王 勇,張 磊,姚 坤

(1.神華國華壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 壽光 262714; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001;3.黑龍江苑博信息技術(shù)有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 前言

隨著國內(nèi)環(huán)保節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提升，低噪聲，低耗能的高位收水冷卻塔開始在國內(nèi)火電機(jī)組中逐步應(yīng)用[1]。與常規(guī)濕式冷卻塔的設(shè)計(jì)不同，高位收水冷卻塔下方不設(shè)水池，而是通過在填料層下方增加高位收水裝置，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降噪的目的。但高位冷卻塔同樣面臨高投入、高維護(hù)費(fèi)用的問題。實(shí)際上，高位收水冷卻塔的早期多用于核電機(jī)組，對(duì)高位冷卻塔在火電機(jī)組中應(yīng)用的相關(guān)研究正在逐步開展之中。

對(duì)于高位收水冷卻塔，國內(nèi)的一些學(xué)者總結(jié)了高位收水冷卻塔與常規(guī)濕式冷卻塔之間的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了高位冷卻塔在建設(shè)過程中需要注意的問題[2-3]。也有學(xué)者采用數(shù)值模擬方法分析了淋水密度、入塔水溫、填料高度和環(huán)境風(fēng)速等運(yùn)行條件對(duì)高位收水冷卻塔冷卻性能的影響規(guī)律[4]。部分研究人員借助熱力性能試驗(yàn)分析了獲得高位冷卻塔的熱力性能，指出高位收水冷卻塔在填料處斷面風(fēng)速更大，并且在夏季出塔水溫更低的優(yōu)勢(shì)[5]。還有部分工程人員從應(yīng)用角度出發(fā)分析了高位收水塔的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)總結(jié)了實(shí)際運(yùn)行過程中存在的問題，為后期優(yōu)化提供了建議[6]。此外，還有學(xué)者從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，詳細(xì)論述了高位冷卻塔的節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)性，為火電機(jī)組節(jié)能方式的選擇提供了技術(shù)依據(jù)[7]。

由于目前國內(nèi)高位收水冷卻塔的應(yīng)用并不廣泛，對(duì)其技術(shù)的研究并不全面，設(shè)計(jì)過程中的細(xì)微差別常使實(shí)際應(yīng)用效果偏離預(yù)期。例如由填料層懸吊式變?yōu)閿R置式設(shè)計(jì)引發(fā)的濺水問題，氣候環(huán)境對(duì)高位塔的影響等等。特別是氣候寒冷的北方地區(qū)，極易引發(fā)結(jié)冰問題。而針對(duì)高位塔的濺水結(jié)冰問題的研究相對(duì)較少，冷卻塔結(jié)冰問題的研究對(duì)象仍集中在常規(guī)濕式冷卻塔上[8-9]。例如，一些研究利用熱力性能試驗(yàn)對(duì)冷卻塔出口循環(huán)水溫度進(jìn)行了校核計(jì)算。也有研究利用數(shù)值模擬方法從多個(gè)角度分析了橫向風(fēng)速與冷卻塔冷卻效果間的相互關(guān)系。并給出了更為有效的防凍措施[10]。一些學(xué)者總結(jié)了冷卻塔內(nèi)容易發(fā)生結(jié)冰問題的位置并給出了造成結(jié)冰現(xiàn)象的原因，同時(shí)詳細(xì)闡述了對(duì)應(yīng)的防治措施[11-12]。也有學(xué)者從整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)出發(fā)，提出通過改變循環(huán)水泵流量的方法抑制冷卻塔內(nèi)部結(jié)冰問題，再結(jié)合折水板等防凍措施改善冷卻塔外部結(jié)冰問題[13]。實(shí)際上，造成高位收水冷卻塔結(jié)冰問題的原因與常規(guī)塔并不完全相同，對(duì)其結(jié)冰問題需要進(jìn)一步的分析，以提出具有針對(duì)性的解決措施。

本文針對(duì)某電廠高位收水冷卻塔存在的濺水結(jié)冰問題，提出了一種在冷卻塔下部增加截水裝置改造方法。文中首先分析了造成高位收水冷卻塔濺水問題的主要原因，并通過增加截水裝置、導(dǎo)流板等改造措施降低了冷卻塔濺水率過大的問題，保障了機(jī)組運(yùn)行的安全。

