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摘要：为解决工业湿式冷却塔收水层节水效果不佳的现状，对原有的波纹板收水器进行升级改造，采用一种新型旋流节水装置替代传统波纹板，在不影响冷却塔原有运行条件的情况下，使水汽中的液滴尽可能多的被回收，达到增强节水的目的。为定量评估新型节水装置的效果，研究一种基于流场分析的工业湿式冷却塔内水量回收的测试方法。通过现场实测数据分析表明，该测试方法能够客观、准确、便捷地评价收水器的节水效果。

关键词：冷却塔；收水器；气液两相流；节水评价

引言

我国是淡水资源极为缺乏的国家，人均占有量仅相当于世界的四分之一，而且降水量的时空分布不均衡。国家先后出台了多项节水政策及措施，《国家节水行动方案》指出“强化水资源承载能力刚性约束，实行水资源消耗总量和强度双控，聚焦重点领域和缺水地区，实施重大节水工程，加强监督管理，增强全社会节水意识，大力推动节水制度、政策、技术、机制创新，加快推进用水方式由粗放向节约集约转变，提高用水效率”。习近平总书记在“黄河流域生态保护和高质量发展座谈会”上指出，要坚持以水定城、以水定地、以水定人、以水定产，把水资源作为最大的刚性约束，合理规划人口、城市和产业发展，坚决抑制不合理用水需求，大力发展节水产业和技术，大力推进农业节水，实施全社会节水行动，推动用水方式由粗放向节约集约转变。

水在工业生产中，被广泛作为冷却介质。收水器是冷却塔内减除冷却塔排出湿热空气中夹带的大量细小水滴漂移物、避免对周围环境的水雾污染和结冰，是节水和保护环境的重要装置。传统收水器的收水效果一般，且容易老化损坏，易造成水资源的大量浪费。通过有效的节水措施可实现冷却水的循环利用，为工业企业节省巨大的经济成本，也积极响应了节水政策，为自治区乃至全国的工业节水工作贡献力量。

1.概述

传统工业湿式冷却塔内收水层使用的为改性PVC材质波纹板。收水效益已经达到了自身的上限，无法进一步提高收水效益，且波纹板除水器易老化，使用年限不长，大约运行2年就需要进行更换。波纹板形态收水装置对水蒸汽逃逸遏制率低，造成蒸发损失严重，不利于水资源高效利用。改性PVC材料性能较差，在材料强度、湿热老化、紫外老化、微生物滋养等方面抵抗性不足，不仅增加运维成本，而且会直接影响节水效能。此外由波纹板性能衰减引起的波纹板材料失效，对填料、喷头破坏及管道堵塞等相关设施也造成一定影响。

为解决上述问题，基于流体旋流造涡机理，针对不同边界条件（液滴直径、风速等），研究开发了一种应用于工业湿式冷却塔的新型节水装置，替代传统波纹板，使得在不影响冷却塔原有运行条件的情况下，使水汽中的液滴尽可能多的被回收，达到增强节水的目的，并使用新型复合材料，增加节水装置的使用寿命。为定量评估新型节水装置的效果，本文研究了一种基于流场分析的工业湿式冷却塔内水量回收的测试方法，并进行了现场试验。

2.测试方法

传统的冷却塔水量测试方法，需要通过大量的测试、工况数据调取，甚至有时需要采取停机等措施，测试需要耗费大量时间及精力。本文首先对冷却塔内气液两相流场环境进行仿真模拟，对全塔内流场分布进行计算，从中选取具有代表性的不同区域，选择几个测点作为实验点。由于无法直接对比冷却塔安装新型节水装置改造前后的收水效果，本次试验采用两座工况相同的冷却塔回收水量对比的方法，进行冷却塔内新型节水装置的性能试验。

2.1 实验工具

试验仪器及设备见表1所示。

多功能气象站是由精密传感器集成，分别由温度传感器、湿度传感器、大气压强传感器、雨量传感器、风速传感器几种集合而成，数据同时进行采集并统一上传。多功能气象站包含的设备见表2。

2.2 实验方法

选取两座同时设计、同期建设、同时投运、同种型号的工业湿式冷却塔，机组的设计、系统布置完全相同。实验组冷却塔采用新型旋流收水器，对照组仍采用传统的PVC材质波纹板。为了使两个冷却塔的试验数据有可对比性，试验在同时段、两台机组负荷相同、运行工况基本相同的情况下同时进行。

冷却塔回收水量采用双翻斗雨量筒测量，具体方法是：将数个双翻斗雨量筒分别布置在两座冷却塔除水层，同步测量一定时段内两个冷却塔除水器的实际回收水量，进行对比并计算其差值，即得到新型节水装置的节水性能的数据。

