一种高位收水干湿混合冷却塔及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种高位收水干湿混合冷却塔及其工作方法，属于冷却塔技术领域。

背景技术

冷却塔广泛应用于火电厂、太阳能光热发电厂和地热能发电厂等。作为冷端系统的主要设备之一，其性能的好坏在很大程度上影响发电厂的经济性和稳定性。低冷却效率的冷却塔将会使循环水的温度升高、凝汽器的真空度降低，导致汽轮机组的工作效率下降，从而降低整个机组的循环热效率。

冷却塔根据水气接触方式的不同，可以分为空冷塔、湿冷塔和干湿混合式塔。空冷塔的塔内设有换热器，空气与换热器内的循环热水进行间壁式换热，由于换热器管内循环热水和空气不直接接触，几乎没有水损耗；空冷塔的冷却极限是环境空气的干球温度，与湿冷塔相比换热效率较低。湿冷塔通过配水系统将循环热水喷淋到填料层，水与进入冷却塔的空气直接接触进行传热传质，其冷却极限是环境空气的湿球温度，冷却效率比空冷塔高。干湿混合式塔是空冷和湿冷的结合。

自然通风冷却塔，其塔内空气的流动由塔内外空气的密度差产生的浮升力驱动。自然通风冷却塔，由于无风机、维护费用低等优势，广泛应用于热力发电厂。现有的技术有以下缺陷：(1)自然通风空冷塔存在换热效率低，特别是夏季工况，难以满足冷却负荷要求。(2)传统的自然通风湿冷塔，其填料一般采用水平、均匀布置方式，即冷却塔内从中心区域到外缘的填料是同一高度、同一波形。空气在各冷却区域流动过程中持续进行传热传质，但因自然通风湿冷塔的淋水面积巨大，如660MW火电机组，其自然通风湿冷塔的淋水面积为9000m

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高位收水干湿混合冷却塔及其工作方法，可根据环境温度适应不同工况，本发明的湿冷部分为高位收水，环境风从塔外进入塔内时，湿冷区域减少了雨区的淋水阻力，可以让更多环境风进入到塔内的中心区域，从而增大塔内中心区域的进风量，提升塔内中心区域的换热，缓解了冷却塔内的速度场和温度场分布不均匀、冷却塔中心区域的换热不充分而导致冷却不均匀、冷却塔整体冷却效果差的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种高位收水干湿混合冷却塔，包括塔体，塔体顶部设有出风口，底部设有进风口，所述塔体内设置有除水器、配水总管、填料和换热器，所述换热器和填料位于塔体内同一水平面上，换热器位于塔体内中心区域，为空冷区，填料呈环形，位于换热器与塔体内壁之间，为湿冷区；

除水器位于配水总管上方，用于收集空气夹带的水滴；

所述填料上部设置有配水系统，配水系统包括配水管和喷嘴，喷嘴均匀设置于填料上方，用于向填料均匀配水，填料为环形，喷嘴均匀设置于填料区整个环形面上，且均匀布置；喷嘴通过螺纹安装于配水管上。

所述填料下方均匀设置有多个收水装置；

填料分为湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ，配水系统对湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ分开配水，配水总管包括三个配水支路，一路通过阀A控制进入湿冷区Ⅰ上方的配水系统，一路通过阀B控制进入中心区域的换热器，一路通过阀C控制进入湿冷区Ⅱ的配水系统，干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控，以实现高效、节水运行；湿冷区Ⅰ的收水装置底部、换热器的出水口以及湿冷区Ⅱ的收水装置底部均设置有出水管道，各出水管道汇集至出水总管循环使用。

本发明提出一种高位收水的干湿混合冷却塔设计。具体地，冷却塔塔芯填料层由塔内的外缘向塔中心依次为填料、换热器，其塔内中心区域为空冷，外缘区域为湿冷，且湿冷部分通过收水装置高位收水。设计为高位收水的益处是，环境风从塔外进入塔内时，湿冷区去掉了雨区的淋水阻力，这样可以让更多环境风进入到塔内的中心区域，从而增大塔内中心区域的进风量，提升塔内中心区域的换热，缓解传统的自然通风湿冷塔由于淋水面积以及雨区阻力的存在，导致冷却塔内的速度场和温度场分布不均匀，冷却塔中心区域的换热不充分而导致冷却不均匀，冷却塔整体冷却效果差的问题。

