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摘 要：将横流式冷却塔通过技术改造成逆流式冷却塔，使冷却能力提高20%以上，是冷却塔提高能力节约投资，行之有效的好办法。
关键词：冷却塔 横流 逆流 循环冷却水 改造
二十世纪80年代，石化行业引进并建造了一批横流式机力通风塔。近年来，由于石化企业对生产装置不断的扩容改造，使这批机力通风冷却塔也处于扩容改造之列。二十世纪90年代初，石化行业引进了美国“马利”公司的逆流式机力通风冷却技术，现在，石化、钢铁、电力行业大多采用逆流式机力通风冷却塔。那么为什么要改，又如何来改，下面就南化公司横改逆项目作一详细阐述。
一、冷却塔现状
中国石化南化公司5#循环水场有10台设计单格处理水量2500m3/h的钢筋混凝土结构薄膜横流式冷却塔，轴线尺寸为12m（进风面）×16m（塔端面），配Φ8.53m轴流风机，160KW电机驱动运行。如图1所示，其始建于90年代，作为化肥装置配套工程，设计温差夏季为43～33℃。横流塔填料的布置方式为两侧布置；进水由一根主进水管上至塔顶，由支管引入配水池，配水采用池式配水。
循环水的设计能力是依据原配套装置工艺负荷的需求来定的，近年来，该循环水装置的冷却能力逐渐降低，而配套的装置设备能力又在逐步提高，原有的循环水装置已经不能满足日益扩大的生产需求，特别在夏季循环量满负荷时温降很难满足工艺的要求。另外该塔组经多年运行还存在填料老化损坏、漂滴水明显、喷头堵塞、配水不匀等问题，该塔群已成为装置扩容生产的瓶颈问题，为了改善这种状况，充分挖掘该塔群的潜在能力，针对目前冷却塔存在的缺陷和问题并对循环水场的冷却塔进行现场勘测和论证分析，确定对老塔进行塔型改造，本着以不增加占地，不改变原有动力、外界管网架等基础设施，节约投资，并能保障装置生产运行的
连续性，进一步提高冷却处理能力的原则进行。
二 、横流式冷却塔改造的优化
1.冷却塔的冷却机理
常规采用的湿式冷却塔中流过水表面的空气与
水直接接触，通过接触散热和蒸发散热（由于在冷却塔中辐射散热量很小，忽略不计），把水中的热量传 输给空气，从而使循环水温度降低。淋水填料是冷却塔的重要组成部分，是决定冷却塔效率高低的关键部件，其性能的优劣将直接影响到整塔的热工效果，保证并提高填料散热效率的关键是：提高单位体积填料的表面积（即提高填料的比表面积），从而增大水、气接触面积和接触时间；消耗水滴下降过程中的动能，延长水、气接触时间；足够的水蒸气推动力——大焓差。
2.冷却塔分类特点
冷却塔按热水和空氣的交换流动方向主要分为逆流 式和横流式两种类型，也就是有逆流式冷却塔和横流式冷却塔两种塔型。
横流塔的水、气交换如图2所示：
图2 横流塔的水、气交换
横流塔的水、气交换特点为：
水流方向与气流方向垂直；由于风筒出口离进风窗高度较小，存在出塔湿热气流回流现象；不能充分利用焓差推动力；有较大的弱风区（死角）及低效区；较高的上塔水压头、较大的能耗。
在横流塔内水的温度梯度是从上往下逐渐降低，由外到内逐渐升高。如果按理想状态考虑，如图2所示假设横流塔16个区在工作中配风量都是相同的，那么就“a、b、c、d”四个区而言，在进风口侧的“a”区水温最高、空气温度最低，即焓差推动力最大，因而冷却效率最高。淋水从上到下经过“a”区充分冷却后水温下降最大，而就“e、f、g、h” 四个区而言，“f”区水温较高、空气温度较低，因而“f”区冷却效率在“e、f、g、h”中是最高的；同理，“k”区的冷却效率
