冷却塔填料结构改造与经济性分析

冷却塔填料结构

冷却塔填料结构改造与经济性分析

大唐安阳发电厂 王洪河

[摘要]：冷却塔做为火力发电厂汽轮机循环水冷却设备，其工作的好坏直接影响机组运行的经济性，填料做为冷却塔的核心换热部件，其工作的好坏又直接影响着自然塔的冷却效率。本文对悬挂式冷却塔填料悬挂装置的各种缺陷因素进行了分析，提出了技术改造方案。技术改进后，基本消除了填料坠落现象，保证了冷却塔热力性能，使汽轮机组的真空值有所上升，提高了机组运行的经济性，达到了节能减排的目的。

[关键词]：冷却塔 填料 悬挂 技术改造 经济分析 节能降耗

1. 前言

随着能源形势的日益严峻和建设两型社会的要求，以及电网节能调度方式的逐步实施，节能减排不仅仅是社会对企业的要求，而且已经上升到事关企业的生存的高度。因此，各个电厂对节能工作已经提高到一个相当的高度。目前企业对主蒸汽初参数压红线运行已经做得比较到位，但对于汽轮机冷源系统如自然塔等设备的重视刚刚开始，这方面还有许多潜力可挖。

本文就如何对自然冷却塔悬挂式填料进行改造以及改造后的经济效果谈了一些看法。

2. 冷却塔工作原理

自然通风逆流式冷却塔是我国电厂使用最广泛的一种自然塔，这种塔型的通风筒采用双曲线型。热水由管道通过中央竖井进入热水分配系统，热水分配系统包括主配水槽和配水管，这种配水系统在平面上呈网状布置；配水管中的水通过喷溅设备（喷嘴和溅水碟）将水洒到填料上；经填料后成雨状落入蓄水池，冷却后的水抽走重新使用。塔筒底部为进风口，用人字柱支撑。空气从进风口进入塔体，穿过填料下的雨区，和热水流动成相反方向流过填料（故称逆流式），通过除水器除去空气中的水滴后，再从塔筒出口排出。

塔外冷空气进入冷却塔后，吸收由热水蒸发和接触散热的热量，温度增加、湿度变大，密度变小。塔外空气温度低、湿度小、密度大。由于塔内外空气密度差异，在进风口内外产生压差，致使塔外空气源源不断地流进塔内而无需通风机械提供动力，故称为自然通风。

3. 冷却塔的概况

大唐安阳发电厂两台300MW机组均为东方汽轮机厂生产的N300－16.7/537/537－3型亚

2临界中间再热双缸双排汽凝汽式汽轮机，每台机组各配备一座冷却面积5500m 的自然通风

逆流式冷却塔。每台机组配备两台循环水泵。

冷却塔采用单沟、单竖井进水方式及内外围管式配水系统。全塔共四条密闭主水槽呈十字形布置，其中两条为双层水槽。双层水槽中的上层水槽负责内围配水，占全淋水面积的44％，而下层水槽与另外两层单层水槽负责外围配水，占全淋水面积的56％；在双层水槽上的内围区水槽与竖井连接处装有两块1.2m×1.7m的闸板及启闭力为5吨的启闭机，以切换内外围配水系统。为解决冷却塔冬季结冰问题，除采用内外围配水系统，还设计有旁路管及防冻管道。

冷却塔填料结构

压力进水沟采用断面尺寸为2.45m×2.45m的钢筋砼沟，流速v＝1.63m/s;竖井断面尺寸为3.5m×3.5m，流速v＝0.79m/s;顶标高12.5m；供内围配水的主水槽断面为1.0m×1.3m，供外围配水的主水槽断面为1.0m×1.7m。

冷却塔淋水装置支柱间距为6m，次梁间距为2m。淋水填料及配水管均悬吊在次梁上，而除水器则直接搁置在次梁上。悬吊构件中的长环、吊环、单捆、双捆钢带等采用1Cr13不锈钢，而吊钩、横拉钢丝等则采用A3钢镀锌。

冷却塔配水管是以聚氯乙烯树脂为主要原料并加配改性剂、稳定剂等成分经挤出成型的一种塑料管道，用于塔内热水分配系统，用15×0.5mm的不锈钢带悬吊在次梁上，是完成循环水冷却任务的一个重要部件，其质量的好坏，寿命的长短，直接影响着冷却塔的冷却效率及其经济效益。