优选的，所述塔体内的中心区域的换热器与外缘湿冷区的填料之间设置有隔板，隔板上部高度与配水管高度平齐，隔板下部高度与收水装置的底部平齐。

隔板需采用不易腐蚀的材质，且工作温度下不易变形。

优选的，所述配水管、收水装置以及填料，其在塔内的布置面积一致，即配水管、收水装置均与填料的淋水面积一致。

优选的，所述收水装置包括收水板和收水槽，收水板上设有防溅层，收水板的下端连接集水槽。

优选的，所述收水板为多个，且平行设置，均匀固定在填料的下部，以收集全部流经填料区的循环水，收水板的倾斜角度为30°～60°，相邻收水板之间的空间构成进风道，进风道用于环境空气向上流动。空气向上流动过程中，在收水板之间的空间与塔内中心区域的换热器相比，在收水板之间的空间空气的流量较大。

多个收水板结构相同。

所述换热器可采用翅片管换热器或其他类型的换热器。

优选的，所述防溅层为蜂窝状薄片、吸水棉毡或吸水海绵，防溅层和收水板的尺寸大小一致，粘贴或直接卡放在收水板上，以减少循环水与收水板直接撞击造成的迸溅。

优选的，所述塔体内空冷区的半径为r，湿冷区的内环半径为r，湿冷区的外环半径为R，塔内外缘区域的面积是半径为R的圆形面积减去半径r的圆形面积，即圆环部分的面积。

设置填料处的塔体内径为L，其中R＝L，0

优选的，湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ为面积相等的左右两部分；

或者，湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ均为环形，塔体内部由中心到外缘依次为中心区域的换热器、环形的湿冷区Ⅰ和环形的湿冷区Ⅱ，湿冷区Ⅰ的内环半径为r，湿冷区Ⅰ的外环半径为R1，湿冷区Ⅱ的内环半径为R1，外环半径为R，其中r

优选的，塔体内中心区域的换热器、塔体内外缘湿冷区的填料以及隔板均由塔内支撑结构配合钢绳固定。

一种上述的高位收水干湿混合冷却塔的工作方法，包括空气流动和循环水流动，空气流动过程为：

环境空气由自然通风冷却塔的浮升力驱动，从塔外经冷却塔的进风口流入塔内，在外缘区域的湿冷区依次经过收水装置、填料、配水系统、除水器，最后流出塔外；塔内中心区域的空冷区依次经过换热器、除水器，最后流出塔外；空冷部分与湿冷部分通过隔板隔开；

循环水流动过程为：

循环水从入口经配水总管流入冷却塔内，通过阀控制，分三路流动，一路经阀A进入湿冷区Ⅰ，一路经阀B进入中心区域的空冷区，一路经阀C进入湿冷的剩余区域即湿冷区Ⅱ；而后，湿冷区经收水装置收集，空冷区经管路收集，最后汇集到出水总管供循环使用。

一种上述的高位收水干湿混合冷却塔的工作方法，包括如下步骤：

(1)当环境温度较低(低于5℃)时，可进行单纯空冷工况运行，此时环境温度较低，单纯空冷即可满足冷却负荷要求，此时关闭湿冷区的进水，开启空冷区的进水，环境空气通过中心区域的换热器与循环水进行间壁式换热，循环水被冷却；该过程无水的蒸发损耗；

此运行模式与湿冷塔相比有两点益处：1)无水的蒸发损耗，可以节约用水；与湿冷塔相比，此工况可节水100％；2)可缓解由于环境温度过低，湿冷塔结冰严重的问题。

(2)当环境温度较高(5-15℃)时，进行空冷+一路湿冷工况运行，此时，开启空冷区的进水，关闭湿冷区Ⅱ的进水，开启湿冷区Ⅰ的进水，或者关闭湿冷区Ⅰ的进水，开启湿冷区Ⅱ的进水；一部分环境空气通过中心区域的换热器与部分循环水进行间壁式换热，循环水被冷却；一部分环境空气与开启喷淋的湿冷区的循环水直接接触，进行传热传质，循环水被冷却；最后，两路循环水汇集到出水总管循环使用；

