自然通風(fēng)冷卻塔的新型節(jié)能降噪?yún)f(xié)同技術(shù)研究

王 飛，孫遠濤，韓 毅，顧小紅

（北京朗新明環(huán)保科技有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

自然通風(fēng)濕式冷卻塔是廣泛應(yīng)用于火電廠等的循環(huán)水冷卻，出塔的水溫等直接影響相關(guān)設(shè)備的真空度，從而影響冷端系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性能。冷卻塔內(nèi)空氣與熱水對流進行傳熱傳質(zhì)，與冷卻塔外空氣形成密度差，從而使冷卻塔產(chǎn)生抽力，將循環(huán)水中的廢熱排放到大氣中。環(huán)境無側(cè)風(fēng)時，冷卻塔內(nèi)外的流場是軸對稱分布的，而冷卻塔在不同季節(jié)、不同風(fēng)力條件下，受到側(cè)風(fēng)影響，流場的均勻性被打破，尤其在進風(fēng)口處，受到本身抽力和側(cè)風(fēng)的雙重作用，使冷卻塔的進風(fēng)性能受到嚴重影響，冷卻性能也隨之降低。

冷卻塔工作時，其主要噪聲源為進風(fēng)口氣流穩(wěn)流引起的氣流噪聲、冷卻塔內(nèi)循環(huán)水從上部流下濺落到水槽所產(chǎn)生的沖擊噪聲。這兩部分噪聲頻帶較寬、幅值較大。為達到環(huán)保指標，目前冷卻塔降噪廣泛采用的措施為在冷卻塔周邊設(shè)置半封閉式隔聲罩，該種方案成本低，效果較好。但是由于聲屏障有較高的水平高度，迎風(fēng)面大，這就與冷卻塔自身的通風(fēng)、冷卻性能之間產(chǎn)生矛盾，聲屏障的設(shè)置擾亂了其周邊流場環(huán)境，并增大了冷卻塔進風(fēng)口的通氣阻力，使得冷卻塔內(nèi)傳熱與傳質(zhì)效率降低，冷卻性能降低，不利于冷卻塔節(jié)能。

如何實現(xiàn)降噪與節(jié)能相結(jié)合，在實現(xiàn)冷卻塔降噪的同時，改善塔內(nèi)流場特性，增強傳熱傳質(zhì)效率，提供冷卻效率，實現(xiàn)節(jié)能，成為新的研究方向。

1 目前研究現(xiàn)狀

自然通風(fēng)濕式冷卻塔作為有效的冷卻設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電站熱力系統(tǒng)循環(huán)水的冷卻，其冷卻性能直接影響電站冷端系統(tǒng)的安全經(jīng)濟高效運行。同時，冷卻塔噪聲治理的難點在于寬頻帶、高量值的消聲要求與冷卻塔自身通風(fēng)散熱性能間的矛盾。

趙振國、翟志強等[1-2]通過模型試驗研究了側(cè)風(fēng)條件下干式冷卻塔進風(fēng)口的壓力和速度分布，表明側(cè)風(fēng)條件影響了塔兩側(cè)和背部的空氣入流，同時橫向風(fēng)的沖擊破壞了流場的均勻性和對稱性，產(chǎn)生復(fù)雜渦流，增加了塔內(nèi)通氣阻力。R.AL-Waked等[3]的數(shù)值模擬結(jié)果表明側(cè)風(fēng)下冷卻塔內(nèi)水氣分布嚴重不均是使冷卻性能降低的主要原因。M.Goodarzi[4]對干式冷卻塔的數(shù)值模擬結(jié)果表明，高速側(cè)風(fēng)使冷卻溫差減少了25%。張磊等[5]通過現(xiàn)場測試，研究了側(cè)風(fēng)下冷卻塔進風(fēng)口流場分布和通風(fēng)性能，與進一步分析了側(cè)風(fēng)下通風(fēng)性能與熱力性能的關(guān)系，為機組的優(yōu)化運行提供參考，并為冷卻塔的改造提供了試驗依據(jù)。結(jié)合實際側(cè)風(fēng)工況，從數(shù)值計算的角度研究了側(cè)風(fēng)對塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)和冷卻塔總體冷卻性能的影響機理，以及側(cè)風(fēng)條件下導(dǎo)流板、十字隔墻等控風(fēng)方案對塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)的影響機理。現(xiàn)有的研究為冷卻塔的節(jié)能改造提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

已有的實驗結(jié)果表明：低風(fēng)速時，即塔頂140 m處的環(huán)境氣流風(fēng)速與冷卻塔內(nèi)填料高度處風(fēng)速之比（簡稱風(fēng)速比）為1～3以下，側(cè)風(fēng)影響很小；當風(fēng)速比在1～3或7～12時，側(cè)風(fēng)產(chǎn)生明顯的不利影響，總阻力系數(shù)可增加50%，風(fēng)量可減小15%。對于側(cè)風(fēng)的影響，目前主要采用在冷卻塔進風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板、在雨區(qū)設(shè)置十字隔墻或兩種方案相耦合作用的改善方案。