冷却塔淋水填料是循环水在冷却塔内进行热交换的核心部件，其所产生的温降占整个自然塔温降的60％－70％，其质量的好坏直接影响电厂长期运行的安全性和经济性。本工程5500平方米冷却塔淋水填料采用聚氯乙烯(PVC) “双向波”塑料薄膜式填料，填料的悬挂固定装置由吊钩、长环、吊环、横拉钢丝、垫片、螺母、小梁组成。其规格及材质见下表。填料的固定方式见图1。

填料悬吊构件材料表

冷却塔填料结构

4. 改造前冷却塔存在的主要问题

如前所述，这种自然塔的填料和配水管均是悬挂在梁上的，这种填料固定方式在全国范围来说也是比较少见的，虽然其基建费用较低，但存在着如下比较严重的缺陷。

a) 填料挂钩断裂造成填料脱落，填料脱落后淋水情况急剧恶化，造成自然塔冷却效率降低，机组经济性降低。

b) 配水管断裂，使局部区域形成水柱，一方面冲坏填料，另一方面，断裂管子喷嘴的水量减小，造成冷却面积急剧减小，造成自然塔冷却效率急剧降低，机组经济性降低。

c) 填料吊环与填料托架（小梁）连接处局部压强过大，发生断裂现象，造成填料脱落。 d) 填料在托架中部刚度较弱的部位由于重量大局部下垂脱落，造成填料组局部区域破损，造成填料换热面积减小，换热效果恶化。

填料脱落后不但造成自然塔换热面积减少，并且脱落的填料会随着循环水进入到车间内的凝结器和其它冷却器中，影响凝结器换热面积，造成冷却器冷却效果变差，影响转动设备的安全运行。因此填料脱落对机组造成的影响不仅仅是经济性，而且涉及到安全性，必须高度重视和加以解决。

5. 填料坠落原因分析

5.1 本身结构方面的原因，由于填料为悬挂式，填料下部受力支撑部位仅为两根托架（小梁），填料绝大部分下部无支撑，填料自身刚度较弱，以及悬吊部件本身的强度余量不够发生断裂是造成填料坠落的根本原因。

5.2 由于循环水水质差，含泥沙，微生物和悬浮物量较大，PVC填料经长期运行，大量结垢，换热通道被淤堵，填料中泥垢的重量为填料本身重量的几倍甚至十几倍，当其重量超过悬吊部件所能承受的重量时就会拉断悬吊部件造成填料坠落。

5.3 悬吊部件本身材质和强度存在问题，特别时原来所用的挂钩（φ25 A3镀锌），多次发生断裂现象，检查断口断面呈银白色，说明其脆性大，在填料重量增加的情况下，加上挂钩本身的弯曲部位承受的力为弯曲应力，故极易发生断裂现象。

5.5 虽然设计了防冻管以及外围配水等自然塔防冻措施，但改造前自然塔内的结冰现象仍十

冷却塔填料结构

分严重，数米长的冰柱悬挂在填料上，使得填料重量数倍地增加并集中在填料局部部位，导致填料局部被撕裂或拉杆过载断裂。

5.6 配水管由于刚度不足或冻裂发生脆段以及喷嘴损坏脱落在填料上方区域形成带有一定压力的水柱，将填料冲坏造成坠落。

5.7 填料托架（小梁）材质强度低，在填料结垢或填料挂冰引起填料重量增加的情况下，填料托架穿吊环孔处承受的局部压力超出材质的强度，造成局部拉断脱开（如图一所示），引起填料脱落。

5.8 经过一段时间的运行，填料本身老化变脆，由于结垢或挂冰造成填料局部的重量超出其本身的刚度造成填料中部无支撑部位局部下垂引起坠落。

6. 填料损坏坠落对机组经济性的影响分析

6.1 填料损坏以及坠落后最直接的影响是造成冷却面积的减少，该自然塔填料面积共5400平方米，改造前经过一个检修周期（一年）填料经常损坏一二百平方米左右，占到自然塔填料面积的2％左右。