此运行模式与湿冷塔相比有两点益处：1)在满足冷却负荷要求的前提下，充分利用空冷作用，可以减少湿冷区喷淋水的蒸发损耗，节约用水；与湿冷塔相比，此工况可节水20-80％；2)干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控。

(3)当环境温度高(15℃以上)时，可进行空冷+两路湿冷工况运行，此时，开启空冷区的进水，开启湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ的进水；一部分环境空气通过中心区域的换热器与部分循环水进行间壁式换热，循环水被冷却；另一部分环境空气与两路湿冷区的循环水直接接触，进行传热传质，循环水被冷却；最后，三路循环水汇集到出水总管循环使用。

此运行模式与湿冷塔相比有两点益处：1)干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控；2)湿冷部分为高位收水，环境风从塔外进入塔内时，湿冷区域去掉了雨区的淋水阻力，这样可以让更多环境风进入到塔内的中心区域，从而增大塔内中心区域的进风量，提升塔内中心区域的换热，缓解传统的自然通风湿冷塔由于淋水面积以及雨区阻力的存在，导致冷却塔内的速度场和温度场分布不均匀，冷却塔中心区域的换热不充分而导致冷却不均匀，冷却塔整体冷却效果差的问题。

本发明的高位收水的干湿混合冷却塔，与传统的自然通风空冷塔相比，其运行性能可提升30-80％；与传统的自然通风湿冷塔相比，可节水20-100％，100％即为单纯空冷工况运行；与传统湿冷区有雨区相比，湿冷区高位收水设计可提升换热性能10-30％。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

本发明的有益效果为：

1)当环境温度较低时(低于5℃)，进行单纯空冷工况运行。此时无水的蒸发损耗，可以节约用水；与湿冷塔相比，此工况可节水100％；另外还可缓解由于环境温度过低，湿冷塔结冰严重的问题。

2)当环境温度较高时(5-15℃)，进行空冷+一路湿冷工况运行。此时在满足冷却负荷要求的前提下，充分利用空冷作用，可以减少湿冷区喷淋水的蒸发损耗，节约用水；与湿冷塔相比，此工况可节水20-80％；另外干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控。

3)当环境温度高时(15℃以上)，进行空冷+两路湿冷工况运行。此时干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控；另外湿冷部分为高位收水，环境风从塔外进入塔内时，湿冷区域去掉了雨区的淋水阻力，这样可以让更多环境风进入到塔内的中心区域，从而增大塔内中心区域的进风量，提升塔内中心区域的换热，缓解传统的自然通风湿冷塔由于淋水面积以及雨区阻力的存在，导致冷却塔内的速度场和温度场分布不均匀、冷却塔中心区域的换热不充分而导致冷却不均匀、冷却塔整体冷却效果差的问题。

4)本发明的高位收水干湿混合冷却塔，与传统的自然通风空冷塔相比，其运行性能可提升30-80％；与传统的自然通风湿冷塔相比，可节水20-100％，100％即为单纯空冷工况运行；与传统湿冷区有雨区相比，湿冷区高位收水设计可提升换热性能10-30％。

附图说明

图1为某一实施例的高位收水干湿混合冷却塔结构示意图；

图2为图1中A-A视图的结构示意图；

图3为收水装置的布置方式示意图；

图中：1-塔体，2-除水器，3-配水总管，4-配水系统，41-配水管，42-喷嘴，5-填料，6-收水装置，61-收水板，62-收水槽，7-换热器，8-隔板，911-阀A，912-阀C，921-阀D，922-阀F，101-阀B，102-阀E。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种高位收水干湿混合冷却塔，如图1-图3所示，包括塔体1，塔体1顶部设有出风口，底部设有进风口，塔体1内设置有除水器 2、配水总管 3、填料5和换热器7，换热器7和填料5位于塔体内同一水平面上，换热器7位于塔体内中心区域，为空冷区，填料5呈环形，位于换热器与塔体内壁之间，为湿冷区；

