（中国能源建设集团广东火电工程有限公司 510730）
摘要：本文主要根据绍兴市南方制冷工业有限公司最新开发的钢结构式机械通风冷却塔进行结构、流体、散热等方面数据，以气动、热工和配水的理论分析与研究为基础，对该冷却塔的整体性能及施工进行了可行性分析，希冀在建立节约型社会过程中，冷却塔技术能在效益、节能、环保方面发挥更大的作用。
关键词：冷却塔 配水 气动 节能
1、冷却塔的作用及冷却机理
在水与空气的换热过程中，热量的传递有三种形式：1、接触散热，2、蒸发散热，3、辐射散热（因温差较小，在热力计算过程中，该部分热量可忽略不计），低气温季节接触换热在冷却塔热交换过程中尚能起到一定作用，若在炎热的夏季，则蒸发散热则起到主导地位[1]，为方便计算选取表1-1中所示条件的空气作为传热介质，将1kg温度为46°C的水冷却到干球温度为38°C时，仅考虑接触散热及接触散热和蒸发散热共存时所需用空气量。
表1-1换热前后空气主要参数
1kg水温度降低所散发的热量：
q1=h2-h1
在仅考虑接触散热和接触散热和蒸发散热共存过程：
Q2=m空（h4-h3）
Q3=m水（h6-h5）
根据热力学第一定律得：
仅考虑接触散热：
q1+Q2=0
接触散热与蒸发散热共存时：
q1+Q3=0（1-6）
在蒸发散热及接触散热过程中，达到相同冷却效果空气量减少约84%。
2、沙吉巴扎当地气象条件
厂址所在地区属也热带季风型气候，湿热多雨。全年分为冬季（11月~2月），夏季（3月~6月）和雨季（7月~10月），主要气象参数如表2-1所示
表2-1沙吉巴扎项目厂址主要气象参数
在极端条件下，当地气温达到35°C，相对湿度为98%，根据湿空气的性质当相对湿度达到100%时，空气含湿量达到饱和状态，在水的冷却过程中蒸发与凝结达到动态平衡，蒸发散热将不存在，势必增加冷却塔的通风流量来增加接触散热量，因此沙吉巴扎项目冷却塔的设计必然不能采用常规设计方式。
3、冷却塔设计原则
为满足冷却塔在极端条件下仍能满足循环水的冷却需求，我们针对不同类型的冷却塔进行了详细的分析。
3.1、自然通风冷却塔
热水自主机房通过水泵以一定的压力经过管道、横喉、曲喉、中心喉将循环水压至冷却塔的播水系统内，通过播水管上的小孔将水均匀地播洒在填料上面；干燥的低焓值的空气在风机的作用下由底部入风网进入塔内，热水流经填料表面时形成水膜和空气进行热交换，高湿度高焓值的热风从顶部抽出，冷却水滴入底盆内，经出水管流入主机。一般情况下，进入塔内的空气、是干燥低湿球温度的空气，水和空气之间明显存在着水分子的浓度差和动能压力差，当风机运行时，在塔内静压的作用下，水分子不断地向空气中蒸发，成为水蒸气分子，剩余的水分子的平均动能便会降低，从而使循环水的温度下降[2]。
如上所述，使用自然循环冷却塔必然要求环境相对湿度较低，才能满足冷却塔的冷却要求，且自然塔占地面积大、建筑成本高等原因，不能满足我们厂区循环水的冷却需求。
3.2、机械通风冷却塔
机械通风冷却塔，按水与空气相对流动的方向分为逆流塔和横流塔两种。逆流塔是水自上而下通过配水装置淋洒在淋水填料上，被填料切割分散成水膜或水滴，在重力作用下自上向下流动，空气在风机作用下自下而上通过淋水填料，空气与水流相逆而行，故称逆流式冷却塔；横流塔是水自上而下通过淋水填料，而空气则水平流动进入淋水填料，水与空气流动呈垂直相交的状态，因此命名为横流塔[3]。
因填料技术的发展，使逆流塔在很多方面优于横流塔，我们将逆流塔与横流塔进行比较归纳如下：
1)从热交换的角度看逆流塔的热交换更合理、更充分；
2)逆流塔比横流塔更经济；
3)逆流塔比横流塔配水高度低，因而更节能；
4)因横流塔风筒出口离进风口较近，湿空气回流比逆流塔严重，因此逆流塔冷却效率更高；
5)逆流塔比横流塔容易检修；
6)逆流塔配水系统不宜堵塞；
7)逆流塔淋水填料片易保持清洁、不宜老化；
根据上述3种冷却塔的各自特点及厂区气象条件，综合考虑，采用逆流式机械通风冷却塔作为循环水冷却建筑为沙吉巴扎项目最优选择。因厂区气象条件的限制（极端条件：气温35°C、相对湿度98%），在冷却塔的设计上不能采用常规的设计方案，否则无法满足循环水冷却的需求。
4、冷却塔设计原则
表4-1凝汽器主要特征参数
表4-1为东方汽轮机厂提供凝汽器主要设计参数，根据此参数并结合厂区极端气象条件，采用传统混凝土结构机械通风逆流塔及钢结构式机械通风逆流塔均能满足凝汽器设计要求。