孔祥軍等人[6]在現(xiàn)場測量的基礎(chǔ)上，著重分析了冷卻塔的噪聲特性及噪聲源，進而設(shè)計并詳細分析了針對不同噪聲源的噪聲治理方案。江世強等人[7]通過設(shè)置聲屏障來實現(xiàn)冷卻塔降噪，并在冷卻塔前上半部設(shè)置弧形導(dǎo)流板，規(guī)范進出口冷卻空氣的路徑，為冷卻塔節(jié)能降噪提供了設(shè)計思路。劉圣等人[8]從冷卻塔各噪聲源及其傳播路徑出發(fā)，采用大型通風(fēng)消聲器和吸聲型隔聲屏障的降噪措施實現(xiàn)冷卻塔降噪。

無論是側(cè)風(fēng)流場影響研究還是冷卻塔降噪研究，均是以兩個單獨的方向進行，未考慮降噪與節(jié)能的統(tǒng)一，實現(xiàn)降噪的同時，提高冷卻效率，實現(xiàn)節(jié)能。

2 已實施技術(shù)的優(yōu)劣分析

（1）國內(nèi)蚌埠電廠采用白俄羅斯技術(shù)在冷卻塔周邊設(shè)置混凝土聚風(fēng)墻，起到收集自然風(fēng)的作用，整體有效果，但據(jù)使用方介紹，有時也會出現(xiàn)負面的影響，且在降噪方面沒有效果。如圖1所示。

圖1 蚌埠電廠混凝土導(dǎo)風(fēng)墻的現(xiàn)場照片

（2）冷卻塔降噪方面目前大多采用兩種方案，一是聲屏障，如圖2所示的聲屏障對冷卻塔換熱效果的影響已經(jīng)有了大致的分析；二是消聲器，目前的消聲器主要功能是降噪，沒有資料顯示該措施能夠調(diào)節(jié)氣流，進而對冷卻塔的換熱產(chǎn)生有利的影響。

圖2 冷卻塔外設(shè)置聲屏障降噪的現(xiàn)場照片

對于冷卻塔降噪，目前常用的降噪方式為設(shè)置聲屏障，也有部分大型消聲器的應(yīng)用，但是這兩種降噪措施均對塔內(nèi)及進風(fēng)口流場產(chǎn)生較大的不利影響，無法保證節(jié)能與降噪的統(tǒng)一。

3 研究思路與總體研究內(nèi)容

3.1 研究思路

在冷卻塔雨區(qū)側(cè)部，高速空氣穿過雨區(qū)，而在進風(fēng)口側(cè)后方形成局部空氣出流區(qū)域，破壞了進風(fēng)口空氣徑向分速度軸向分布的均勻性，并直接影響了進風(fēng)口下游塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)區(qū)的空氣流場。在冷卻塔進風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板進行調(diào)控風(fēng)量，以達到改善進風(fēng)口空氣動力場的目的。導(dǎo)風(fēng)板沿冷卻塔軸向均勻地布置與進風(fēng)口外側(cè)，可使冷卻塔迎風(fēng)側(cè)進塔空氣盡可能在水平方向上沿徑向流入塔內(nèi)，從而減小冷卻塔進風(fēng)口側(cè)后方空氣出流區(qū)域，增大冷卻塔縱向通氣量。將新型寬頻吸隔聲材料兼容到導(dǎo)風(fēng)裝置中，吸收和隔斷塔內(nèi)及進風(fēng)口噪聲，保證周圍聲環(huán)境的同時，改善塔內(nèi)流場特性，提高傳熱傳質(zhì)效率，實現(xiàn)節(jié)能。

降噪方面目前主要通過設(shè)置聲屏障，降低氣流噪聲或其他塔內(nèi)噪聲向周圍環(huán)境的聲輻射。但是聲屏障由于迎風(fēng)面積較大，又對塔內(nèi)流場和進風(fēng)口阻力產(chǎn)生影響。因此考慮將導(dǎo)風(fēng)與吸聲降噪結(jié)合到一起，使得每個導(dǎo)風(fēng)口都成為一個消聲通道，在實現(xiàn)導(dǎo)風(fēng)改善流場的同時，達到消聲降噪的目的。

3.2 總體研究內(nèi)容

本項目通過在冷卻塔周圍合理設(shè)置可調(diào)節(jié)的導(dǎo)風(fēng)板，并將寬頻、高吸聲性能吸聲材料結(jié)合到導(dǎo)風(fēng)板中，使導(dǎo)風(fēng)板在合理的控風(fēng)條件下形成寬頻消聲通道實現(xiàn)節(jié)能與降噪的統(tǒng)一。

首先通過環(huán)境側(cè)風(fēng)對冷卻塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)影響機理的研究，分析冷卻塔在實際環(huán)境下的流場特性，為導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)及其形式提供依據(jù)。

根據(jù)側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔內(nèi)流場特性，合理設(shè)置導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)及其組合形式，減少側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔內(nèi)氣流出流現(xiàn)象，增大塔內(nèi)縱向氣流流量，降低進風(fēng)口通氣阻力，提供塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)效率，實現(xiàn)節(jié)能。