除水器2位于配水总管上方，用于收集空气夹带的水滴；

填料5上部设置有配水系统 4，配水系统4包括配水管41和喷嘴 42，喷嘴42均匀设置于填料5上方，用于向填料5均匀配水，填料5为环形，喷嘴42均匀设置于填料区整个环形面上，且均匀布置；喷嘴通过螺纹安装于配水管上。

填料5下方均匀设置有多个收水装置6；

填料5分为湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ，配水系统4对湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ分开配水，配水总管包括三个配水支路，一路通过阀A 911控制进入湿冷区Ⅰ上方的配水系统，一路通过阀B101控制进入中心区域的换热器，一路通过阀C 912控制进入湿冷区Ⅱ的配水系统，干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控，以实现高效、节水运行；湿冷区Ⅰ的收水装置底部、换热器的出水口以及湿冷区Ⅱ的收水装置底部均设置有出水管道，各出水管道汇集至出水总管循环使用。

本发明提出一种高位收水的干湿混合冷却塔设计。具体地，冷却塔的塔芯填料层由塔内的外缘向塔中心依次为填料、换热器，其塔内中心区域为空冷，外缘区域为湿冷，且湿冷部分通过收水装置高位收水。设计为高位收水的益处是，环境风从塔外进入塔内时，湿冷区去掉了雨区的淋水阻力，这样可以让更多环境风进入到塔内的中心区域，从而增大塔内中心区域的进风量，提升塔内中心区域的换热，缓解传统的自然通风湿冷塔由于淋水面积以及雨区阻力的存在，导致冷却塔内的速度场和温度场分布不均匀，冷却塔中心区域的换热不充分而导致冷却不均匀，冷却塔整体冷却效果差的问题。

实施例2：

一种高位收水干湿混合冷却塔，如实施例1所述，所不同的是，塔体内的中心区域的换热器7与外缘湿冷区的填料5之间设置有隔板8，隔板8上部高度与配水41管高度平齐，隔板8下部高度与收水装置6的底部平齐。

隔板8需采用不易腐蚀的材质，且工作温度下不易变形。

实施例3：

一种高位收水干湿混合冷却塔，如实施例2所述，所不同的是，配水管41、收水装置6以及填料5，其在塔内的布置面积一致，即配水管、收水装置均与填料的淋水面积一致。

实施例4：

一种高位收水干湿混合冷却塔，如实施例3所述，所不同的是，收水装置6包括收水板61和收水槽62，收水板61上设有防溅层，收水板的下端连接集水槽62。

收水板61为多个，且平行设置，均匀固定在填料的下部，以收集全部流经填料区的循环水，收水板6的倾斜角度为30°～60°，相邻收水板之间的空间构成进风道，进风道用于环境空气向上流动。空气向上流动过程中，在收水板之间的空间与塔内中心区域的换热器相比，在收水板之间的空间空气的流量较大。

多个收水板结构相同。

换热器7采用翅片管换热器。

防溅层为吸水海绵，防溅层和收水板的尺寸大小一致，粘贴或放在收水板上，以减少循环水与收水板直接撞击造成的迸溅。

进一步的，集水槽62底部设置有出水管道，如图1所示，湿冷区Ⅰ的收水装置的集水槽62底部、换热器的出水口以及湿冷区Ⅱ的收水装置集水槽62底部均设置有出水管道，各出水管道汇集至出水总管流出，其中，湿冷区Ⅰ、换热器的出水口、湿冷区Ⅱ的出水管道上分别设置有阀D 921、阀E 102和阀F 922控制。

实施例5：

一种高位收水干湿混合冷却塔，如实施例4所述，所不同的是，如图2所示，塔体内空冷区的半径为r，湿冷区的内环半径为r，湿冷区的外环半径为R，塔内中心区域的面积为半径r的圆形面积，塔内外缘区域的面积是半径为R的圆形面积减去半径r的圆形面积，即圆环部分的面积。

设置填料处的塔体内径为L，其中R＝L，0

湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ为面积相等的左右两部分。

实施例6：

一种高位收水干湿混合冷却塔，如实施例5所述，所不同的是，湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ均为环形，塔体内部由中心到外缘依次为中心区域的换热器、环形的湿冷区Ⅰ和环形的湿冷区Ⅱ，湿冷区Ⅰ的内环半径为r，湿冷区Ⅰ的外环半径为R1，湿冷区Ⅱ的内环半径为R1，外环半径为R，其中r