6.2 填料损坏的原因之一是配水管损坏和喷嘴损坏造成的冲刷，这种情况下对自然塔效率的影响则是双重的，除了冲刷损坏填料造成面积减少外，由于配水管或喷嘴损坏，造成整个一列配水管所对应的填料由于淋水量急剧减少甚至不淋水，对自然塔冷却效果影响更大。该自然塔主配水槽共引出232路（其中φ250的配水管184路、φ200的配水管32路、φ160的配水管164路）配水管，改造前经过一个检修周期（一年）经常有几路配水管和喷嘴损坏，这方面又影响自然塔换热面积1－2％。

6.3 破损的填料进入凝结器堵塞铜管，造成凝结器换热面积减少，机组真空降低，通过打开凝结器水侧查看，堵塞铜管能达到一二百根，影响凝结器换热面积1－2％。

此外，脱落的填料还会进入车间的各种冷却器和滤网中，堵塞换热管和滤网，影响冷却效果、增大压差， 影响冷却水设备用户的安全运行，进而威胁到整个机组的安全可靠运行。

7. 防止填料坠落损坏的技术改造措施

如前所述，填料坠落损坏的主要原因是填料悬挂方式强度和刚度弱以及填料挂冰造成的附加重量大，改造就主要从增加填料悬挂部位的强度、刚度和防止填料挂冰着手。

7.1 改进挂钩材质

将其材质由A3镀锌钢(σb=380—470MN/m2,延伸率不小于22％)更换为1Cr18Ni9Ti不锈钢（σb=550MN/m2,延伸率不小于40％）,直径不变，其强度增加1.44倍，其塑性增加近两倍。同时其耐腐蚀能力远远大于镀锌的A3钢，能够适应自然塔内锈蚀比较严重的环境，能够避免挂钩断裂原因引起的填料脱落。

7.2 改进填料下部支撑方式

每组填料下方加装两块由玻璃钢材质制作的网格板（2000×1000×38mm，工字型断面），网格板支撑在两块玻璃钢制成的矩形托架（2000×60×90mm，窄边厚度：10mm，宽边厚度：7mm)上，见图2。

22玻璃钢网格板的承载力为7KN/m，其破坏荷载为20 KN/m，在1.25米次梁中间挠度不大

2于8mm。而填料块的承载力为3 KN/m，可见安装网格板后填料块下部刚度增加2.3倍，整

体强度则增加6.7倍。因此填料下方加装网格板后，使整个填料面都有了支撑，提高了填料的整体刚性，消除填料中部刚度不足引起的下垂和和强度不足引起的脱落。

小梁（即托架，尺寸50×70×118×4）由PVC材质改为玻璃钢，托架与螺栓垫片连接的支撑面面积加大为原来的1.44倍（3600/2500）；厚度由4mm增大为10mm；玻璃钢材质的弯

冷却塔填料结构

曲强度323MPa（湿态），巴氏硬度31，PVC托架的弯曲强度160 MPa，可见玻璃钢材质的强度是PVC材质的2倍。综合考虑以上因素，改造后吊环连接处的托架表面抵抗破坏能力是原来的6.64倍（1.44×2×2.5×42/46）。托架立边厚度由原来的4mm增大为7mm，其整体强度和刚度也是较老托架增加的。改进前后的托架断面图见图3和图4。

7.3 冬季自然塔进风口加装挡风板

冬季运行期按每年12月至次年2月共3个月计算，此时一台循环水泵对应一座冷却塔运

3行，每座塔设计水量为21120 m/h，平均淋水密度为6.9吨/小时.平米。此时关闭竖井上的

闸门，停止内围配水，将热水全部切换至外围配水。为防止冬季运行期间因热负荷过小造成填料下面结冰现象，除采用外围配水外，还设有其它防冻措施。

冷却塔填料结构

a) 在冷却塔进风口上缘内侧7.7米处设置一条Dg350环形防冻管，设计水量为冬季循环水量的30％，即6600 m3/h，在进入冬季时，即开启防冻母管（Dg1200钢管）上的闸门，使部分热水通过防冻管喷溅在进风口处形成一道热水幕，以阻止冷空气进入塔内，达到防止结冰之目的。

b) 当冬季机组投运分布试运、整体试运以及再启动时，为防止低热负荷时填料下面结冰，应开启旁路阀，使热水不经过淋水装置全部进入水池，当循环水温度升至15℃时再将循环水全部切换至外围区配水。

c) 当冬季气温下降到－5℃及以下或结冰严重时，每台机应开启两台循环水泵，打开竖井上的闸板至1/3开启度，以此来加大外围淋水密度（有少部分循环水进入内围区），结合防冻管，来达到防冻目的。

