大型冷凝式消霧節水冷卻塔性能試驗研究

王為術，甄 娟，王明勇，高 明，張 強，徐清華，郭欣維

（1.華北水利水電大學電力學院，河南鄭州 450045； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710000；3.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南 250061； 4.山東藍想環境科技股份有限公司，山東安丘 262100）

水資源短缺是全球性問題，中國是嚴重缺水國家，人均水資源量僅為世界人均量的1/4，但同時全國水資源利用率低，尤其是工業用水的循環使用率遠低于發達國家〔1-3〕。水資源短缺已經成為限制經濟發展的重要因素，實行水資源消耗總量和強度控制是解決水資源約束、水環境污染和水生態惡化的關鍵措施〔4〕。冷卻塔是電力、石油化工、冶金等工業領域生產重要冷端設備和冷卻水流程的關鍵裝置，其冷卻性能是影響冷卻塔運行經濟效益和安全性能的關鍵〔5-6〕。

機械通風冷卻塔是依靠風力完成循環水冷卻的重要裝置，分布廣泛、數量龐大。機械通風冷卻塔生產運行中循環水損失大〔7〕，研究者常基于數值模擬和現場試驗的方法對冷卻塔的消霧節水性能和運行狀態進行研究。針對機械通風冷卻塔的水損失問題，研究者提出了靜電沉聚捕獲〔8〕、機械分離捕獲〔9〕及冷凝式〔10〕冷卻塔等技術。劉乃玲等〔11-12〕基于常見技術分別提出了干濕兩用冷卻塔，結合翅片換熱結構利用換熱盤管將冷卻水和空氣隔開流動。O.KWON 等〔13〕提出了一種包括多個濕氣流動通道的熱交換冷凝板組件。王為術等〔14-15〕研究設計了新型菱形模塊的消霧節水冷卻塔，并成功應用于深度節水消霧工程實踐。近五年，工業冷卻消霧行動催生了多種消霧冷卻塔，消霧節水冷卻塔性能指標和運行評價日益被重視，在冷卻塔的性能測試中，冷卻塔的進塔參數、出塔參數、以及冷卻水、噴淋填料、空氣流量等是主要的測試參數〔16-17〕。M. DEZIANI 等〔18〕對冷凝消霧節水冷卻塔模型進行了實驗研究，結果表明實驗室模型節水率高達35%。賈曉明等〔19〕針對某冷凝式消霧節水冷卻塔進行了出塔空氣參數和節水率的試驗研究，發現該冷卻塔節水率為25%，符合節水要求。

筆者所研發的新型菱形消霧節水冷卻塔是對傳統機械通風冷卻裝備的轉型升級，開發了包括在役的有限空間型冷卻塔（CSCT）、新建的自由空間型冷卻塔（FSCT）等系列冷卻節水模塊裝置，大幅提升了工業水效，有效消除了工業霧羽污染。但其消霧及節水性能實際如何未見報道。為獲得理想的節能減排效果并提高經濟效益，需要對消霧節水系統的運行進行評估。本研究對設計循環水量為5 000 m3/h的冷凝式消霧節水冷卻塔的出塔參數進行了實測，對冷卻塔的消霧、節水及節能性能進行了測試和分析。研究結果可為掌握冷凝式消霧節水冷卻塔運行性能提供參考。

1 評價模型

1.1 消霧評價指標

1）相對濕度的計算及修正。由實測環境氣象參數、進塔空氣參數和出塔空氣參數計算空氣相對濕度。當實測大氣壓與設計大氣壓不一致時，應對實測相對濕度進行修正，修正公式見式（1）。

式中：Rhc——修正后的相對濕度，%；

Rh——實測的相對濕度，%；

pa——設計大氣壓力，kPa；

pb——實測的大氣壓力，kPa。

2）消霧指數（TPI）。TPI 為實測條件下設計出塔空氣相對濕度與實測出塔空氣相對濕度的比值，公式見式（2）。

式中： TPI——消霧指數，%；

Rhgc——設計出塔相對濕度，%；

Rhm——修正的實測出塔相對濕度，%。

當TPI 大于100%認為冷卻塔消霧性能滿足設計要求。

1.2 節水評價指標

冷卻塔節水性能可通過節水率η來反映。η為冷凝模塊冷凝回收水量Qc與原始蒸發損失水量Qe的比值，其計算見式（3）。

式中：η——節水率；

Qc——冷凝模塊冷凝回收水量，m3/h；

Qe——原始蒸發損失水量，m3/h。

式（3）中Qe的計算見式（4）、式（5）。

式中：Pe——蒸發損失水率；

Q——冷卻塔的進水量，m3/h；

Ke——蒸發損失水量系數，℃-1；

Δt——冷卻塔循環水溫差，℃。

不同進塔空氣干球溫度下的蒸發損失水量系數Ke是影響節水率的因素，計算獲得的節水率η越大，該冷卻塔的節水性能越好，常用插值法計算獲得。

1.3 節能評價指標

冷卻塔能力的評估受多方面因素的影響，其主要的耗能是風機的電能消耗。進行消霧節水措施后其冷凝回收水量可作為循環補水使用，進而降低了風機能耗，也具有較好的經濟效益和環保效益。