根据式（1-2）可以计算出每小时循环水通过冷却塔散发热量Q≈9.6×108kj，根据式（1-6）可以计算出冷却塔通气流量约为1879t/h。如何优化冷却塔结构有效保证通气流量，对冷却塔的建造起到至关重要的影响。
根据相关文献介绍及之前施工经验，两种不同类型逆流塔在风阻及进风口方面不同，因此在冷却塔设计过程中，应充分考虑风阻及进风口对通风流量的影响。
4.1 雨区风阻的影响
在逆流式机械通风冷却塔中，新鲜空气在风机的作用下，从冷却塔周围的大气中被抽入塔内，这些空气依次通过进风口、雨区、淋水填料支架、淋水填料、配水装置及其支架、收水器极其支梁、冷却塔收缩段、风筒进口、集气段、喉部和风筒扩散段，最后以一定速度扩散到大气中，因空气在不同区域流速不同，都会产生一定的阻力，因钢结构式冷却塔尽在进风口及雨区内与混凝土式冷却塔不同，故在进行两者风阻分析中不考虑其他区域的风阻[4]。
为了研究冷却塔内气流的启动性能，首先应判断空气的流态，根据临界雷诺数准则，气流的雷诺数采用下式计算：
（4-1）
根据（4-1）并带入相关数据可以得到，气流均处于紊流流态，根据流体力学理论，可以判断出气流处于阻力平房区，因此雨区及进风口风阻采用下式计算：
（4-2）
Vi为各部位的空气流速，是通过塔内空气量与各部位空气通道的面积之比。因此在对比两种不同结构的逆流塔各部位的空气通道面积，即可得出其影响风阻大小。
相同高度的混凝土结构冷却塔与钢结构冷却塔在雨区及进风口处，面积之比约为8：3，因此可以得出，采用钢结构式冷却塔比混凝土式冷却塔在雨区及进风口处风阻减少了月62%，可以有效降低风机的负荷，从而达到节能的目的。
4.2进风口风阻的影响
进风口为冷却塔气流流道的起点，它直接影响着冷却塔内气流是否通常，进塔空气在填料段分布是否均匀。从流体力学角度看，进风口高度越高越好，但是随着进风口高度的提高，势必增加塔体的高度，因此也就增加了冷却塔的投资，同时提高了配水压力，使得电耗和运行费用增加。 对于进风口面积对比（进风口面积与淋水面积之比）收缩阻力系数、进口阻力系数的可以参见表4-2：
表4-1 进风口面积比对收缩阻力系数、进口阻力系数影响
经综合考虑进风口面积更大的钢结构型机械通风冷却塔更加符合厂区循环水冷却需求。
4.3 最终设计方案
综合上述分析，我方最终决定采取钢结构式机械通风逆流冷却塔作为沙吉巴扎电厂循环水冷却建筑最终构建方案。为保证循环水冷却效果，我方采用8台冷却塔连通的设计方案，其中8台冷却塔水池采取分段式混凝土浇筑成型。
4.3.1冷却塔立柱
因冷却塔不同部位荷载不同，钢立柱在不同部位的外径也不同，以满足整体冷却塔结构的稳定。冷却塔钢柱直接暴露在雨区之内，因雨区内湿度很大，钢柱材质的选取直接关系到冷却塔使用寿命，为此因此为选取合适的材料进行表3-2的调查：
表4-2 不同材质材料特性
参考上表根据载荷及价格综合分析，选取热镀锌钢管为冷却塔立柱的首选材质。
4.3.2其他部件
在满足冷却塔整体结构稳定的条件下尽量选择成本较低、质量较小的玻璃钢或PVC等材料，如淋水填料采用PVC材质进行真空吸塑工艺，一体成型，采用梯形设计，采用特殊凸形设计，水在填料表面形成三维立体水膜，使水的接触、蒸发换热增强[5]。
5、结束语
该型冷却塔已经处于运行阶段，各项动态性能指标良好。此次的成功，为今后电力行业开发同类型的海外项目具有重要意义。
参考文献
[1]马最良, 孙宇辉. 冷却塔供冷技术的原理及分析[J]. 暖通空调, 1998(6):27-30.
[2]革, 拉, 特,等. 机械通风冷却塔[M]. 化学工业出版社, 1981.
[3]韩玲, 潘椿. 逆流式机械通风冷却塔空气动力计算及通风机选用计算探讨[J]. 工业用水与废水, 1997(3):39-47.
[4]赵顺安, 李红莉, 冯晶. 机械通风冷却塔进风口区域气流特性研究[J]. 工业用水与废水, 2013, 44(1):69-72.
[5]李杨, 魏星. 薄膜式机械通风冷却塔的性能优化[J]. 流体机械, 2010, 38(10):61-64.
论文作者:孙备
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/27
标签：冷却塔论文; 逆流论文; 空气论文; 填料论文; 雨区论文; 进风口论文; 机械论文; 《电力设备》2018年第23期论文;