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摘 要：火电厂的循环冷却塔（以下简称冷却塔）是火电厂热力系统的主要组成部分，与电厂的运行经济性密切相关，其冷却性能直接影响凝汽器的真空，进而影响机组的能耗水平。冷却塔的主要部件由填料、喷嘴和阻水器等构成，在其它外在条件不变的情况下，其中填料和喷嘴的形状、材质和运行状况的好坏，直接影响到电厂循环水的温度，从而影响了电厂的发电效率。长期以来电厂内的专业人员对冷却塔的效率的研究较少，而且随着电厂运行时间的加长，填料和喷嘴的性能下降非常严重，在大力提倡节能降耗的今天，对填料和喷嘴的研究具有重要的现实意义。本文以某电厂冷却塔作为研究对象，并结合实际冷却水温和喷溅均匀度等对填料和喷嘴的材料和形状等方面进行论述，研究和试验。结果表明，填料和喷嘴改造具有较好的节能效果。
关键词：火电厂；冷却塔；水温；填料；喷嘴；试验
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）29-0046-02
引 言
江苏北部地区某电厂，两台亚临界300MW机组，投产时间约10年，冷却塔冷却效果差，出塔水温偏高，较类似机组出水温度高1℃左右。冷却水塔淋水喷溅装置效果差，存在配水不均匀，喷溅雾化效果差的状况。本文主要参考该电厂状况进行论述，通过对冷却塔填料和喷嘴的改造来实现节能降耗的目标。
1 某電厂的冷却水塔现状
该冷却塔由集水池，人字支柱，筒壁，淋水装置组成。淋水填料采用轻型高效PVCS波塑料填料，冷却塔内装二层淋水填料，每层高500mm，第一层填料放置在玻璃钢托架上，并与托架成正交错布置。配水管采用硬聚氯乙烯管道；除水器采用160-45型，采用PVC材料。玻璃钢托架I58型，采用FRP材料。喷溅装置采用反射TP-Ⅱ型喷嘴，部件均用ABS工程塑料。
冷却塔的基本参数如下：
塔型：双曲线自然通风逆流式；
淋水面积：5500m2；
塔总高：115m；
进风口高：7.6m；
顶部直径：54.5m；
填料顶面高：9.1m；
喷头底至填料顶净高度：0.79m；
设计流量：39600m3/h。
某电厂机组容量330MW，投产时间为2005年6月。投产以来，由于一些原因，造成冷却水塔填料层内沉积的淤泥较多，填料的波形已基本失去作用，冷却塔冷却效率越来越差。对300MW机组而言，凝汽器冷却水进口温度（即冷却水塔出塔水温）降低1℃，汽轮机排汽温度也降低1℃，相当于凝汽器背压降低0.2～0.4kPa。
某科研院所对该水塔进行了性能测试，测试的结果表明：
该水塔经试验其冷却能力值为86.53%，未达到设计冷却能力（90%）。该水塔在夏季频率10%气象条件下，计算出塔水温为33.75℃，比设计出塔水温值32.72℃降低了高1.03℃，出塔水温偏高。
2 节能改造方案
2.1 填料层高布置优化（不等高布置）
传统设计大都将冷却水塔塔内的气流流场假设为一个均衡的状态，因此淋水填料的布置均按等高的方法布置，而实际情况冷却水塔内的气流状态并不是均衡的，进风口区间、中央竖井周围的区间以及沿径向的不同区间，其空气流速均不相同。首先是进风口区，相对于进风口塔壁上檐处，这里有一个尖端效应区，一般有1～2m的范围，而越过这个区间向塔中心的空气流速由高风速逐渐向低风速转变，到达中央竖井时，风速最低。通过大量的测试数据和数值模拟的结果，塔内气流流态可以以下面的图形来描绘。
风水匹配的概念即淋水填料的布置必须与冷却水塔内的气流速度相对应，使高风速区得填料能够充分地发挥冷却作用，使低风速区的填料阻力降低，同样能取得较好的冷却效果。因此我们可以将高风速区间的填料高度适当加高，将低风速区间的填料高度适当降低，使之风速、淋水密度和填料高度相匹配，从而提高冷却效率。
2.2 喷溅装置优化
离心式高效喷溅装置是采用进口高分子耐磨轴承，在不施加外力的情况下，利用管道内循环水的余压，使喷溅得以旋转，形成离心力，并使喷溅由传统喷头的单一抛物线运动变为在做旋转运动的同时又做抛物线运动，不仅增大了喷溅半径，有利于水流之间的交叉，填补空白，消灭中空，使布水更加趋于均匀，而且延长了循环水在空中的流经时间，大大提高了配水系统的冷却效率。离心式高效喷溅装置的结构如图2～3。
2.3 改造方案的具体实施
2.3.1 更新部分填料
新填料选型为改进型S波亲水性淋水填料，片距30mm。采用风水匹配数值模拟的结果作不等高布置，根据喷溅装置底部到填料顶面的距离，以不影响喷溅效果为前提，布置高度按900mm、1000mm、1125mm三个高度分布，全塔填料容积达到5733m3，比原设计增容233m3，布其高度组合和分布范围如下：（以淋水层平面和中央竖井及四条主水槽为分界线，将淋水层平面划分为四个象限，单个象限的填料布置见图4）。
