濕冷自然通風冷卻塔性能指標及影響因素分析

郭容赫 魏 東 姜 虹

（1 華電電力科學研究院有限公司東北分公司 遼寧 沈陽 110180 2 華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠 黑龍江 哈爾濱 150028）

引言

火電廠生產過程中有許多重要輔助生產設備，冷卻塔就是其中之一。冷卻塔性能好壞對電廠的經濟性和安全性都有很大程度的影響，然而由于冷卻塔的復雜性，因而在運行中對其運行狀態的直觀檢查存在一定難度，也不能及時掌握其運行性能，長期如此，讓技術人員對冷卻塔的運行狀態不能足夠重視。

對于濕冷的火電機組而言，蒸汽經汽輪機做功后排入凝汽器，蒸汽（乏汽）與冷卻水（循環水）進行熱交換凝結成水，用水泵送回鍋爐，進行循環使用；乏汽的廢熱在凝汽器中傳給了循環水，升溫后的循壞水進入冷卻塔并在塔內冷卻，冷卻后的循環水用水泵送入凝汽器，進行循環使用。冷卻塔的作用是將挾帶廢熱的冷卻水在塔內與空氣進行熱交換[1]。冷卻塔冷卻效果差，影響機組真空，降低機組經濟性[2]。實踐表明，1 臺300MW 濕冷機組，凝汽器循環水入口溫度升高2℃，凝汽器真空降低約1kPa，機組供電煤耗率增加約1.5g/kWh[3]，機組運行小時數按5500 計算，則煤量增加2475t/a，折合人民幣250 萬元。

濕冷自然通風逆流式冷卻塔的結構復雜，水與空氣在塔內流動耦合時，會產生諸多因素影響冷卻塔性能。因此，及時掌握運行中的冷卻塔性能，分析其性能指標及影響因素，對提高冷卻塔冷卻效果及實現節能、節水目標有著重要指導意義[4][5]。

1 冷卻塔性能評價指標

1.1 冷卻塔的冷卻溫差

冷卻塔的冷卻溫差是指凝汽器出口循環水進入冷卻塔的進水溫度（t2）與出水溫度（t1）之差，其計算方法見式（1）。

冷卻塔的任務是將循環水冷卻，因此當進入冷卻塔的冷卻流量、水溫一定時，值越低，值越大，意味著冷卻塔冷卻效果越好。

1.2 冷卻塔的冷卻幅高

冷卻塔的冷卻幅高是指冷卻塔的出水溫度（t1）與理論冷卻極限溫度（tτ）的接近程度，其計算方法見式（2）。

1.3 冷卻塔的冷卻效率

冷卻塔的完善程度可用冷卻效率表示，其計算方法見式（3）。

從式（3）可以看出，當冷卻塔進水溫度一定，出水溫度接近理論冷卻極限溫度時，冷卻效率接近1，冷卻幅高接近0。

如果冷卻塔的進水溫度較高，即使冷卻溫差較大，冷卻塔的出水溫度值也未必降至最低。如果進入冷卻塔的冷卻流量較小，即使冷卻幅高較小，也不能說明冷卻塔冷卻效果達到最優?？梢妰H憑冷卻溫差指標或幅高指標，而不考慮邊界條件，則不能完全評價冷卻塔冷卻效果。因此，一個好的冷卻塔，不僅要有較大的進出水溫差，還要有盡可能小的冷卻幅高[6]。

1.4 冷卻塔的冷卻數

填料熱力性能好壞通常用冷卻數大小表示，我國常用的計算方法見式（4）、式（5）。

從式（4）可看出，空氣量越大，冷卻水量越小，冷卻數越大，冷卻效果越好。

從式（5）可看出，容積散質系數越大，冷卻數越大，冷卻效果越好。增大填料體積，有利于冷卻，但也增加成本，需統籌考慮。

對于逆流式冷卻塔冷卻數，通過試驗按照式（6）計算。

對于式（6）近似計算，采用分段不少于8段的辛普遜積分法或切比雪夫積分法。

1.5 冷卻塔的水量損失

冷卻塔水量損失有蒸發損失、風吹損失、滲漏及排污損失。其中，后2 項損失量最大，占補水量的60%～70%。

蒸發損失量按式（7）計算。

式中ΔWzf—蒸發損失量；k1—系數；Δt—冷卻塔冷卻溫升；W—冷卻水量。

風吹損失量按式（8）計算。

式中ΔWfc—風吹損失量；k2—損失率；W—冷卻水量。

2 冷卻塔性能試驗

2.1 試驗結果比較

自然通風冷卻塔性能試驗采用的標準有4項，即①工業冷卻塔測試規程（DL/T1027）；②冷卻塔驗收測試規程（T/CECS118）；③冷卻塔淋水填料、除水器、噴濺裝置性能試驗方法（DL/T933）；④常壓水冷設備性能試驗規程（ASME PTC23）。試驗結果評價方法有冷卻水溫對比法、冷卻水量對比法和冷卻數對比法。

