自然通風冷卻塔增加內區風力技術改造的探討

陳建東，周文勝，陳軍

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

火電廠自然通風冷卻塔的冷卻性能和冷卻能力能夠直接影響到電廠機組運行的經濟性、穩定性和安全性。福建華電永安發電有限公司準備對一座5500m2雙曲線型逆流自然通風濕式冷卻塔內部部件進行局部優化：在局部區域修復淋水填料、除水器等部分老化部件的基礎上，進一步對冷卻塔塔芯其他部件進行優化，即淋水填料層采用不等高優化布置、傳統噴濺裝置更換為霧化效果更好的節能旋轉型噴濺裝置、冷卻塔下部加裝增加進風量的導風管，以實現淋水填料分布和淋水填料層內空氣動力場的良好匹配，實現冷卻塔整體熱力性能的最大化，同比運行條件下冷卻塔出塔水溫預計降低1～1.5℃。

1 自然通風冷卻塔改造方法

福建華電永安發電有限公司本次進行冷卻塔改造的計算方法：修正的熱力和空氣動力計算方法。

這種計算方法是建立在塔內淋水填料高度相同，配風、配水均勻的前提下，考慮到了雨區氣流流場特點及實際工業塔的雨區散熱能力。修正傳統算法的流體流動模式為填料區和填料以上的噴淋區，雨區。除了采用考慮雨區流場的阻力計算公式計算塔的阻力外，還把模擬試驗塔試驗得到的淋水填料冷卻數方程進行修正，從中減去模擬塔雨區尾效部分，同時加上實際工業塔的雨區尾效散熱。修正后的計算方法采用的計算公式為：

對于塔的填料底部內徑D=60～110m,進風口高度為Hp=5.75～11m（約為淋水面積3000～9500m2）,進風口相對高度。

不同高度的冷卻數按下式計算：

塔抽力：Hnd=Heg(ρ1-ρ2)

總阻力系數：ξ=ξ1+ξ2+ξ3

福建華電永安發電有限公司對本工程采取此種計算方法的原因：現在火電廠使用的冷卻塔，每個冷卻塔都有自己獨立的特點，修正的熱力計算和空氣計算方法是建立在塔內淋水填料高度相同，配風、配水均勻的前提下。

考慮到了雨區氣流流場特點及實際工業塔的雨區散熱能力，修正的熱力和空氣動力計算方法是在對冷卻塔雨區熱力特性研究的基礎上,進行了逆流式自然通風冷卻塔的軸對稱二維熱力計算,計算了淋水分布等幾個參數變化對冷卻水溫的影響,并給出了在均勻布水的條件下,用簡單的一維計算替代復雜的軸對稱二維計算的方法,為設計提供了一個既簡單又精確的計算方法。計算水溫和工業塔實測結果非常一致。

修正傳統算法的流體流動模式為填料區和填料以上的噴淋區，雨區。除了采用考慮雨區流場的阻力計算公式計算塔的阻力外，還把模擬試驗塔試驗得到的淋水填料冷卻數方程進行修正，從中減去模擬塔雨區尾效部分，同時加上實際工業塔的雨區尾效散熱。所以，此種計算方法更加簡單和精確。

2 技術改造措施

2021年3月份福建華電永安發電有限公司對5500m2自然通風冷卻塔進行了性能優化改造，這次改造的主要內容是：①將塔內損壞的淋水填料進行更換，并將淋水填料優化為不等高方式布置；②更換塔內全部噴濺裝置。對噴濺裝置的噴嘴流量根據風水配比的原理進行優化計算，重新進行優化布置，使冷卻塔內各區間的淋水密度與氣流流場及流速分布相匹配吻合；③為增加冷卻塔內區的風力和風量，加裝冷卻塔導風管，增大和增加內區的風力和風量，使冷卻塔塔內區能更好的進行風水配比。

通常情況下，冷卻塔內區域即使有自然的抽風，其風力和風量也被經淋水填料下來的雨霧阻攔，內區的風力和風量逐漸減弱，福建華電永安發電有限公司的技術人員經過縝密的思考和研究，通過一種新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，利用導風管進風，增加內區風力，加大內區風量來解決這一難題，增加了冷卻塔內區的風力和風量。

（1）新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，其在冷卻塔的塔體底部進風區設置若干根導風管，導風管的進風口延伸至塔體的外側，導風管的出風口延伸至冷卻塔的塔體內區，并且導風管由導風橫管和導風豎管兩部分組成，在塔體內區通過導風豎管將出風口豎向向上延伸一段距離，使冷卻塔外部的空氣能夠經過導風管向上引導至冷卻塔的內區，大大提高了冷卻塔內區的進風量，增強了冷卻塔內區的換熱效率，強化了冷卻塔的冷卻能力，使自然通風逆流式冷卻塔更加節能高效。

