自然通風冷卻塔的新型節能降噪協同技術研究

王 飛，孫遠濤，韓 毅，顧小紅

（北京朗新明環保科技有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

自然通風濕式冷卻塔是廣泛應用于火電廠等的循環水冷卻，出塔的水溫等直接影響相關設備的真空度，從而影響冷端系統的運行經濟性能。冷卻塔內空氣與熱水對流進行傳熱傳質，與冷卻塔外空氣形成密度差，從而使冷卻塔產生抽力，將循環水中的廢熱排放到大氣中。環境無側風時，冷卻塔內外的流場是軸對稱分布的，而冷卻塔在不同季節、不同風力條件下，受到側風影響，流場的均勻性被打破，尤其在進風口處，受到本身抽力和側風的雙重作用，使冷卻塔的進風性能受到嚴重影響，冷卻性能也隨之降低。

冷卻塔工作時，其主要噪聲源為進風口氣流穩流引起的氣流噪聲、冷卻塔內循環水從上部流下濺落到水槽所產生的沖擊噪聲。這兩部分噪聲頻帶較寬、幅值較大。為達到環保指標，目前冷卻塔降噪廣泛采用的措施為在冷卻塔周邊設置半封閉式隔聲罩，該種方案成本低，效果較好。但是由于聲屏障有較高的水平高度，迎風面大，這就與冷卻塔自身的通風、冷卻性能之間產生矛盾，聲屏障的設置擾亂了其周邊流場環境，并增大了冷卻塔進風口的通氣阻力，使得冷卻塔內傳熱與傳質效率降低，冷卻性能降低，不利于冷卻塔節能。

如何實現降噪與節能相結合，在實現冷卻塔降噪的同時，改善塔內流場特性，增強傳熱傳質效率，提供冷卻效率，實現節能，成為新的研究方向。

1 目前研究現狀

自然通風濕式冷卻塔作為有效的冷卻設備，廣泛應用于電站熱力系統循環水的冷卻，其冷卻性能直接影響電站冷端系統的安全經濟高效運行。同時，冷卻塔噪聲治理的難點在于寬頻帶、高量值的消聲要求與冷卻塔自身通風散熱性能間的矛盾。

趙振國、翟志強等[1-2]通過模型試驗研究了側風條件下干式冷卻塔進風口的壓力和速度分布，表明側風條件影響了塔兩側和背部的空氣入流，同時橫向風的沖擊破壞了流場的均勻性和對稱性，產生復雜渦流，增加了塔內通氣阻力。R.AL-Waked等[3]的數值模擬結果表明側風下冷卻塔內水氣分布嚴重不均是使冷卻性能降低的主要原因。M.Goodarzi[4]對干式冷卻塔的數值模擬結果表明，高速側風使冷卻溫差減少了25%。張磊等[5]通過現場測試，研究了側風下冷卻塔進風口流場分布和通風性能，與進一步分析了側風下通風性能與熱力性能的關系，為機組的優化運行提供參考，并為冷卻塔的改造提供了試驗依據。結合實際側風工況，從數值計算的角度研究了側風對塔內各區傳熱傳質和冷卻塔總體冷卻性能的影響機理，以及側風條件下導流板、十字隔墻等控風方案對塔內各區傳熱傳質的影響機理。現有的研究為冷卻塔的節能改造提供了理論依據和數據支持。

已有的實驗結果表明：低風速時，即塔頂140 m處的環境氣流風速與冷卻塔內填料高度處風速之比（簡稱風速比）為1～3以下，側風影響很小；當風速比在1～3或7～12時，側風產生明顯的不利影響，總阻力系數可增加50%，風量可減小15%。對于側風的影響，目前主要采用在冷卻塔進風口設置導風板、在雨區設置十字隔墻或兩種方案相耦合作用的改善方案。

孔祥軍等人[6]在現場測量的基礎上，著重分析了冷卻塔的噪聲特性及噪聲源，進而設計并詳細分析了針對不同噪聲源的噪聲治理方案。江世強等人[7]通過設置聲屏障來實現冷卻塔降噪，并在冷卻塔前上半部設置弧形導流板，規范進出口冷卻空氣的路徑，為冷卻塔節能降噪提供了設計思路。劉圣等人[8]從冷卻塔各噪聲源及其傳播路徑出發，采用大型通風消聲器和吸聲型隔聲屏障的降噪措施實現冷卻塔降噪。

無論是側風流場影響研究還是冷卻塔降噪研究，均是以兩個單獨的方向進行，未考慮降噪與節能的統一，實現降噪的同時，提高冷卻效率，實現節能。

2 已實施技術的優劣分析

（1）國內蚌埠電廠采用白俄羅斯技術在冷卻塔周邊設置混凝土聚風墻，起到收集自然風的作用，整體有效果，但據使用方介紹，有時也會出現負面的影響，且在降噪方面沒有效果。如圖1所示。

圖1 蚌埠電廠混凝土導風墻的現場照片

（2）冷卻塔降噪方面目前大多采用兩種方案，一是聲屏障，如圖2所示的聲屏障對冷卻塔換熱效果的影響已經有了大致的分析；二是消聲器，目前的消聲器主要功能是降噪，沒有資料顯示該措施能夠調節氣流，進而對冷卻塔的換熱產生有利的影響。