將寬頻、高吸聲性能吸聲材料結(jié)合到導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)中，使相鄰兩個導(dǎo)風(fēng)板形成一個高性能消聲通道，實現(xiàn)冷卻塔節(jié)能降噪的統(tǒng)一。

4 研究方法

（1）先進行現(xiàn)場調(diào)研，通過調(diào)研電廠當?shù)馗骷径鹊沫h(huán)境溫度、濕度以及風(fēng)力等情況，為冷卻塔內(nèi)流場分析提供參數(shù)數(shù)據(jù)條件。對冷卻塔無側(cè)風(fēng)、有側(cè)風(fēng)和設(shè)置聲屏障等工況條件的出水溫度、換熱效率等進行數(shù)據(jù)收集和分析，作為冷卻塔節(jié)能的參考數(shù)據(jù)。對冷卻塔各噪聲源進行現(xiàn)場測量，分析其頻帶特性和聲壓級強度，為吸聲材料的選用和吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供輸入條件。

（2）開展側(cè)風(fēng)環(huán)境對冷卻塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)機理影響的研究，分析不同側(cè)風(fēng)條件、是否設(shè)置聲屏障等工況下，冷卻塔內(nèi)流場特性（如圖3所示），對比不同工況下冷卻塔內(nèi)氣流橫向出流量、渦流情況、縱向通氣量、進風(fēng)阻力、傳熱傳質(zhì)效率（如圖4所示）等參數(shù)，為導(dǎo)風(fēng)調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖3 環(huán)境側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔內(nèi)流場分析

圖4 配水、填料、雨區(qū)傳熱傳質(zhì)系數(shù)

（3）開展冷卻塔進風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板調(diào)控風(fēng)的方案作用機理的研究，建立冷卻塔周邊設(shè)置不同的聲屏障（如圖5所示）、導(dǎo)風(fēng)水泥板（如圖6所示）、智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)及其組織形式模型（如圖7所示），分析不同側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔內(nèi)氣流橫向出流量，渦流情況、縱向通氣量、進風(fēng)阻力以及傳熱傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)，確定最優(yōu)化的智能化導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)及其組合形式，實現(xiàn)冷卻塔換熱提效節(jié)能。

圖5 冷卻塔設(shè)置聲屏障模型

圖6 冷卻塔設(shè)置導(dǎo)風(fēng)水泥片模型

圖7 冷卻塔進風(fēng)口設(shè)置智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板模型

（4）開展寬頻、高吸聲性能吸聲材料的研究，結(jié)合冷卻塔工作時現(xiàn)場使用條件、噪聲源頻譜特性等選用適合的吸聲材料，并根據(jù)智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板通風(fēng)尺寸等確定吸聲材料的吸聲性能及其結(jié)構(gòu)（如圖8所示）。將確定的吸聲結(jié)構(gòu)合理地與智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板相結(jié)合，實現(xiàn)冷卻塔的換熱提效節(jié)能的同時實現(xiàn)降低噪聲。

圖8 智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)消聲通道

（5）智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板消聲通道的試制生產(chǎn)，根據(jù)確定的吸聲結(jié)構(gòu)和導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)形式，試制生產(chǎn)導(dǎo)風(fēng)板消聲通道。

（6）智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板消聲通道消聲性能測試與改進，對導(dǎo)風(fēng)板消聲通道進行聲學(xué)性能測試，確定其消聲量及頻率范圍，與噪聲源的頻譜特性進行對比，確定消聲導(dǎo)風(fēng)板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（7）智能化調(diào)節(jié)消聲導(dǎo)風(fēng)板生產(chǎn)與現(xiàn)場施工，根據(jù)設(shè)計消聲導(dǎo)風(fēng)板參數(shù)進行設(shè)備生產(chǎn)，并進行現(xiàn)場施工。

（8）換熱提效節(jié)能降噪效果評測，冷卻塔進風(fēng)口設(shè)置消聲導(dǎo)風(fēng)板后，對冷卻塔的換熱效率、節(jié)能情況和降噪情況進行測試，以確認消聲導(dǎo)風(fēng)裝置的降噪與節(jié)能效果。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)環(huán)境側(cè)風(fēng)對冷卻塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)影響機理的研究和當?shù)貧庀蟮葪l件，確定合理的智能化導(dǎo)風(fēng)板調(diào)控風(fēng)量方案，消除環(huán)境側(cè)風(fēng)對塔內(nèi)流場的影響，減小冷卻塔空氣出流量，降低通氣阻力，提高塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)效率，降低能耗。

（2）將寬頻、高吸聲性能吸聲材料合理結(jié)合到智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)板中，形成消聲通道，實現(xiàn)節(jié)能與降噪的統(tǒng)一，并提高運行安全性能。

（3）智能化調(diào)節(jié)導(dǎo)風(fēng)消聲通道的設(shè)置可以解決傳統(tǒng)降噪方案中使用隔聲屏障等措施由于其體積大、迎風(fēng)面積大在運行期間存在的安全問題。

該技術(shù)不僅可以適用于自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔，對于其他類似冷卻塔也同樣適用。