（2）新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，其導風管的直徑為800mm，導風管的導風豎管高度為500mm，使導風管向冷卻塔內區的風力引導效果更好，同時兼顧了大直徑導風管的制造難度，降低了傳統自然通風冷卻塔的改造成本。

（3）新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，其導風管的導風橫管底部設有若干排水孔，能夠方便落入導風管內的循環水快速排出，防止導風管內部積水而影響進風；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孔過大而引起導風管側壁漏風的問題。

（4）新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，其導風管由直管和彎管拼接而成，直管的一端具有內徑與另一端外徑相適配的直管擴徑段，導風橫管由若干節直管首尾拼接而成，彎管的一端具有內徑與另一端外徑相適配的彎管擴徑段，彎管的彎管擴徑段與直管的端部拼接形成向上延伸的導風豎管，采用上述直管和彎管拼接形成導風管，結構簡單，制造和施工更加便捷。

（5）新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，其導風橫管沿冷卻塔塔體底部的支撐立柱安裝，且導風橫管通過不銹鋼支架固定于支撐立柱上，利用原有支撐立柱固定導風管，使導風管安裝固定更加簡單方便；不銹鋼支架包括定位環、支撐柱、鎖緊箍和鎖緊螺母，不銹鋼支架耐腐蝕性強，使用壽命長，且結構簡單，鎖緊牢固穩定。

（6）新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，其導風管在冷卻塔塔體底部的四個象限區內分別設有三根，導風管的導風豎管靠近冷卻塔的中央豎井，采用上述導風管布置結構，不僅方便了導風管的安裝和布置，而且能夠最大化地增強冷卻塔內區的進風量，提高冷卻塔的冷卻能力。

（7）新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，其在原有自然通風冷卻塔的基礎上設置了自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，大大提高了自然通風冷卻塔中心區域的進風量，改善了冷卻塔中心區域的冷卻效果，提高了自然通風逆流式冷卻塔的整體冷卻效率。

示意圖中的標號說明：1、塔體；A1、第一象限區；A2、第二象限區；A3、第三象限區；A4、第四象限區；1-1、中央豎井；1-2、進水方溝；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、導風管；2a、導風橫管；2b、導風豎管；2-1、直管；2-1a、直管擴徑段；2-1b、排水孔；2-2、彎管；2-2a、彎管擴徑段；2-3、定位環；2-4、支撐柱；2-5、鎖緊箍；2-6、鎖緊螺母。

圖4 自然通風冷卻塔內區風力增強裝置中組成導風管的彎管結構示意圖

現場具體的實施方案：

結合圖1所示，一種新型的自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，包括安裝于塔體1內的若干根導風管2，導風管2沿徑向布置于塔體1底部的進風區，且導風管2的進風口延伸至塔體1的外側，導風管2的出風口延伸至冷卻塔的塔體1內區，塔體1外側的空氣能夠經過導風管2引入塔體1的中心區域，進而增強冷卻塔內區風力。在本實施方案中，上述的導風管2包括導風橫管2a和導風豎管2b，導風橫管2a沿冷卻塔徑向水平固定于塔體1的進風區內，導風豎管2b的下端與導風橫管2a伸入塔體1內區的一端相連接，將導風管2的出風口豎向向上延伸。與現有冷卻塔導風管設計不同，本實施方案中將導風管設計為導風橫管和導風豎管兩部分，在塔體內區通過導風豎管將出風口豎向向上延伸一段距離，使冷卻塔外部的空氣能夠經過導風管向上引導至冷卻塔的內區，大大提高了冷卻塔內區的進風量，增強了冷卻塔內區的換熱效率，強化了冷卻塔的冷卻能力，使自然通風逆流式冷卻塔更加節能高效。

圖1 自然通風冷卻塔內區風力增強裝置在冷卻塔底部的安裝結構示意圖

在本實施方案中，上述的導風管2的直徑為800mm，導風管2的導風豎管2b高度為500mm。使導風管2向冷卻塔內區的風力引導效果更好，同時兼顧了大直徑導風管的制造難度，降低了傳統自然通風冷卻塔的改造成本。另外，由于導風管2的出風口位于冷卻塔的中心區域，且出風口方向朝上，冷卻塔雨區的循環水容易經過導風豎管2b落入導風管2內，因此，為了防止導風管2內部積水而阻礙進風量，在導風管2的導風橫管2a底部設有若干排水孔2-1b，能夠方便落入導風管2內的循環水快速排出，防止導風管2內部積水而影響進風；優選地，排水孔2-1b的孔徑不大于50mm，如將排水孔2-1b的孔徑設計為48mm，在兼顧了排水效果的情況下，也有效避免了因排水孔開孔過大而引起導風管側壁漏風的問題。