循環補水量減小使風機電力消耗減少的計算見式（6）。

式中：N——電力損耗，kW·h；

ρ——冷凝水密度，kg/m3；

Q——循環水量，m3/h；

H——冷卻塔上塔揚程，m；

t——運行時間，h；

η——總傳動效率，取0.85。

2 冷卻塔設計參數

2.1 氣象參數

冷卻塔設計的氣象參數選取能夠代表冷卻塔所在地氣象特征的氣象資料，研究所用的大氣壓力為100.29 kPa，干球溫度為30.3 ℃，濕球溫度為26.8 ℃。

2.2 結構參數

研究所用的消霧節水冷卻塔整體結構如圖1 所示，設計主要結構參數：水量為5 000 m3/h，冷卻塔進水溫度為43 ℃，冷卻塔出水溫度為33 ℃，冷卻塔長寬均為19 m，設計風量為3 000 000 m3/h，風機葉片尺寸為9 754 mm，電機功率為220 kW。

圖1 整體結構示意Fig.1 Overall structure diagram

冷卻塔的收水工作過程主要為：噴水裝置將熱循環水噴灑至填料區，冷空氣與循環水接觸換熱，同時水汽蒸發作用使循環冷卻水溫度降低，經過填料區的冷空氣溫度升高，含濕量增加，形成濕熱空氣，飽和濕熱空氣通過冷風通道下方隔板導流進入熱風通道，干冷空氣通過百葉窗進口流入冷風通道，熱風通道與冷風通道中的熱冷空氣分別進入間壁式換熱器的熱冷通道進行換熱，經過換熱后，由風機排出到大氣中。

2.3 菱形消霧節水系統

傳統的機械通風冷卻塔中，飽和的濕熱空氣與環境中的冷空氣在冷卻塔出口混合，冷凝后形成霧團，難以回收利用，造成大量的水分蒸發，同時霧團的存在也會影響周圍環境。同時，傳統的通風冷卻塔空間高度有限，散熱器換熱面積小，也會導致消霧節水的效果較差。

針對傳統機械通風冷卻塔存在的不足之處，新型消霧節水裝置既能達到冷卻塔的溫降要求，又能獲得較好的消霧節水效果。菱形結構設計的凝水消霧模塊中，干冷空氣和濕熱蒸汽從不同的通道進入模塊內部，模塊內部接觸面積大，冷卻效果好，同時菱形消霧節水模塊通過塔頂的吊件懸掛并在左右兩側進行固定，使菱形消霧節水模塊位于塔體的中上部，更有利于冷卻塔的消霧和節水過程。同時，在菱形消霧節水模塊底部設置隔板，隔板隔開冷熱交替的通道，使冷熱氣體從不同的方向進入菱形消霧節水模塊，在模塊內部進行消霧節水的冷卻過程。

消霧節水裝置由冷風通道、熱風通道及菱形多排換熱裝置構成，消霧節水系統及菱形消霧單元簡圖如圖2、圖3 所示。

圖2 消霧節水系統示意Fig.2 Mist elimination and water saving system diagram

圖3 菱形消霧單元簡圖Fig.3 Mist elimination device unit sketch

冷卻塔前后兩側為百葉窗空氣進口，塔外干冷空氣通過百葉窗空氣進口進入冷風通道，冷風通道下方隔板采用三角形布置，可對濕熱空氣起到導流作用，經導流后的濕熱空氣與干冷空氣在菱形消霧單元混合進行換熱，冷凝之后的水滴落入收水器，再經排水系統淋至填料區，最后進入集水池。

3 現場試驗

3.1 試驗參數

1）氣象參數。大氣壓力采用空盒式大氣壓力表測量，儀表安放在通風遮陽處。環境干濕球溫度用DHM2 型機械通風阿斯曼干濕球溫度計測量，測量誤差為0.2 ℃，測試點距塔邊緣30 m，高度為1.5 m。進塔空氣干、濕球溫度用DMH2 型機械通風阿斯曼干濕球溫度計測量，測試點布置在距冷卻塔進風口約2 m 處，高度為1.5～2 m。