在“i、j、k、l”中最高，从理论上讲“p”区的冷却效率在“m、n、o、p”中最高，但由于是弱风区，冷却效率并不高。所以，理想配风状态下的横流塔中冷却效率高的区域在淋水填料的对角线上（P点除外），而其它区域填料由于都不处于理想焓差范围内，冷却效率都无法得到较好的发挥。而在横流塔的实际运行中，由于塔顶风机的向上抽风作用，填料段配风不可能均布，如图2所示的“o、 p、l”区实际配风量很小，成为塔内弱风区和死角，而到达“c、d、h”区的空气经过和高温段水经过“a、b、e、f、g”区热交换后，成为高温、高湿（接近饱和）的空气，换热效果大幅下降，成为横流塔的低效区。
横流塔内水滴下落过程中本身重力和进风的浮力共同作用，如图3所示，由于浮力是偏于斜上方的，其本身在竖直方向的分力相对较小，水滴下落速度较快，在一定体积填料内的停留时间将较短，即水和空气的接触时间较短。
由于横流塔塔内填料段存在弱风区（死角）及低效区，以及较短的水力停留时间现象，若要完成水冷却任务，则需要填料的体积很大，填料的堆放高度很高，同时增加了上塔水管的高度。
填料区的下部，考虑到冷却塔冬季时或工艺要求存在风机停开的现象，而横流塔中填料的装填又有一定的角度，会导致大量淋水打在进风百页窗板上，塔下部溅水严重。
逆流塔的水、气交换特点为：
水流方向与气流方向相反；由于风筒出口离进风口距 离较大，出塔湿热气流回流现象较少；充分利用焓差、充分利用水蒸发的推动力；比较顺畅的气流流线，较少的弱风区；较低的上水压头。
在逆流塔内水的温度梯度是从上往下逐渐降低。如果 按理想状态考虑，每一横断面上配风是均匀的情况下，则每一横断面的温度是相同的，实际运行中，在充分保证一定的进风窗风速和有效的导流措施情况下，逆流塔的工作可近似看成是均匀配风的，不存在大面积的弱风区和死角。逆流塔的每一横断面换热状况可看作是基本相同的，这就保证了在填料下部最冷的风与最冷的水、填料上部最热的风与最热的水进行热交换，保持合理焓差，不存在明显低效区。
逆流塔内水滴下落过程中在本身重力和进风的浮力共同作用，如图5所示，由于浮力和重力的作用方向是相反的，水滴的下落速度较慢，在一定体积填料内的停留时间将较长，即水和空气的接触时间较长，换热会比较充分。 对于薄膜填料，绝大部分淋水在薄膜填料表面形成水膜，水膜向下是延流状下落，速度大多低于水滴。
3.改造后性能的优化
为了充分利用设备的原有条件，最大限度的发挥 设备的潜在能力，在利用原塔基本框架的前提下，将横流塔改造为冷却效率更高的逆流塔是目前较优的一种方法。即通过对塔体内部的配水系统、收水系统及淋水装置的更新改造，并充分利用原塔风机、电机的使用性能的基础上可使改造后的冷却塔处理能力增加20%以上。这样既可以充分利用逆流塔热工效率高、也充分利用了原横流塔占地面积大的特点，同时
又无须改变原塔的动力资源，管路系统等，可最大幅度地挖掘该塔的潜力。
三、改造方法
拆除原塔的填料，喷淋、收水器及两侧百叶窗，保留原8.35m层、11.73m层部分填料次梁，以供改造 后填料、收水器支撑用。在两侧的进风口方向，从标高8.35m处向上到原配水池底挂装5m厚的玻璃钢板，原配水池处用混凝土封堵配水口，将塔淋水段面改为尺寸为12m×18m。利用原塔的气室间，在8.35m标高的平面上安装型材主填料架，主填料架上搁置FRP填料支架，形成新的支撑填料体系。进风口侧利用原横流塔填料次梁支撑填料。新配置的填料采用PVC薄膜填料，分层交错排列，总高度为1.25m。共270 m3/台。