1 冷卻塔結(jié)冰問題及原因分析

1.1 冷卻塔概況

某沿海電廠所在區(qū)域冬季氣候寒冷，多年冬季月平均最低氣溫值為-4.7～-7.4 ℃，極端最低氣溫可達(dá)-22.3 ℃；平均風(fēng)速3.3 m/s，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速24.7 m/s。該電廠以海水作為冷卻水源的高位收水塔，具體參數(shù)如表1所示。

表1 冷卻塔參數(shù)

1.2 冷卻塔結(jié)冰問題現(xiàn)狀

實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，在冬季運(yùn)行時(shí)，該機(jī)組高位塔配水裝置存在掛冰問題，濺水結(jié)冰嚴(yán)重?fù)p壞收水裝置，已經(jīng)嚴(yán)重威脅冷卻塔的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如圖1所示，掛冰主要發(fā)生在破損的收水斜板、填料以及濺水的立柱等位置。當(dāng)結(jié)冰問題發(fā)展到一定程度時(shí)，部分填料或者收水斜板承受不住結(jié)冰的重量而損壞，進(jìn)一步加劇了漏水問題，形成惡性循環(huán)。

圖1 冷卻塔不同部位結(jié)冰現(xiàn)象圖

1.3 原因分析

造成冷卻塔冬季發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象的原因有很多，如氣候環(huán)境和冷卻塔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。從環(huán)境角度看，該塔所處地區(qū)冬季溫度相對(duì)較低，風(fēng)速較大。對(duì)比采用了相同設(shè)計(jì)的其它地區(qū)冷卻塔，該塔發(fā)生濺水、漏水及海水腐蝕問題都更為嚴(yán)重。從冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度看，該塔冷卻水源為海水，在多個(gè)方面都與常規(guī)塔和其它地區(qū)高位收水冷卻塔存在一定的差異性：

(1)與早期采用填料懸吊式設(shè)計(jì)的高位收水冷卻塔不同，該塔采用填料擱置式設(shè)計(jì)，即填料下部增加一層支撐梁系，將填料放置在支撐梁上，如圖2所示。填料高度也由此降至1.5 m。雖然填料擱置式設(shè)計(jì)適用當(dāng)?shù)貧夂颍捎谥髁焊?.4 m，致使淋水填料下部與收水斜板最小垂直距離由原懸吊式的0.4 m增加到1.8 m。冷卻水自由落體距離增加，在強(qiáng)化冷卻效果的同時(shí)也增加了水滴撞擊收水斜板的速度。水滴落在收水斜板后，飛濺的密度和距離隨之增大，造成較大地濺水率。

圖2 填料擱置式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

(2)填料擱置式設(shè)計(jì)是將填料鋪設(shè)在支撐梁上，支撐梁與豎直立柱搭接在一起共同構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于搭接部位采用凹槽型設(shè)計(jì)，且未對(duì)凹槽縫隙處填充，使得縫隙起到匯流作用。從填料下方流出的冷卻水經(jīng)支撐梁的引流在凹槽處匯集并形成大股水流沖擊下方的收水斜板，加劇了收水裝置濺水程度。

(3)施工安裝精度及防濺器位移、變形引起的濺水，導(dǎo)致地面積水，冬季地面結(jié)冰或防晃網(wǎng)結(jié)冰等。

(4)設(shè)備運(yùn)行期間，防濺水填料損壞后不能及時(shí)補(bǔ)充，也是造成部分區(qū)域?yàn)R水大的原因。

2 高位收水冷卻塔配水裝置改造措施

冷卻塔在建設(shè)完成后，不宜對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)做較大的改造，因此本文提出一種在收水斜板收水側(cè)增加截水器的改造方案，該方案在不破壞冷卻塔內(nèi)部原有裝置的前提下，僅在收水斜板上方增設(shè)導(dǎo)流板，并在斜板外側(cè)布置一個(gè)截水器就可以有效減小冷卻塔濺水率。

