機力通風冷卻塔3臺。

(1)電費：3臺2 300 m3/h的無填料塔，按每小時可節電10 kW·h、0.6 元/(kW·h)，每年運行5 000 h計，單塔每年節省電費3萬元，3臺無填料塔每年共節省電費9萬元。

(2)水處理藥劑費：按每年單塔節約4萬元，3臺塔每年12萬元，減少化工水處理藥劑的投加，也減少了對水資源的污染。

(3)檢修材料費：可省去填料更換費用和換熱器檢修費用，按3年更換填料計，每3年更換3臺塔填料費用約45萬元，每年約15萬元；每年2次清理換熱器，可每年節約檢修材料費約21萬元。

通過比較，采用無填料塔有很好的節能效果，3臺2 300 m3/h的無填料塔相對填料塔每年可節約42萬元。

4 結語

無填料塔是一種新型的冷卻塔，相較于傳統型冷卻塔取消了填料，避免了因填料引起的堵塞管道、泵和換熱器等設備。采用高效低壓離心霧化裝置將水噴射成微小霧滴，增大傳熱面積，改善冷卻效果，降低了運行及維護成本，提高在炎熱、高沙塵環境中使用的可靠性，非常適宜在大型火電項目中推廣應用。