2）進、出塔水溫。采用JM624 型便攜式鉑電阻數字點溫計測量。進塔水溫在進塔水管的放空管處放水測量，出塔水溫在冷卻塔水池上分區接水測量。

3）進塔冷卻水量。采用富士FSC-1 超聲波流量計測量，測試點布置在冷卻塔上水母管直管段三分之二處。

4）進、出塔空氣參數。采用L 型皮托管和微壓計測量，測試點布置在冷卻塔風筒喉部斷面處。

3.2 數據處理

選取各項參數穩定的測試工況點作為有效測試工況點，以有效測試工況點的實測數據作為評價冷卻塔冷卻能力的計算依據。同一測試工況點下，進出塔水溫和進塔干、濕球溫度均取多次測量值的算術平均值為該測試工況點下參與計算的代表值。

各風量測點的風速Vi按下式計算：

式中：ΔPdi——各測點的動壓，Pa；

ρa——風量測試斷面空氣的容重，kg/m3。

通風量G按下式計算：

式中：F——風量測試斷面面積減去風機輪轂面積，m2；

n——測點總數。

3.3 試驗結果

選擇試驗工況為冬季運行工況，并待工況調整穩定后進行試驗測量。

1）氣象參數。根據測試結果，分別記錄6 組環境大氣壓力及進口風和環境的干濕球溫度，對數據處理可知，大氣壓平均值為102.3 kPa，進口風的干球溫度為6.1 ℃、濕球溫度為2.8 ℃，環境的干球溫度為6.0 ℃、濕球溫度為2.6 ℃。

2）循環水量。測試過程中，上塔水量為設計工況流量，即循環水量為5 000 m3/h。

3）進出塔水溫。水溫參數共測量了1 處進塔和6 處出塔的水溫，對試驗數據計算處理可得進塔水平均溫度為38 ℃，出塔水平均溫度為28 ℃。進出塔水溫相差10 ℃，可見實際的消霧節水冷卻性能良好。

4）風機風量。風機風量需要根據風機動壓和速度計算獲得，風機動壓及速度的測量參數如表6 所示，共測量了電機側和背電機側的動壓和速度值。為避免測量形成的誤差，每側共10 組數據，并對其處理，獲得電機側和背電機側動壓和速度的平均值。電機側的動壓平均值為109.25 kPa，背電機側的動壓為99.19 kPa，電機側和背電機側的動壓相差約10 kPa。電機側速度平均值為11.83 m/s，背電機側的平均速度為11.34 m/s，兩側的速度相差0.5 m/s，可知風機風量參數基本穩定。通過式（8）計算可得風機風量為3 040 000 m3/h。

5）百葉窗處風量。百葉窗處的風量也是影響冷卻塔消霧性能的因素之一，該消霧冷卻塔在南側和北側各有4 個百葉窗戶，每個百葉窗共測量16 個參數，8 個百葉窗共128 個試驗值，整理數據可知，百葉窗處平均速度為8.16 m/s。單個百葉窗面積為3.2×2.2=7.04 m2，百葉窗數量為8 個，百葉窗凈面積比為0.85，則根據式（8）計算可得上部百葉窗進風量為1 406 046 m3/h。

6）下部進風量。除了百葉窗的進風外，下部進風口也是主要的進風設備，南北兩側分別設置15 個測點，進行5 次測量，整理測量風速值可知，南北側的平均進風風速分別為2.04、2.07 m/s，下部進風口單面面積為18.1×5=90.5 m2，根據式（8）計算可得冷卻塔下部進風量為1 339 762m3/h。

7）出塔空氣參數。出塔空氣參數是冷卻塔性能評估的重要參數，本試驗的出塔空氣參數和流速采用20 個等面積區域進行測量，并對20 個區域內的空氣參數進行質量加權平均，整理數據可知，出塔空氣的平均速度為12.06 m/s，干球溫度為26.89 ℃，濕球溫度為24.5 ℃，相對濕度為82.34%，含濕量為0.018 383 kg/kg，空氣密度為1.177 103 kg/m3，質量流量為14.200 8 kg/s。

4 試驗結果性能分析

4.1 消霧性能分析

判斷冷卻塔是否有羽霧出現的關鍵性因素是冷卻塔所處的環境氣象參數及出塔空氣狀態參數〔20〕。在出塔氣流與環境大氣的混合過程中，需保證其混合狀態點不通過羽霧可見區和不在飽和曲線上，即能實現“零霧型”的設計。試驗工況下平均結果如表1 所示。

表1 氣象參數及冷卻塔運行狀態測試結果Table 1 Meteorological parameters，i.e. the test results of the cooling tower operating state

由表1 可知，設計大氣壓力為102.9 kPa，而實測大氣壓力為102.3 kPa，需對參數進行修正。基于消霧模型中的式（1）和式（2）對參數進行修正，修正后的環境空氣相對濕度為55.18%，進塔空氣相對濕度為56.62%，出塔空氣相對濕度為82.28%。基于修正后的實測參數，繪制出塔空氣擴散實測特性曲線，如圖4 所示。