实施例7：

一种高位收水干湿混合冷却塔，如实施例5所述，所不同的是，塔体内中心区域的换热器、塔体内外缘湿冷区的填料以及隔板均由塔内支撑结构配合钢绳固定。

实施例8：

一种高位收水干湿混合冷却塔的工作方法，包括空气流动和循环水流动，空气流动过程为：

环境空气由自然通风冷却塔的浮升力驱动，从塔外经冷却塔的进风口流入塔内，在外缘区域的湿冷区依次经过收水装置6、填料5、配水系统4、除水器2，最后流出塔外；塔内中心区域的空冷区依次经过换热器7、除水器2，最后流出塔外；空冷部分与湿冷部分通过隔板隔开；

循环水流动过程为：

循环水从入口经配水总管3流入冷却塔内，通过阀控制，分三路流动，一路经阀A911进入湿冷区Ⅰ，一路经阀B 101进入中心区域的空冷区，一路经阀C 912进入湿冷的剩余区域即湿冷区Ⅱ；而后，湿冷区经收水装置6收集，空冷区经管路收集，最后汇集到出水总管供循环使用。

实施例9：

一种高位收水干湿混合冷却塔的工作方法，包括如下步骤：

(1)当环境温度较低(低于5℃)时，可进行单纯空冷工况运行，此时环境温度较低，单纯空冷即可满足冷却负荷要求，此时关闭阀A 911和阀C 912，开启空冷区的进水，通过开启阀B 101来开启空冷区域的进水，控制进入塔内中心区域的换热器7，环境空气通过中心区域的换热器与循环水进行间壁式换热，循环水被冷却；该过程无水的蒸发损耗；

此运行模式与湿冷塔相比有两点益处：1)无水的蒸发损耗，可以节约用水；与湿冷塔相比，此工况可节水100％；2)可缓解由于环境温度过低，湿冷塔结冰严重的问题。

(2)当环境温度较高(5-15℃)时，进行空冷+一路湿冷工况运行，此时，开启阀B101，通过关闭阀A 911或阀C 912来关闭一路湿冷区的进水；一部分环境空气通过中心区域的换热器7与部分循环水进行间壁式换热，循环水被冷却；一部分环境空气与开启喷淋的湿冷区的循环水直接接触，进行传热传质，循环水被冷却；最后，两路循环水汇集到出水总管循环使用；

此运行模式与湿冷塔相比有两点益处：1)在满足冷却负荷要求的前提下，充分利用空冷作用，可以减少湿冷区喷淋水的蒸发损耗，节约用水；与湿冷塔相比，此工况可节水20-80％；2)干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控。

(3)当环境温度高(15℃以上)时，可进行空冷+两路湿冷工况运行，此时，开启阀B101，开启湿冷区Ⅰ和湿冷区Ⅱ的进水，即阀A 911和阀C 912；一部分环境空气通过中心区域的换热器与部分循环水进行间壁式换热，循环水被冷却；另一部分环境空气与两路湿冷区的循环水直接接触，进行传热传质，循环水被冷却；最后，三路循环水汇集到出水总管循环使用。

此运行模式与湿冷塔相比有两点益处：1)干区、湿区分三路控制进水，可根据环境温度的变化，控制各区的进水量，可根据电厂负荷，进行冷却塔运行的灵活性调控；2)湿冷部分为高位收水，环境风从塔外进入塔内时，湿冷区域去掉了雨区的淋水阻力，这样可以让更多环境风进入到塔内的中心区域，从而增大塔内中心区域的进风量，提升塔内中心区域的换热，缓解传统的自然通风湿冷塔由于淋水面积以及雨区阻力的存在，导致冷却塔内的速度场和温度场分布不均匀，冷却塔中心区域的换热不充分而导致冷却不均匀，冷却塔整体冷却效果差的问题。

本发明的高位收水的干湿混合冷却塔，与传统的自然通风空冷塔相比，其运行性能可提升30-80％；与传统的自然通风湿冷塔相比，可节水20-100％，100％即为单纯空冷工况运行；与传统湿冷区有雨区相比，湿冷区高位收水设计可提升换热性能10-30％。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。