废除原塔池式配水，采用管式配水系統，配水标高布置在1.03m，布水喷头选用由ABS工程塑料制作的三溅式低压喷头，其水头损失小，流量系数大，需用水压低，对不同压力适应强、喷角大，径向和周向不均匀系数小，布水均匀，布置安装维护方便。
布水系统主管采用单根管变径进入，主管直径0820mm，用抱箍悬吊在混凝土梁下，支管为16根
0200mm的UPVC管，同样用抱箍悬吊在配水钢梁下。 为保证配水均匀，在支管的尾端设一根0150mm的连通管，形成管网，以保持配水平稳。
配水层上方设置一层收水器，收水器与气流垂直方向 布置，收水器采用SJ160型高效加筋弧形收水器，共216m2/台。其飘水损失低于循环水量的0.001%。
改造塔如图6所示。
比较改造前后填料收水器用量，横流塔填料用量720m3/台，收水器300m2/台，改造后填料收水器用量减少50%，冷却能力提高了，采用逆流塔性价比大大提高。为改善塔两侧外界气流形成的穿趟风影响，在填料中线区域（雨区段）增加隔风墙板，使进塔气流更趋流畅均匀，同时考虑冬季运行时部分风机停运，在自然冷却时边层出现溅水问题，在进风口增置导水板，防止边层水滴的溅散缺陷。
四、性能测试
从测量结果可以看出，改造后的冷却塔的单塔冷却能力达到近3300m3/h（10℃温差），比原设计冷却能力提高了近30%，取得了很好的经济效果，改造获得了成功。
五、结论
通过对冷却塔的改造，尤其对早期的横流塔，改 造为逆流塔后，冷却能力至少增加25%（10℃温差）以上，冷却能力得到了大大的提高，且施工周期短、施工方便。这对如何进一步提高冷却塔的能力起到很好的借鉴作用。
关键词：冷却塔 横流 逆流 循环冷却水 改造
二十世纪80年代，石化行业引进并建造了一批横流式机力通风塔。近年来，由于石化企业对生产装置不断的扩容改造，使这批机力通风冷却塔也处于扩容改造之列。二十世纪90年代初，石化行业引进了美国“马利”公司的逆流式机力通风冷却技术，现在，石化、钢铁、电力行业大多采用逆流式机力通风冷却塔。那么为什么要改，又如何来改，下面就南化公司横改逆项目作一详细阐述。
一、冷却塔现状
中国石化南化公司5#循环水场有10台设计单格处理水量2500m3/h的钢筋混凝土结构薄膜横流式冷却塔，轴线尺寸为12m（进风面）×16m（塔端面），配Φ8.53m轴流风机，160KW电机驱动运行。如图1所示，其始建于90年代，作为化肥装置配套工程，设计温差夏季为43～33℃。横流塔填料的布置方式为两侧布置；进水由一根主进水管上至塔顶，由支管引入配水池，配水采用池式配水。
循环水的设计能力是依据原配套装置工艺负荷的需求来定的，近年来，该循环水装置的冷却能力逐渐降低，而配套的装置设备能力又在逐步提高，原有的循环水装置已经不能满足日益扩大的生产需求，特别在夏季循环量满负荷时温降很难满足工艺的要求。另外该塔组经多年运行还存在填料老化损坏、漂滴水明显、喷头堵塞、配水不匀等问题，该塔群已成为装置扩容生产的瓶颈问题，为了改善这种状况，充分挖掘该塔群的潜在能力，针对目前冷却塔存在的缺陷和问题并对循环水场的冷却塔进行现场勘测和论证分析，确定对老塔进行塔型改造，本着以不增加占地，不改变原有动力、外界管网架等基础设施，节约投资，并能保障装置生产运行的