尽快采取了以上的防冻措施，但运行实践表明，在冬季气温较低的一段时间内，淋水填料下部结冰现象仍每年都发生，且非常严重，冰柱长大数米挂在填料上，致使淋水填料以及悬吊构件遭受损坏，严重危害冷却塔的安全运行，为此我们借鉴三门峡电厂的经验，采取了在进风口加装挡风板的办法。挡风板样式如图5。

冷却塔填料结构

a) 挡风板材料为玻璃钢，挡风板弯曲强度≥150MPa，设计荷载0.6KN/M，使用寿命大于20年。

b) 挡风板在自然塔进风口处安装上下两排，悬挂在钢管梁上，钢管梁安装在人字柱上。可根据气温情况首先安装上部一排挡风板，当气温更低时，安装下部挡风板；挡风板的安装和拆除时间根据气温情况灵活掌握，以填料不结冰和机组保持经济真空为原则。

c）挡风板尺寸有两种规格：2500mm×740（720）mm×6mm（用于上排），2500mm×720（700）mm×6mm（用于下排）。

d）挡风板的固定悬挂部件其强度应能承受挡风板的重量，并做好防锈及防腐措施,挡风板连接件均为镀锌件。

e) 加装挡风板后运行实践表明可以完全消除自然塔内结冰现象。

为了防止填料坠落，除进行以上改造工作外，每次检修时认真对配水系统和填料进行检查疏通，防止堵塞，对于消除填料上聚集泥垢引起坠落和堵塞影响填料换热效果也是十分关键的举措。

8. 淋水填料改造对经济性影响的分析

冷却塔填料进行改造后的影响体现在自然塔检修维护费用的降低和提高自然塔运行冷却效率两个方面，这两个方面又是相辅相成的。

首先，填料改造后，消除了各种原因引起的填料脱落、配水管和喷嘴脱落（冻裂现象），因此可每年减少更换填料（含悬挂不锈钢部件）、配水管、喷嘴、除水器（更换填料会损坏部分除水器）等的材料和人工费用（高空危险作业），包括由于换热设备堵塞带来的检修费用等每年数十万元。

其次，改造后由于填料换热面积较填料脱落时增加、自然塔冷却效果提高，自然塔出口循环水温度可降低2℃，根据资料，循环水温下降1℃，使机组发电煤耗降低1g/KW h。由于改造后填料不再脱落，因此这种改造效果是持久的，较之每次填料损坏后运行相当长一段时间才能检修，减少了由于不能及时检修带来的对自然塔换热效率的影响， 按每年发电量15亿度计算，标煤单价400元/吨计算，每年由于自然塔效率提高节约燃料成本60万元。（填料损坏影响自然塔效率的时间按半年计算）。

填料改造后效果越好，其对自然塔效率的提高约明显，运行经济性越高，其维修间隔也就越长，检修费用也就越少；反之，如果其冷却效果不好，就被迫缩短检修工期，造成检修维护费用增加，因此这两方面的影响是相辅相成的。另外减少填料坠落后减少对凝结器铜管的堵塞，提高凝结器真空，这方面对机组经济性的影响也是很显著的。当然，为了确保自然塔更好的冷却效果，即使填料完好，每年利用检修机会对配水系统进行检查清除其中的淤泥，消除泥垢对填料的影响也是很有必要的。

9. 结论

冷水塔是火力发电厂汽轮机循环水系统中的主要设备，针对悬挂式冷却塔存在的刚度不足所造成的填料脱落问题，进行了一系列技术改造，在花费不多的情况下，通过多方面局部改造成功解决了填料脱落问题，从而能够使自然塔长周期安全经济运行，提高了机组的经济性。

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冷却塔填料结构

[参考文献]：

1、 赵振国著《冷却塔》中国水利电力出版社

2、蒋明昌 田志国等著《火力发电厂能耗指标管理》 中华文出版社

3、《冷却塔塑料部件技术条件》中华人民共和国电力行业标准

4、《自然塔安装及运行说明书》河南省电力勘测设计院

5、自然塔安装图纸 河南省电力勘测设计院

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d334.html