圖2 冷卻塔外設置聲屏障降噪的現場照片

對于冷卻塔降噪，目前常用的降噪方式為設置聲屏障，也有部分大型消聲器的應用，但是這兩種降噪措施均對塔內及進風口流場產生較大的不利影響，無法保證節能與降噪的統一。

3 研究思路與總體研究內容

3.1 研究思路

在冷卻塔雨區側部，高速空氣穿過雨區，而在進風口側后方形成局部空氣出流區域，破壞了進風口空氣徑向分速度軸向分布的均勻性，并直接影響了進風口下游塔內傳熱傳質區的空氣流場。在冷卻塔進風口設置導風板進行調控風量，以達到改善進風口空氣動力場的目的。導風板沿冷卻塔軸向均勻地布置與進風口外側，可使冷卻塔迎風側進塔空氣盡可能在水平方向上沿徑向流入塔內，從而減小冷卻塔進風口側后方空氣出流區域，增大冷卻塔縱向通氣量。將新型寬頻吸隔聲材料兼容到導風裝置中，吸收和隔斷塔內及進風口噪聲，保證周圍聲環境的同時，改善塔內流場特性，提高傳熱傳質效率，實現節能。

降噪方面目前主要通過設置聲屏障，降低氣流噪聲或其他塔內噪聲向周圍環境的聲輻射。但是聲屏障由于迎風面積較大，又對塔內流場和進風口阻力產生影響。因此考慮將導風與吸聲降噪結合到一起，使得每個導風口都成為一個消聲通道，在實現導風改善流場的同時，達到消聲降噪的目的。

3.2 總體研究內容

本項目通過在冷卻塔周圍合理設置可調節的導風板，并將寬頻、高吸聲性能吸聲材料結合到導風板中，使導風板在合理的控風條件下形成寬頻消聲通道實現節能與降噪的統一。

首先通過環境側風對冷卻塔內傳熱傳質影響機理的研究，分析冷卻塔在實際環境下的流場特性，為導風板結構及其形式提供依據。

根據側風條件下冷卻塔內流場特性，合理設置導流板結構及其組合形式，減少側風條件下冷卻塔內氣流出流現象，增大塔內縱向氣流流量，降低進風口通氣阻力，提供塔內傳熱傳質效率，實現節能。

將寬頻、高吸聲性能吸聲材料結合到導風板結構中，使相鄰兩個導風板形成一個高性能消聲通道，實現冷卻塔節能降噪的統一。

4 研究方法

（1）先進行現場調研，通過調研電廠當地各季度的環境溫度、濕度以及風力等情況，為冷卻塔內流場分析提供參數數據條件。對冷卻塔無側風、有側風和設置聲屏障等工況條件的出水溫度、換熱效率等進行數據收集和分析，作為冷卻塔節能的參考數據。對冷卻塔各噪聲源進行現場測量，分析其頻帶特性和聲壓級強度，為吸聲材料的選用和吸聲結構的設計提供輸入條件。

（2）開展側風環境對冷卻塔內傳熱傳質機理影響的研究，分析不同側風條件、是否設置聲屏障等工況下，冷卻塔內流場特性（如圖3所示），對比不同工況下冷卻塔內氣流橫向出流量、渦流情況、縱向通氣量、進風阻力、傳熱傳質效率（如圖4所示）等參數，為導風調節裝置的設計提供理論依據。

圖3 環境側風條件下冷卻塔內流場分析

圖4 配水、填料、雨區傳熱傳質系數

（3）開展冷卻塔進風口導風板調控風的方案作用機理的研究，建立冷卻塔周邊設置不同的聲屏障（如圖5所示）、導風水泥板（如圖6所示）、智能化調節導風板結構及其組織形式模型（如圖7所示），分析不同側風條件下冷卻塔內氣流橫向出流量，渦流情況、縱向通氣量、進風阻力以及傳熱傳質系數等參數，確定最優化的智能化導風板結構及其組合形式，實現冷卻塔換熱提效節能。

圖5 冷卻塔設置聲屏障模型

圖6 冷卻塔設置導風水泥片模型

圖7 冷卻塔進風口設置智能化調節導風板模型

（4）開展寬頻、高吸聲性能吸聲材料的研究，結合冷卻塔工作時現場使用條件、噪聲源頻譜特性等選用適合的吸聲材料，并根據智能化調節導風板通風尺寸等確定吸聲材料的吸聲性能及其結構（如圖8所示）。將確定的吸聲結構合理地與智能化調節導風板相結合，實現冷卻塔的換熱提效節能的同時實現降低噪聲。

圖8 智能化調節導風消聲通道

（5）智能化調節導風板消聲通道的試制生產，根據確定的吸聲結構和導風板結構形式，試制生產導風板消聲通道。

（6）智能化調節導風板消聲通道消聲性能測試與改進，對導風板消聲通道進行聲學性能測試，確定其消聲量及頻率范圍，與噪聲源的頻譜特性進行對比，確定消聲導風板的結構參數。

（7）智能化調節消聲導風板生產與現場施工，根據設計消聲導風板參數進行設備生產，并進行現場施工。

（8）換熱提效節能降噪效果評測，冷卻塔進風口設置消聲導風板后，對冷卻塔的換熱效率、節能情況和降噪情況進行測試，以確認消聲導風裝置的降噪與節能效果。

5 結論

（1）根據環境側風對冷卻塔內傳熱傳質影響機理的研究和當地氣象等條件，確定合理的智能化導風板調控風量方案，消除環境側風對塔內流場的影響，減小冷卻塔空氣出流量，降低通氣阻力，提高塔內傳熱傳質效率，降低能耗。

（2）將寬頻、高吸聲性能吸聲材料合理結合到智能化調節導風板中，形成消聲通道，實現節能與降噪的統一，并提高運行安全性能。

（3）智能化調節導風消聲通道的設置可以解決傳統降噪方案中使用隔聲屏障等措施由于其體積大、迎風面積大在運行期間存在的安全問題。

該技術不僅可以適用于自然通風逆流濕式冷卻塔，對于其他類似冷卻塔也同樣適用。