圖4 出塔空氣實測特性曲線Fig.4 The measured characteristic curve of the air out of the tower

由圖4 可知，環境空氣干球溫度為6 ℃、相對濕度為55.18%，實測出塔空氣干球溫度為26.9 ℃、相對濕度為82.28%。消霧冷卻塔設計參數：循環水量為5 000 m3/h，進出塔溫降為10 ℃。消霧氣象條件：空氣干球溫度為5 ℃，濕球溫度為2.1 ℃，相對濕度為60%。設計條件下出塔空氣特性曲線如圖5所示。

圖5 出塔空氣設計特征曲線Fig.5 Design characteristic curve of the air out of the tower

由圖5 可知，通過線性差值獲得實測進塔空氣條件下的設計出塔空氣參數，即干球溫度為26.6 ℃，濕球溫度為24.6 ℃，大氣壓力為102.9 kPa，相對濕度為85%。結合實測進塔空氣條件下的設計出塔空氣參數和實測出塔空氣參數繪制消霧性能判斷圖，如圖6 所示。

圖6 消霧性能判定圖Fig.6 Determination diagram of anti-fogging performance

由圖6 可知，實測特性曲線位于設計特性曲線下方，表明該消霧塔符合“零霧型”冷卻塔設計要求。同時，該消霧節水冷卻塔的設計出塔空氣相對濕度為85%。實測出塔的相對濕度為82.28%，該塔的消霧指數為1.03，可知該塔消霧性能良好。

4.2 節水性能分析

冷卻塔循環水量、熱負荷、氣象參數是影響消霧冷卻塔節水性能的關鍵因素，節水試驗結果如表2所示。

表2 節水試驗結果Table 2 Water saving test results

由表2 可知，進塔空氣干球溫度為6.1 ℃。進塔空氣干球溫度為0 ℃時Ke為0.10 ℃-1；干球溫度為10 ℃時Ke為0.12 ℃-1；插值計算可知干球溫度為6.1 ℃時Ke為0.112 2 ℃-1，溫差為10 ℃，可根據節水評價指標計算得蒸發損失水率Pe為1.122%，蒸發損失水量Qe為56.1 m3/h，節水率η=25.3%。

由于回收的冷凝水為循環水原本蒸發損失的部分，該部分水回收后又可作為循環水或鍋爐補水使用，既減小了冷卻塔的補水量，又降低了循環水的損失，該技術使循環冷卻水的使用率得以提升，有效節約了水資源，符合我國資源節約的政策和構建節約環保型社會的戰略需要，有很強的推廣、使用價值。

4.3 節能分析

根據冷卻塔的運行原理可知，由于干冷空氣和濕熱蒸汽換熱的總量不變，節水率為25.3%，則循環水量可以降低相應的占比。

該消霧節水冷卻塔設計循環水量為5 000 m3/h，風機揚程為20 m，若每年運行時間按7 200 h 計算，則根據式（6）計算每年減少的電力損耗為：

綜合可知，該消霧節水冷卻塔的節水量為14.19m3/h，風機耗能減小量為583 621.68 kW·h。以年工作時間為7 200 h、工業水價為6 元/m3、工業電價為0.5 元/（kW·h）計算，年節水收益為102 168 元，年節電收益為291 811 元，統計可知該消霧節水冷卻塔每年總節能收益為40 萬元。

該廠建成并投入使用的消霧節水冷卻塔共6座，單塔每年總節能收益為40 萬元，則總體節能收益為240 萬元。同時，隨著生產自動化水平的不斷提升，生產制造逐步向專業化、智能化、清潔化的方向發展，該項技術具有廣闊的應用前景。

5 結論

1）該消霧節水冷卻塔消霧性能優良。該塔設計出塔空氣相對濕度為85%，實測出塔相對濕度為82.28%，消霧指數為1.03，有效消除冷卻塔出口羽霧，符合T/CECS 517 中“零霧型”消霧冷卻塔的要求，該消霧技術消除了冷卻塔白霧污染，具有一定的環保效益。

2）該消霧節水冷卻塔節水性能良好。該塔經菱形消霧冷凝模塊換熱后的冷凝水量為14.19m3/h，冷卻塔節水率為25.3%。塔內蒸發的水分被高效回收，循環冷卻水的使用率得以提升，有效節約了水資源，符合我國資源節約的政策和構建節約環保型社會的戰略需要。

3）該消霧節水冷卻塔節能效果顯著。單塔年節水收益約10 萬元、年節電收益約30 萬元，單塔年總節能收益約為40 萬元，該廠整體年節能收益高達240 萬元。該塔節能效果顯著，具有良好的經濟效益及環保效益，同時隨著自動化水平的提升，該技術具有廣闊的應用前景。