双翻斗雨量筒在冷却塔的布置位置的选取，采取定点和随机两种方式分布。定点分布，即两座冷却塔除水层中具有代表性且风速相对恒定的对应位置。为避免冷却塔内流场不匀及主观因素等造成测量误差，采取随机选择双翻斗雨量筒布置点、两塔联动的布置方式验证测量结果可信度。塔内测点布置位置见图1。

注：1.实验组塔内水样采集悬挂位置（为水量收集、气压、温湿度、风速测点，为水样收集装置点，为随机测点）。

2.对照组在波纹板除水器层面安放水量和水样采集位置与实验组安放位置相对应（随机点除外），进行水样和水量的收集。

2.3 实验过程

（1）调整汽轮机负荷功率，使得两塔试验期间各方面工况接近一致。

（2）设备放入两个塔内相应位置，在固定时间的固定点进行数据采集，作为全塔收水量对比值的折算依据，并选择多个随机点进行数据采集，验证固定点折算数据的准确性（随机点现场随机选择）。

（3）试验前查询当日温度变化，无较大温度差异情况下进行试验。

（4）采集到的数据传送主机进行保存。

（5）采集完毕将数据取回进行数据分析对比。

（6）在两塔内8个收集点（4个定点、4个随机点）的除水器顶层和底层的相同位置安装1对水样采集桶进行水样的收集。

（7）对采集到的水进行测量并取样封装，进行进一步化验和计算。

（8）在两塔中央竖井进水口及塔外出水口随机选取若干点，放置同型号的温度测量仪进行温度测量。

（9）将测量到的各自温度值拍照保存。

（10）在单位时间内监测、记录运行工况、收水量等参数，按照相同的运算公式进行分析，最后得出节水率、进出水温差等结论。

3.数据分析及处理

3.1 回收水量试验结果及分析

本试验采用容量为1000ml的标准量杯测量水样采集桶的收集水量。试验持续时间为6小时。水样采集桶测量原始数据详见附录一。

水样采集桶测量数据整理结果见表3和表4（按机组年运行8000小时折算）。

由表3和表4和图2可以看出，采用固定点和随机点两种方式布置采集桶，水量测量结果的四数据基本相同，所以回收水量的测量结果是可信的。

比较实验组冷却塔对照组冷却塔回收水量的测量数据，经计算，采用新型节水装置，增加的回收水量为：

3.2 循环水温度的试验结果及分析

为了保证试验数据的有效可比性（工况一致），在某火电厂内，选择除水器改造后的冷却塔塔与未改造的冷却塔，两个塔塔型及技术参数一致，于2022年8月18日进行同负荷运行。分析数据选取8月18日上午9点到下午4点的DCS系统数据，约145个采样点。需要说明的是，因为现场环境约束不能保证两个塔的负荷完全相同，本次试验中的同负荷是指将实验塔145个实际负荷求取均值L，以此为基础从对照塔的145个采样点中筛选L*（1±10%）的实际采样点作为对比数据分析的基础。

采用数据曲线化处理，使数据更加直观体现。实验塔与对照塔对比曲线图如下。说明：蓝色曲线代表实验塔，橙色曲线代表对照塔。

通过分析计算得出，实验塔的凝汽器循环水进出口平均温差为9.30℃，对照塔的凝汽器循环水进出口平均温差为8.23℃，二者平均进出口温差的差值为1.07℃。由此可得出，实际的实验塔和对照塔平均进出口温差的差值为：1.07℃。

4.结论

通过气象站采集数据得出两个塔的塔内环境测量湿度、气压基本一致，说明新型旋流除水器未改变厂内运行工况。为消除冷却塔横截面气-水流场分布不均匀可能造成的测量偏差，采用固定点和随机点两种方式布置采集桶，水量测量结果的四组数据基本相同，所以测量结果是可信的。

与传统波纹板除水器相比，新型节水装置回收水量明显增加。经测量数据计算得出，新型节水装置与波纹板除水器相比，回收水量为其3倍，按机组年运行8000小时计算，新型节水装置比波纹板除水器每年多回收水约238500吨。

通过对比新型旋流除水器改造后的冷却塔和传统波纹板冷却塔塔除水器同负荷下的凝汽器循环水进出塔水温的测量数据，相比于传统波纹板除水器，新型旋流除水器形成的特殊气液两相流，有利于气液两相流粒子的碰撞、聚合，尽可能的聚集了大液滴，使得参与换热的水量增加，凝汽器的换热效果提高1.07℃。

参考文献

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项目名称：内蒙古自治区科技计划项目

项目编号：2022YFHH0148

作者简介：赵敏，女，1986年生，副高级工程师，主要从事流体力学及工业自动控制方面的研究。