900mm=500mm+400mm（分布范围中心至半径18.7m的圆形范围）；
1000mm=500mm+500mm分布范围中半径18.7m至半径26.5m的环形范围）；
1125mm=500mm+625mm（分布范围中半径26.5m至半径39.7m的环形范围）；
1000mm=500mm+500mm（分布范围中半径39.7m至塔壁的环形范围）。
全塔更换填料2154m3，其中高度为400mm的填料439m3，高度为625mm的填料1715m3。同时对没有更换的填料作清理翻身。
2.3.2 更新部分喷溅装置
在保留主水槽两侧和近塔壁边缘外圈的原TP-II型的前提下，更换中心区间的部分喷头，新喷头型号为GX型离心式高效喷溅装置，根据数值模拟的结果，对淋水密度进行重新分配，计算得出两种喷嘴规格为？准22、？准24。
各型喷头的数量如下：
？准22——860只；
？准24——1252只。
全塔共计布置喷头5028套，其中更换2112套。
2.4 改造后水塔性能变化，以及经济效益和社会效益
2.4.1 水塔性能变化情况
某科研院所对该水塔进行了改造后的性能测试，测试的结果表明：
该塔经试验其冷却能力值为96.4%，达到设计冷却能力。该塔在夏季频率10%气象条件下，计算出塔水温为32.79℃，比设计出塔水温值32.72℃降低了高0.07℃，比改造前出塔水温33.75下降0.96℃，可改善机组真空0.31kPa。
2.4.2 经济效益情况
机组因此获得的经济效益可按照以下经验公式计算。
凝汽器真空变化0.31kPa，按机组年发电15亿kWh，1kPa真空影响300MW汽轮机机组发电煤耗约2.8g/kWh计算：背压（或真空）每变化1%（1kPa），影响发电煤耗2.5～3.2g/（kW·h）。年节约标准煤为：
T=0.31×2.8g/kWh×15亿kWh=1302（t）
如果按当前每吨标准煤850元计算，则单台机年节约成本：
M=850×1302=1106700元=110.67万元
3 社会效益情况
按每燃烧1t标准煤产生2.5tCO2计算，则每台300MW机组冷却水塔风水匹配强化换热改造后，年减排CO2为：2.5×1302=3255t。
4 结 论
火电厂循环冷却塔的填料和喷嘴性能的好坏对水塔性能的影响很大，选用新型的填料和喷嘴，并且改进布置方式，具有很好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]《大中型火力发电厂设计规范》（GB50660-2011）.
[2]林万超.火电厂热力系统定量分析.
[3]《水塔性能试验报告》西安热工研究院.
收稿日期：2018-8-8
关键词：火电厂；冷却塔；水温；填料；喷嘴；试验
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）29-0046-02
引 言
江苏北部地区某电厂，两台亚临界300MW机组，投产时间约10年，冷却塔冷却效果差，出塔水温偏高，较类似机组出水温度高1℃左右。冷却水塔淋水喷溅装置效果差，存在配水不均匀，喷溅雾化效果差的状况。本文主要参考该电厂状况进行论述，通过对冷却塔填料和喷嘴的改造来实现节能降耗的目标。
1 某電厂的冷却水塔现状
该冷却塔由集水池，人字支柱，筒壁，淋水装置组成。淋水填料采用轻型高效PVCS波塑料填料，冷却塔内装二层淋水填料，每层高500mm，第一层填料放置在玻璃钢托架上，并与托架成正交错布置。配水管采用硬聚氯乙烯管道；除水器采用160-45型，采用PVC材料。玻璃钢托架I58型，采用FRP材料。喷溅装置采用反射TP-Ⅱ型喷嘴，部件均用ABS工程塑料。
冷却塔的基本参数如下：
塔型：双曲线自然通风逆流式；
淋水面积：5500m2；
塔总高：115m；
进风口高：7.6m；
顶部直径：54.5m；
填料顶面高：9.1m；
喷头底至填料顶净高度：0.79m；
设计流量：39600m3/h。
某电厂机组容量330MW，投产时间为2005年6月。投产以来，由于一些原因，造成冷却水塔填料层内沉积的淤泥较多，填料的波形已基本失去作用，冷却塔冷却效率越来越差。对300MW机组而言，凝汽器冷却水进口温度（即冷却水塔出塔水温）降低1℃，汽轮机排汽温度也降低1℃，相当于凝汽器背压降低0.2～0.4kPa。
某科研院所对该水塔进行了性能测试，测试的结果表明：
该水塔经试验其冷却能力值为86.53%，未达到设计冷却能力（90%）。该水塔在夏季频率10%气象条件下，计算出塔水温为33.75℃，比设计出塔水温值32.72℃降低了高1.03℃，出塔水温偏高。
