冷卻塔的起始

　　蒸發式冷卻技術可追溯至古代,那時河流、海洋、湖泊和池塘等等都是作為供水的方式被人們利用的。由于過去工業活動有限,加之水源豐富,冷卻水用一次便被排掉,再從水域中取冷水,在工業廠址選擇時,總要考慮有可利用的江、河、湖、泊作為冷卻水的取水源和排放地或有可利用的巨大池塘或溝渠貯存、冷卻、再循環或排放工藝或冷卻用水。為了減少有效占地,在貯存水池中裝設噴霧系統使池水充氣,或將水噴在池子上使之與空氣充分接觸以冷卻,后再發展形成噴水池技術。技術再發展便有了噴霧式冷卻塔,人們發現將熱水在一個箱噴射便可將熱水冷卻,這便是今天還有用的噴霧式冷卻塔的錐形。后漸完善,又增加了空氣流動機械設備,便有了帶風機的噴霧式冷卻塔。再后來人們為解決塔內水滴的下沉速度,在塔內添加了填料,這便是現代冷卻塔的開始。隨后有了機械通風逆流塔、橫流塔、自然塔等。

　　冷卻水**最集中的用戶是發電廠,所以,大型冷卻塔的發展與發電機組規模不斷進步分不開,發電廠的冷卻塔多采用風筒式的自然通風冷卻塔。風筒式自然通風冷卻塔的歷史還不到100年,世界上**個雙曲線型自然通風冷卻塔于1916年建于荷蘭伊特爾松(Von Iterson),1919年有了木外殼鋼結構橫流式冷卻塔,1920年在法國的敦刻爾克(Dunkirk)建造了具有加強肋的混凝土錐型殼體冷卻塔。在1930~1950年之間又建成了英國哈姆斯哈爾(Hams Hall)、德國的埃斯彭海因(Espenhoin)、法國的赫爾塞安舍(Herserange)的自然通風冷卻塔。1954年德國柏林建造了**個預制構件的雙曲線自然通風冷卻塔,1955年美國奧蘭多(Oriando)建造了美國的**個雙曲線自然通風冷卻塔,1958年美國建造了**個超100m高的海馬哈馬(High Mamham)電廠自然通風冷卻塔,1960年英國魯格勒( Rogerny)電廠出現了**個雙曲線自然通風干式冷卻塔,1971年美國卡因(Garin)電廠建造的冷卻塔高度達到了150m。

　　在中國,最早的自然通風冷卻塔是1938年日本建于遼寧葫蘆島一個水泥廠的自備電廠,冷卻塔淋水面積600m2,高度42m。20世紀50年代我國只能建造淋水面積1250~1500m2、高度約60m的冷卻塔:20世紀6年代冷卻塔的淋水面積達到2000m2,高度達到70m。1974年山東煙臺電廠建成了1、2號冷卻塔,淋水面積達3000m2,高度75m;1976年在河南長葛電廠建造了**座試驗性橫流式自然通風冷卻塔,1978年在開封電廠建成了**座較大型的橫流式自然通風冷卻塔,淋水面積為1750m2,塔高90m1986年淮南洛河電廠建成與300MW機組配套的自然通風冷卻塔,淋水面積達到7000m2,高度達到96m;2000年上海吳電廠與600W機組配套的9000m2高度141m冷卻塔建成;2006年重慶珞璜電廠與600MW機組配套的冷卻塔投入運行,冷卻塔面積達到10000m2,

高度達到160m;2006年底山東鄒縣電廠四期與1000MW機組配套的冷卻塔投入運行,淋水面積達到12000m2,高度達到165m;2009年浙江寧海電廠與1000MW機組配套的13800m2的海水冷卻塔投入運行,高度達到177m,目前保持著中國和亞洲的自然塔的規模和高度之最。

　　機械通風冷卻塔主要在石化、冶金等其他工業部門使用較多。20世紀50~60年代我國有不少電廠采用機械通風冷卻塔,主要配直徑4.7m和8.0m的軸流風機,淋水填料多是板條、鋼絲網、水泥或石棉板條。1972年陜西秦嶺電廠建造了5座500m2逆流式機械通風冷卻塔,風機直徑達12.5m,淋水填料為紙蜂窩型。其后在遼寧朝陽電廠建成了淋水面積1962m2,直徑50m,風機直徑20m的圓形逆流式機械通風冷卻塔,可滿足200MW機組循環水冷卻要求,如圖1-23所示,目前,尚無工程單塔規模超過它。

　　我國冷卻塔的技術發展主要經歷了3個階段:20世紀80年代以前的自主研究階段,這

一時期中國冷卻塔的技術發展落后于歐美蘇等發達國家:20世紀80~90年代是引進消化吸收階段,這一階段,中國與國外交流增多,還引進了比利時哈蒙冷卻塔公司的冷卻塔設計技術,冷卻塔的設計技術達到了國外水平:第三階段是超越階段,這一階段是從200年后中

國經濟騰飛,對冷卻塔技術需求增速迅猛,冷卻塔技術得到了較大的發展,也使中國的冷卻塔技術研究超越了其他國家,主要發展有海水冷卻塔、排煙冷卻塔、超大型冷卻塔、高位集水冷卻塔、斯卡爾和斯克斯間接空冷塔、1000W的直接空冷塔、AP1000和AP400配套的重要廠用水冷卻塔等,筆者很榮幸主持、參與和見證了這些新技術發展。