如圖3、4所示，在本實施方案中，導風管2由直管2-1和彎管2-2拼接而成，直管2-1的一端具有內徑與另一端外徑相適配的直管擴徑段2-1a，導風橫管2a由若干節直管2-1首尾拼接而成，彎管2-2的一端具有內徑與另一端外徑相適配的彎管擴徑段2-2a，彎管2-2的彎管擴徑段2-2a與直管2-1的端部拼接形成向上延伸的導風豎管2b。具體地，若干節直管2-1先連接形成導風橫管2a，彎管2-2的彎管擴徑段2-2a與導風橫管2a遠離直管擴徑段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風豎管2b，當然，在彎管2-2的豎直段長度不足時，也可在彎管2-2的豎直段上接上一端短管作為導風豎管2b。采用上述直管2-1和彎管2-2拼接形成導風管2，結構簡單，制造和施工更加便捷。

返回圖1并結合圖5和圖6所示，上述的導風橫管2a沿冷卻塔塔體1底部的支撐立柱1-5安裝，且導風橫管2a通過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固定導風管2，使導風管2安裝固定更加簡單方便。上述的不銹鋼支架包括定位環2-3、支撐柱2-4、鎖緊箍2-5和鎖緊螺母2-6，定位環2-3套設于導風橫管2a的外壁上，能夠提高導風橫管2a的結構強度，防止導風橫管2a變形，且定位環2-3的外側設有環槽；支撐柱2-4固定于支撐立柱1-5上，且自由端與導風橫管2a的管壁相抵，支撐柱2-4優選設置兩根，使導風橫管2a的管壁支撐在兩根支撐柱2-4之間，提高導風橫管2a的支撐穩定性；鎖緊箍2-5為U形結構，鎖緊箍2-5的中部繞于定位環2-3的環槽上，且鎖緊箍2-5的兩端分別通過鎖緊螺母2-6固定在支撐立柱1-5上，通過鎖緊箍2-5與支撐柱2-4即可將導風管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，使用壽命長，且結構簡單，鎖緊牢固穩定。

圖5 自然通風冷卻塔內區風力增強裝置中導風管的不銹鋼支架安裝示意圖

圖6 自然通風冷卻塔內區風力增強裝置中不銹鋼支架的側視結構示意圖

如圖2所示，在本實施方案中，導風管2在冷卻塔塔體1底部的四個象限區A1、A2、A3、A4內分別設有三根，導風管2的導風豎管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A1、第二象限區A2、第三象限區A3和第四象限區A4，第一象限區A1、第二象限區A2、第三象限區A3和第四象限區A4內分別設有三根導風管2，使導風管2在冷卻塔塔體1底部均勻分布。采用上述導風管布置結構，不僅方便了導風管2的安裝和布置，而且能夠最大化地增強冷卻塔內區的進風量，提高冷卻塔的冷卻能力。

圖2 自然通風冷卻塔內區風力增強裝置中各個導風管在冷卻塔底部分布結構示意圖

接圖1所示，本實施方案在原有自然通風冷卻塔的基礎上，設置了自然通風冷卻塔內區風力增強裝置，大大提高了自然通風冷卻塔中心區域的進風量，改善了冷卻塔中心區域的冷卻效果，提高了自然通風逆流式冷卻塔的整體冷卻效率（圖7和圖8）。

圖7 導風管現場安裝照片

圖8 冷卻塔導風管增加內區風力和風量的運行圖片

3 技術改造后效果

改造后，經華電電力科學技術研究院檢測，見表1。

表1 冷卻塔試驗數據及計算結果匯總表

試驗后的結論：福建華電永安發電有限公司5500m2自然通風逆流式冷卻塔改造后冷卻塔的冷卻能力超過設計值（當冷卻塔的實測冷卻能力達到95%及以上時，應視為達到設計要求；實測冷卻能力達到105%以上時，應視為超過設計要求），經測試該公司冷卻塔單泵工況下實測冷卻能力值為109.57%，雙泵工況下實測冷卻能力值為107.08%。雙泵運行工況下，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。

本次冷卻塔的技術改造，在保證機組安全穩定運行、延長機組使用壽命、節能降耗等方面，特別是對冷卻塔新型技術改造方面有著重要的意義。