2.1.1 冷卻水溫對比法

冷卻塔的實測水溫差與設計水溫差進行比較，實測值與設計值的比值大于95%，則認為冷卻塔溫降效果合格。設計水溫差計算的條件與試驗時相同，如環境參數、進塔水溫、冷卻水量等。試驗工況為3 個以上，將各工況的計算結果進行平均，平均值為實測溫降效果。

2.1.2 冷卻水量對比法

修正后的冷卻水量與設計冷卻水量進行比較，修正后與設計值的比值大于95%，則認為冷卻塔溫降效果合格。修正后的冷卻水量是指將試驗條件下測得的冷卻水量，修正到設計條件下的冷卻水量。

2.1.3 冷卻數對比法

依據試驗數據，計算出冷卻數和氣水比，用最小二乘法得出兩者的回歸方程式，冷卻數為因變量，氣水比為自變量。在相同氣水比時，冷卻數試驗值大于或等于設計值，則認為冷卻塔性能達到設計要求，否則未達到設計要求。

2.2 試驗測量的參數

冷卻塔的性能試驗應在夏季接近設計的氣象條件下進行，雨天或自然風速大于3m/s 時不應進行試驗。試驗時主要測量5 項參數，即①大氣壓力、風速、風向；②大氣、進塔以及出塔空氣的干、濕球溫度；③進、出塔水溫；④冷卻水量、進塔空氣量；⑤淋水密度。

冷卻水量可用超聲波流量計，也可在塔內的出水溝、渠處用流速儀測量，還可依據乏汽的放熱量通過熱平衡計算。汽輪機乏汽量（即汽輪機排汽量）可通過進、出系統流量平衡求得。乏汽量為進入汽輪機的蒸汽流量扣除各加熱器用汽量、對外輸出的蒸汽量，以及軸端汽封、門桿漏汽量，可用凝結水流量減去進入凝汽器的補水量、低壓加熱器疏水量求得；低壓缸排汽焓可用能量平衡獲取，輸入汽輪機的熱量等于輸出熱量（含發電利用的熱量和排汽損失）。凝結水焓通過實測的凝結水溫度求得，凝汽器進、出口的循環水焓可通過實測的循環水溫度求得。

塔內通風量測量是一項較難的工作。通常測量的風速儀選用旋槳式，測量斷面布置在塔筒喉部，以及逆流式冷卻塔的配水系統4m 以上的位置。需特別指出的是，塔內氣流速度的測量結果不可靠，其原因主要有3 點，即①雖然塔內氣流整體上是穩定的，但也有不穩定處，氣流速度發生變化，時大時小，甚至出現負值；②受配水系統的阻礙，塔內氣流分布具有不均勻性；③塔內空氣處于飽和狀態，風速表的葉輪上有水蒸氣凝結，使葉輪轉速和風速的對應關系發生變化。國外一些標準中未規定要測量塔內風量，塔內風量不是通過測量風速計算而得，而是通過熱平衡計算得出。因此，通過建立進塔的空氣吸熱量與冷卻水放熱量的熱平衡方程式→測量進、出塔的水溫及冷卻水流量→計算出冷卻水的放熱量→求得進、出塔的空氣比焓→通過對熱平衡方程式求解計算出進塔空氣量。以上過程中，塔內風速不參與熱平衡計算，測量塔內風速的目的不是用以計算進塔的空氣量，而是用作計算填料以上空氣溫度加權平均值。

自然通風冷卻塔進塔空氣的干、濕球溫度測量與大氣干、濕球溫度測點共用，優選標準百葉箱通風干濕表。因此，對于溫度測量位置來說，如果空氣的干、濕球溫度在塔進風口外的較大范圍內都相同，那么測量位置對溫度測量結果影響不大；如果空氣的干、濕球溫度在地面附近沿高程有顯著變化，那么溫度測量位置對測量結果有較大影響，溫度測點布置需要考慮沿高程變化情況，通常高程為15～20m。

3 冷卻塔性能影響因素

3.1 自然風影響

自然通風冷卻塔靠塔筒產生抽力來通風，塔外冷空氣進入塔內后，同熱水進行熱交換變為濕熱的空氣，通過流體力學中的連續方程、動量方程和傳熱方程，計算自然風對冷卻塔性能的影響。相關資料顯示[2][7]，冷卻塔出水溫度隨環境溫度降低而降低，隨通風量增加而降低，隨自然風速增加而降低，低風速時降低幅度不大；冷卻塔進風量隨自然風速的增加而先降低后增加，當有自然風速和無自然風速在某一比值時，自然風量和無自然風量比值達到最小，這時風的影響最不利，當風速比超過該值時，風的影響會變得有利；當有自然風時，在塔的進風口部分，迎風面為正壓，有利于進風，其余部分為負壓，對進風不利，最不利在兩側，此處負壓最大。