1.海水冷卻塔

　　浙江寧海電廠一期為直流冷卻系統,二期擴建時,由于環保的要求,冷卻水系統須改為二次循環,寧海電廠地處海邊,海水資源較淡水豐富,經過比較論證最終選定海水冷卻塔方案,該工程的冷卻塔由西南電力設計院設計,筆者主持了海水冷卻塔工藝方面的課題研究,鑒于寧海海水冷卻研究具有較強的工程背景,中國電力工程顧問集團公司設立研究專題對海水冷卻塔技術進行了系統研究,筆者仍負責工藝課題研究。研究課題包括海水水質對冷卻塔熱力性能影響的機理、海水冷卻塔淋水填料的熱力阻力特性、海水冷卻塔塔型設計、海水冷卻塔的熱力阻力計算、海水冷卻塔淋水填料的防堵性能研究等。

2.排煙冷卻塔

      2001年,北京申辦奧運成功,北京的環境治理得到重視。電廠的煙氣排放有了強化要求標準,煙氣須脫硫后方可排放。由于脫硫工藝使得脫硫后的煙氣溫度降低至約50℃,影響了煙氣抬升能力,要么對煙氣重新加熱造成耗能,要么采用冷卻塔排放煙氣。為此從05年開始,北京高碑店華能電廠,首先進行冷卻塔改造,采用自然塔排煙方案。冷卻塔內排放煙氣是否影響冷卻塔的性能、熱力計算如何進行等問題的存在,中國電力工程顧問集團公司設立排煙冷卻塔專題,華北電力設計院總體負責,排煙冷卻塔的相關熱力阻力方面的課題由筆者負責研究。項目以通過模型試驗給出了排煙冷卻塔的熱力阻力計算方法,后又在2013年完成的華東電力設計院總體負責的10004W機組排煙塔研究課題中,筆者負責采用數值模擬方法對排煙塔的熱力阻力特性進行復核修正研究,確保了排煙塔1000MW機組的熱力計算適用性。

3.超大型冷卻塔

      2006年,我國與1000W機組配套的自然通風冷卻塔投入運行,但對于淋水面積達到12000m及以上的自然通風冷卻塔的熱力阻力計算是否合理,需不需采用更高精度的計算方法進行設計等問題需要回答,中國電力工程顧問集團公司設立了超大型冷卻塔研究項目,項目由西北電力設計院總體負責,筆者負責完成了超大型冷卻塔的熱力阻力計算方法、一維二維計算方法對比、超大型冷卻塔的實測計算驗證、外區配水計算方法等內容對于內陸核電對自然塔的規模要求更高的狀況,還是中國電力工程顧問集團公司設立專題項目對核電超大型冷卻塔進行研究,項目由華東電力設計院總體負責,筆者負責完成了核電超大型冷卻塔的阻力計算公式修正研究、冷卻塔不同區的換熱分析、核電超大型自然通冷卻塔的熱力阻力計算方法及其驗證、自然風對冷卻塔性能的影響研究、核電超大型冷卻塔的淋水填料特性和典型工程的配風配水計算研究等,筆者還主持了中國核電工程公司、中廣核工程公司、廣東省電力設計院和西南電力設計院有關超大型冷卻塔方面類似內容的研究。

4.核電廠用水冷卻塔

　　上海核工業設計院負責AP1000和AP1400代核電技術的國產化,重要廠用水系統采用了機械通風冷卻塔,筆者受托主持完成了重要廠用水機械通風冷卻塔的空氣動力特性模型試驗研究、重要廠用水冷卻塔驗證試驗、重要廠用機械通風冷卻塔的設計研究及標準圖集等內容,研究工作形成兩個專利。目前正在進行AP1000和AP1400項目的重要廠用水機械通風海水冷卻塔技術研究與開發。

5.高位集水冷卻塔

　　高位集水冷卻塔是比利時哈蒙冷卻塔公司的一項獨特技術,該技術可降低循環水泵的運行揚程,可節省運行費用,已經在法國ED的若干電廠中采用。該技術引起了國核電力規劃設計研究院的重視,他們經過考察了解,從哈蒙公司引進了該項技術的工程設計為掌握該項技術,國核電力規劃設計研究院申請了國家重大科技專項對此技術進行研究,研究工作從2005年開始,2013年結束,歷時8年。研究者受托負責了工藝方面的研究課題,研究包含了高位集水冷卻塔的熱力阻力計算方法、高位集水冷卻塔防濺材料的研究與開發、高位塔集水槽水力特性試驗、高位塔塔型的研究、高位集水冷卻塔淋水填料特性研究等內容。

6.空冷塔

      2003年大同**熱電廠與200MW機組配套的直接空冷塔投入運行,標志著直接空冷技術大規模發展的開始,受山西電力設計院委托作者參與主持完成了直接空冷的空氣動力特性研究,研究工作對于直接空冷平臺設置高度、空氣阻力計算等問題給出了結果2007年華北電力設計院設計的600MW間接空冷機組投入運行,筆者參與主持了斯卡爾系統空冷塔的空氣動力特性研究,對于不同布置方式的散熱器空氣動力特性進行了研究2013年筆者參與了山西電力設計院委托中國水利水電科學研究院(以下簡稱“水科院”)關于斯卡爾間接空冷塔的設計與布置相關問題的進一步深入研究,給出了阻力計算公式。