2.1 截水裝置

(1)截水裝置的安裝位置

截水器安裝在冷卻塔收水裝置下掛梁上，用玻璃鋼型材作為固定截水器裝置的擱置件。擱置件采用凹槽設(shè)計(jì)，并將豎置布置的截水裝置下端夾置在凹槽中，起到固定截水裝置下端的作用。如圖4所示，裝置上部用包箍固定在中豎桿上，并用平行定位橫桿固定，防止左右側(cè)斜，有效將濺出的水滴完全控制在截水裝置內(nèi)側(cè)。

圖4 截水裝置示意圖

平行定位橫桿采用玻璃鋼方管制成，固定必須牢固可靠，不得向里外傾斜。固定截水器下部支撐的擱置件采用不銹鋼材料加工制作，與中豎桿連接固定。

(2)截水裝置的結(jié)構(gòu)

冷卻塔內(nèi)每個(gè)收水斜板裝設(shè)一個(gè)截水裝置，截水裝置由多個(gè)截水單元件組成，截水單元件結(jié)構(gòu)如圖5所示。單元件由本體、包箍、支撐件組成。本體是由呈雙波狀的波形片疊加組成，由聚氯乙烯材質(zhì)一次擠出成型。其中，每個(gè)波形片厚2 mm、寬170 mm、相鄰波形片間距45 mm。為保證收水效果，截水單元件表面必須平整光滑，不得有翹起、彎曲、孔洞。

圖5 截水器結(jié)構(gòu)圖

由于聚氯乙烯材料受力易變形，因此在本體外側(cè)加裝工字鋼作為支撐件。為便于安裝固定，在本體下部也安裝有擱置支撐，擱置支撐由玻璃鋼型材組裝而成。位于截水單元件上部的包箍起到固定作用，即通過包箍將單元件固定在支撐梁與豎直立柱上。為防止其被海水腐蝕，制作加工材料為不銹鋼。

2.2 導(dǎo)流板

(1)導(dǎo)流板安裝位置

由于填料層采用擱置式的工藝布置，豎梁與橫梁之間沒有灌縫處理，間隙較大，匯集的水流造成濺水。因此在改造方案中，采用選擇在豎梁間增設(shè)導(dǎo)流板裝置，如圖4所示。把豎梁處的水柱導(dǎo)出截水裝置外250 mm，使其均勻落在防濺填料上。固定端采用45°角與收水斜板搭接，側(cè)面開孔與吊桿相承插、并用固定板片連接固定。

(2)導(dǎo)流板的基本結(jié)構(gòu)

導(dǎo)流板由玻璃鋼材料制作而成，厚度為5 mm、長(zhǎng)度2 000 mm,導(dǎo)水端采用小波紋，截水裝置所采用的連接件及螺栓材料須采用不銹鋼。

3 應(yīng)用效果分析

該廠在運(yùn)行中多次發(fā)生過高位收水冷卻塔結(jié)冰損壞情況，導(dǎo)致水塔分區(qū)停運(yùn)檢修。通過上述改造措施，將新型導(dǎo)風(fēng)截水裝置應(yīng)用到高位收水冷卻塔，如圖6所示。最終應(yīng)用效果顯示，采用導(dǎo)風(fēng)截水器可改善濺水現(xiàn)象，治理后濺水嚴(yán)重區(qū)域的濺水率優(yōu)于設(shè)計(jì)值0.05‰。

圖6 高位收水冷卻塔配水裝置

4 結(jié)論及展望

針對(duì)某電廠擱置式填料設(shè)計(jì)高位收水冷卻塔出現(xiàn)的濺水問題，本文提出基于截水器和導(dǎo)流板的改造優(yōu)化方案，通過增加截水裝置和增加導(dǎo)流板，解決了施工精度、材料變形等引起的濺水現(xiàn)象，有效將濺起的水滴攔截在截水裝置內(nèi)側(cè)，明顯降低高位收水冷卻塔收水裝置的濺水率。

該方法實(shí)現(xiàn)了冷卻塔地面無積水，冬季無結(jié)冰，保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行。研究成果能夠應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)電廠，具有顯著的安全效益、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和市場(chǎng)推廣應(yīng)用前景。