3.2 配水影響

配水裝置是冷卻塔的重要組成部分，其運行性能影響冷卻塔冷卻效果。凝汽器出口的循環水用豎井送入冷卻塔配水高程，經槽式或管式配水系統將水均勻分布到整個塔的斷面上，再用噴頭將熱水轉變成小水滴，均勻地灑在填料上，如果配水不均勻，則會影響冷卻塔冷卻效果。影響配水均勻的原因主要有3 點，即①豎井水流速影響，循環水進入豎井的水流速一般不大于0.5 m/s，否則影響進入主水槽水流的均勻性；②水槽水流速影響，主水槽及配水槽內水流速過大會使槽內水平面不一致，引起配水不均勻；③槽式或管式配水發生堵塞，可引起配水不均勻。

3.3 噴嘴影響

大多數配水方式是通過噴嘴將成股的水變成小水滴，然后盡量均勻地灑到填料上。槽式或盤式配水，水壓要求較低，通常選擇沖擊力型噴嘴；管式配水，水壓需要較高，通常選擇旋轉型噴嘴。噴嘴的水流動特性包括噴嘴的泄流能力、噴濺范圍以及噴濺的均勻性，其性能好壞對冷卻塔冷卻效果有直接影響，運行中損壞的噴嘴及濺水碟不能把成股的水扯成小水滴，而是直接灑到填料上，致使填料散熱能力降低，冷卻效果變差。

3.4 填料影響

填料也是冷卻塔的重要組成部分。冷卻塔將熱水變成冷水的過程中，60%～70%的溫降是在填料中完成的。選擇填料須考量溫降大、氣流阻力小、價格便宜等方面。

散質系數是填料散熱性能好壞的標志[8]。具體數值在特定的填料型式、體積、水溫和氣侯條件下由試驗求得，當這些因素改變時，散質系數也會發生變化，具體表現在5 個方面，即①大氣濕球溫度變化不影響散質系數；②進水溫度減小時，散質系數變大；③填料加密時，散質系數變大；④對于逆流塔中薄膜填料來說，由于受進口的影響，當填料高度小時，散質系數隨填料高度增大而減小，當高度增大到一定值后，散質系數不再變化；⑤淋水密度大，散質系數也大，有利于散熱，但淋水密度超過一定值后，水膜就失去穩定，形成波動，發生所謂對氣流的“堵塞”現象，氣流阻力突然急劇增加，影響散熱，冷卻水呈雨狀下落，因此不能隨意增大淋水密度。

3.5 雨區及集水池影響

在逆流塔中，填料以下、水池水面以上的部分稱為雨區，熱水經過冷卻后，匯集到集水池內，然后進入循環水泵，循環使用。氣流經過雨區進入填料，當自然風較大時，風會穿過雨區將下淋的水吹落到塔外，不僅會增加塔的失水率，同時還會引起進入填料的風不對稱，降低塔的冷卻效果，因此應注意做好相關措施，防止自然風的影響。

集水池中的一、二次濾網損壞，會導致懸浮物進入凝汽器冷卻水管，降低冷卻水管冷卻效果，使得進入冷卻塔的熱水溫度增高，不利于冷卻塔冷卻。

3.6 收水器影響

逆流式自然通風冷卻塔，空氣從冷卻塔底部進入，從冷卻塔上部排出。排出的熱濕氣流中，有部分小水滴被風帶出塔外，損失的水量稱為風吹損失。為了將氣流所帶的水滴攔截下來，減少水量損失，需要在淋水裝置的排氣方安裝收水器，安裝收水器后風吹損失率約在0.1%，而無收水器的風吹損失率在0.3%～0.6%。風吹損失率的大小與氣流速度、淋水方式相關，如風速大，風飄水滴的直徑大，失水多；采用薄膜式填料，水滴較少且不易被帶走，而采用點滴式填料，水滴易被帶走。另外，有些收水器使用一段時間后，變形嚴重，降低了收水效果，又增加了風流動的阻力。

4 冷卻塔性能在線監測

冷卻塔的工程試驗是一項復雜、繁瑣、困難的工作，有些測量參數難度大，特別是冷卻水流量、通風量以及淋水密度的測量等。鑒于此，機組除在驗收考核時，很少進行冷卻塔試驗。冷卻塔性能受多種因素影響，互相耦合，試驗條件與機組日常運行條件有所差別，工程試驗時的冷卻塔性能無法反映日常運行時的性能，難以指導機組經濟運行。為此，基于環境條件及大量運行數據，建立相關冷卻塔性能模型，進行冷卻塔性能在線監測，掌握冷卻塔的動態變化規律，及時、準確地消除影響冷卻塔性能的因素，使冷卻塔性能達到最優，這在煤、水資源缺乏的當下尤為重要[9][10]。

結論

單一的冷卻溫差或冷卻幅高對冷卻塔性能進行評價具有局限性，不能很好地反映冷卻塔的冷卻效果；運行中的冷卻塔冷卻效果受塔內各部件運行狀態以及環境因素、冷卻水量等多種因素影響，其中填料運行以及環境溫度對冷卻塔冷卻效果影響較大，建議進行冷卻塔性能在線監測，指導檢修和運行工作，使冷卻塔具有更好的冷卻效果。