连续性，进一步提高冷却处理能力的原则进行。
二 、横流式冷却塔改造的优化
1.冷却塔的冷却机理
常规采用的湿式冷却塔中流过水表面的空气与
水直接接触，通过接触散热和蒸发散热（由于在冷却塔中辐射散热量很小，忽略不计），把水中的热量传 输给空气，从而使循环水温度降低。淋水填料是冷却塔的重要组成部分，是决定冷却塔效率高低的关键部件，其性能的优劣将直接影响到整塔的热工效果，保证并提高填料散热效率的关键是：提高单位体积填料的表面积（即提高填料的比表面积），从而增大水、气接触面积和接触时间；消耗水滴下降过程中的动能，延长水、气接触时间；足够的水蒸气推动力——大焓差。
2.冷却塔分类特点
冷却塔按热水和空氣的交换流动方向主要分为逆流 式和横流式两种类型，也就是有逆流式冷却塔和横流式冷却塔两种塔型。
横流塔的水、气交换如图2所示：
图2 横流塔的水、气交换
横流塔的水、气交换特点为：
水流方向与气流方向垂直；由于风筒出口离进风窗高度较小，存在出塔湿热气流回流现象；不能充分利用焓差推动力；有较大的弱风区（死角）及低效区；较高的上塔水压头、较大的能耗。
在横流塔内水的温度梯度是从上往下逐渐降低，由外到内逐渐升高。如果按理想状态考虑，如图2所示假设横流塔16个区在工作中配风量都是相同的，那么就“a、b、c、d”四个区而言，在进风口侧的“a”区水温最高、空气温度最低，即焓差推动力最大，因而冷却效率最高。淋水从上到下经过“a”区充分冷却后水温下降最大，而就“e、f、g、h” 四个区而言，“f”区水温较高、空气温度较低，因而“f”区冷却效率在“e、f、g、h”中是最高的；同理，“k”区的冷却效率
在“i、j、k、l”中最高，从理论上讲“p”区的冷却效率在“m、n、o、p”中最高，但由于是弱风区，冷却效率并不高。所以，理想配风状态下的横流塔中冷却效率高的区域在淋水填料的对角线上（P点除外），而其它区域填料由于都不处于理想焓差范围内，冷却效率都无法得到较好的发挥。而在横流塔的实际运行中，由于塔顶风机的向上抽风作用，填料段配风不可能均布，如图2所示的“o、 p、l”区实际配风量很小，成为塔内弱风区和死角，而到达“c、d、h”区的空气经过和高温段水经过“a、b、e、f、g”区热交换后，成为高温、高湿（接近饱和）的空气，换热效果大幅下降，成为横流塔的低效区。
横流塔内水滴下落过程中本身重力和进风的浮力共同作用，如图3所示，由于浮力是偏于斜上方的，其本身在竖直方向的分力相对较小，水滴下落速度较快，在一定体积填料内的停留时间将较短，即水和空气的接触时间较短。
由于横流塔塔内填料段存在弱风区（死角）及低效区，以及较短的水力停留时间现象，若要完成水冷却任务，则需要填料的体积很大，填料的堆放高度很高，同时增加了上塔水管的高度。
填料区的下部，考虑到冷却塔冬季时或工艺要求存在风机停开的现象，而横流塔中填料的装填又有一定的角度，会导致大量淋水打在进风百页窗板上，塔下部溅水严重。
逆流塔的水、气交换特点为：
水流方向与气流方向相反；由于风筒出口离进风口距 离较大，出塔湿热气流回流现象较少；充分利用焓差、充分利用水蒸发的推动力；比较顺畅的气流流线，较少的弱风区；较低的上水压头。