2 节能改造方案
2.1 填料层高布置优化（不等高布置）
传统设计大都将冷却水塔塔内的气流流场假设为一个均衡的状态，因此淋水填料的布置均按等高的方法布置，而实际情况冷却水塔内的气流状态并不是均衡的，进风口区间、中央竖井周围的区间以及沿径向的不同区间，其空气流速均不相同。首先是进风口区，相对于进风口塔壁上檐处，这里有一个尖端效应区，一般有1～2m的范围，而越过这个区间向塔中心的空气流速由高风速逐渐向低风速转变，到达中央竖井时，风速最低。通过大量的测试数据和数值模拟的结果，塔内气流流态可以以下面的图形来描绘。
风水匹配的概念即淋水填料的布置必须与冷却水塔内的气流速度相对应，使高风速区得填料能够充分地发挥冷却作用，使低风速区的填料阻力降低，同样能取得较好的冷却效果。因此我们可以将高风速区间的填料高度适当加高，将低风速区间的填料高度适当降低，使之风速、淋水密度和填料高度相匹配，从而提高冷却效率。
2.2 喷溅装置优化
离心式高效喷溅装置是采用进口高分子耐磨轴承，在不施加外力的情况下，利用管道内循环水的余压，使喷溅得以旋转，形成离心力，并使喷溅由传统喷头的单一抛物线运动变为在做旋转运动的同时又做抛物线运动，不仅增大了喷溅半径，有利于水流之间的交叉，填补空白，消灭中空，使布水更加趋于均匀，而且延长了循环水在空中的流经时间，大大提高了配水系统的冷却效率。离心式高效喷溅装置的结构如图2～3。
2.3 改造方案的具体实施
2.3.1 更新部分填料
新填料选型为改进型S波亲水性淋水填料，片距30mm。采用风水匹配数值模拟的结果作不等高布置，根据喷溅装置底部到填料顶面的距离，以不影响喷溅效果为前提，布置高度按900mm、1000mm、1125mm三个高度分布，全塔填料容积达到5733m3，比原设计增容233m3，布其高度组合和分布范围如下：（以淋水层平面和中央竖井及四条主水槽为分界线，将淋水层平面划分为四个象限，单个象限的填料布置见图4）。
900mm=500mm+400mm（分布范围中心至半径18.7m的圆形范围）；
1000mm=500mm+500mm分布范围中半径18.7m至半径26.5m的环形范围）；
1125mm=500mm+625mm（分布范围中半径26.5m至半径39.7m的环形范围）；
1000mm=500mm+500mm（分布范围中半径39.7m至塔壁的环形范围）。
全塔更换填料2154m3，其中高度为400mm的填料439m3，高度为625mm的填料1715m3。同时对没有更换的填料作清理翻身。
2.3.2 更新部分喷溅装置
在保留主水槽两侧和近塔壁边缘外圈的原TP-II型的前提下，更换中心区间的部分喷头，新喷头型号为GX型离心式高效喷溅装置，根据数值模拟的结果，对淋水密度进行重新分配，计算得出两种喷嘴规格为？准22、？准24。
各型喷头的数量如下：
？准22——860只；
？准24——1252只。
全塔共计布置喷头5028套，其中更换2112套。
2.4 改造后水塔性能变化，以及经济效益和社会效益
2.4.1 水塔性能变化情况
某科研院所对该水塔进行了改造后的性能测试，测试的结果表明：
该塔经试验其冷却能力值为96.4%，达到设计冷却能力。该塔在夏季频率10%气象条件下，计算出塔水温为32.79℃，比设计出塔水温值32.72℃降低了高0.07℃，比改造前出塔水温33.75下降0.96℃，可改善机组真空0.31kPa。
2.4.2 经济效益情况
机组因此获得的经济效益可按照以下经验公式计算。
凝汽器真空变化0.31kPa，按机组年发电15亿kWh，1kPa真空影响300MW汽轮机机组发电煤耗约2.8g/kWh计算：背压（或真空）每变化1%（1kPa），影响发电煤耗2.5～3.2g/（kW·h）。年节约标准煤为：
T=0.31×2.8g/kWh×15亿kWh=1302（t）
如果按当前每吨标准煤850元计算，则单台机年节约成本：
M=850×1302=1106700元=110.67万元
3 社会效益情况
按每燃烧1t标准煤产生2.5tCO2计算，则每台300MW机组冷却水塔风水匹配强化换热改造后，年减排CO2为：2.5×1302=3255t。
4 结 论
火电厂循环冷却塔的填料和喷嘴性能的好坏对水塔性能的影响很大，选用新型的填料和喷嘴，并且改进布置方式，具有很好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]《大中型火力发电厂设计规范》（GB50660-2011）.
[2]林万超.火电厂热力系统定量分析.
[3]《水塔性能试验报告》西安热工研究院.
收稿日期：2018-8-8