在逆流塔内水的温度梯度是从上往下逐渐降低。如果 按理想状态考虑，每一横断面上配风是均匀的情况下，则每一横断面的温度是相同的，实际运行中，在充分保证一定的进风窗风速和有效的导流措施情况下，逆流塔的工作可近似看成是均匀配风的，不存在大面积的弱风区和死角。逆流塔的每一横断面换热状况可看作是基本相同的，这就保证了在填料下部最冷的风与最冷的水、填料上部最热的风与最热的水进行热交换，保持合理焓差，不存在明显低效区。
逆流塔内水滴下落过程中在本身重力和进风的浮力共同作用，如图5所示，由于浮力和重力的作用方向是相反的，水滴的下落速度较慢，在一定体积填料内的停留时间将较长，即水和空气的接触时间较长，换热会比较充分。 对于薄膜填料，绝大部分淋水在薄膜填料表面形成水膜，水膜向下是延流状下落，速度大多低于水滴。
3.改造后性能的优化
为了充分利用设备的原有条件，最大限度的发挥 设备的潜在能力，在利用原塔基本框架的前提下，将横流塔改造为冷却效率更高的逆流塔是目前较优的一种方法。即通过对塔体内部的配水系统、收水系统及淋水装置的更新改造，并充分利用原塔风机、电机的使用性能的基础上可使改造后的冷却塔处理能力增加20%以上。这样既可以充分利用逆流塔热工效率高、也充分利用了原横流塔占地面积大的特点，同时
又无须改变原塔的动力资源，管路系统等，可最大幅度地挖掘该塔的潜力。
三、改造方法
拆除原塔的填料，喷淋、收水器及两侧百叶窗，保留原8.35m层、11.73m层部分填料次梁，以供改造 后填料、收水器支撑用。在两侧的进风口方向，从标高8.35m处向上到原配水池底挂装5m厚的玻璃钢板，原配水池处用混凝土封堵配水口，将塔淋水段面改为尺寸为12m×18m。利用原塔的气室间，在8.35m标高的平面上安装型材主填料架，主填料架上搁置FRP填料支架，形成新的支撑填料体系。进风口侧利用原横流塔填料次梁支撑填料。新配置的填料采用PVC薄膜填料，分层交错排列，总高度为1.25m。共270 m3/台。
废除原塔池式配水，采用管式配水系統，配水标高布置在1.03m，布水喷头选用由ABS工程塑料制作的三溅式低压喷头，其水头损失小，流量系数大，需用水压低，对不同压力适应强、喷角大，径向和周向不均匀系数小，布水均匀，布置安装维护方便。
布水系统主管采用单根管变径进入，主管直径0820mm，用抱箍悬吊在混凝土梁下，支管为16根
0200mm的UPVC管，同样用抱箍悬吊在配水钢梁下。 为保证配水均匀，在支管的尾端设一根0150mm的连通管，形成管网，以保持配水平稳。
配水层上方设置一层收水器，收水器与气流垂直方向 布置，收水器采用SJ160型高效加筋弧形收水器，共216m2/台。其飘水损失低于循环水量的0.001%。
改造塔如图6所示。
比较改造前后填料收水器用量，横流塔填料用量720m3/台，收水器300m2/台，改造后填料收水器用量减少50%，冷却能力提高了，采用逆流塔性价比大大提高。为改善塔两侧外界气流形成的穿趟风影响，在填料中线区域（雨区段）增加隔风墙板，使进塔气流更趋流畅均匀，同时考虑冬季运行时部分风机停运，在自然冷却时边层出现溅水问题，在进风口增置导水板，防止边层水滴的溅散缺陷。
四、性能测试
从测量结果可以看出，改造后的冷却塔的单塔冷却能力达到近3300m3/h（10℃温差），比原设计冷却能力提高了近30%，取得了很好的经济效果，改造获得了成功。
五、结论
通过对冷却塔的改造，尤其对早期的横流塔，改 造为逆流塔后，冷却能力至少增加25%（10℃温差）以上，冷却能力得到了大大的提高，且施工周期短、施工方便。这对如何进一步提高冷却塔的能力起到很好的借鉴作用。