竹格填料与PVC薄膜填料的性能对比及应用

陈友良，石永锋，谢大幸

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

竹格填料与PVC薄膜填料的性能对比及应用

陈友良，石永锋，谢大幸

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

在工业冷却塔内，循环冷却水与空气之间的换热主要发生在淋水填料区。淋水填料的热力性能及阻力特性，直接影响了冷却塔的冷却性能。针对近年兴起的环保节能型竹格填料，利用计算机程序进行模拟仿真，评估了竹格填料的实际性能。对比了竹格填料与薄膜填料在热力性能、阻力性能及冷却性能等方面的差别，并通过应用案例分析，给出了2种填料的适用范围。

冷却塔；冷却；竹格填料；薄膜填料；热力；阻力；性能；评价

0　概述

对于自然通风逆流湿式冷却塔而言，填料层的冷却水温降占冷却塔总温降的70%左右［1］，所以，淋水填料的性能直接决定了冷却塔的冷却能力。目前，冷却塔内广泛采用的是PVC薄膜式填料，填料形状可分为S波、斜折波、双向波、复合波等。近年兴起的环保节能型竹格填料，对于其综合性能评价一直未有定论，争议很大。为此，对竹格填料的热力性能、阻力性能及应用情况，应进行全方位的调研和分析。

1　淋水填料的发展

对淋水填料的基本要求，包括了散热效率高、通风阻力小、亲水性强、材质轻、强度高、耐腐蚀、易加工、寿命长、价格便宜等。在填料的发展过程中，选用的材料主要有木材、竹材、石棉、水泥、塑料、玻璃钢、陶瓷等。按照淋水在填料区冷却过程的存在形式，填料可分为点滴式、薄膜式和点滴薄膜式三种类型［］。

点滴式填料出现的时间最早，淋水落在填料上溅碎成小水滴，层层溅落后，水滴越来越细，分布越来越均匀。利用众多小水滴较大的比表面积，完成空气与水之间的传热传质，达到冷却淋水的目的。点滴式填料包括了弧形、L型、M型和十字形等多种型式，材质为木材、钢丝水泥、石棉水泥、塑料等。点滴式填料由于换热效率较低，单位体积的冷却能力较差，因此，在逆流塔中，已被薄膜式填料所取代，但在大型横流塔中仍被广泛使用，因为这种填料对横向气流具有阻力小、单位体积耗材少、允许淋水密度大、对水质要求低等优点。

目前，薄膜式填料在电厂冷却塔中的应用最为广泛，其中又以PVC填料最为常见，形状有S波填料、斜折波填料、双斜波填料等。使用薄膜式填料时，冷却水以水膜状态沿填料片两侧向下流动，凹凸不平的填料薄片有三个方面的作用，一是增加冷却水自身的比表面积，使其与空气有较大接触面积；二是减缓冷却水的下落速度，延长冷却水与空气的接触换热时间；三是增加水膜向下流动的再分布，加强了冷却水在填料薄片上分布的均匀性。薄膜式填料正是通过这些作用，让冷却水通过传热和传质，排走了热量，达到冷却降温的作用。

点滴薄膜式填料具有点滴式填料和薄膜式填料的双重功能，冷却水在其中以水滴和水膜两种形式与空气进行换热，其冷却性能处于点滴式和薄膜式2种填料之间。美国马利塔中的M填料板，可看作这类填料的最早形式，以后才发展成折波填料，使其具有点滴薄膜式的性能，增加了散热性能，提高了冷却效果。另一类点滴薄膜式填料为网格状膜板填料，包括水泥网板、蜂窝填料、塑料格网、竹格填料等。在满足冷却要求的前提下，合理运用这种填料，可以节省投资，降低维护费和运行费用。

在许多冷却塔中，出现了点滴式、薄膜式以及点滴薄膜式填料组合安装的使用方案，根据分析，主要是基于几个方面的考虑［3］。

（1）提高热力性能稳定性。在逆流塔中，上部安装薄膜式填料，下部布置点滴式或点滴薄膜式填料，可以减少通风阻力和结垢堵塞，虽然在初期冷却性能上不占优势，但增加了长期运行过程中填料热力性能的稳定性。

（2）适应高温工况。PVC及改性PVC填料所允许的最高水温为55℃左右。当水温较高时，可以在顶部安装点滴式填料，以适应高温工况，工作温度在82℃以上。

（3）防止填料损坏。当循环水泵启动后，竖井周围的配水槽溢水严重，破坏了顶部填料层。在北方寒冷地区，PVC薄膜填料上的水流较缓慢，容易结冰挂冰，导致填料片被撕裂后坠落。在这种情况下，均可用点滴薄膜式栅格填料代替部分PVC填料，可有效防止填料损坏。

2　竹格填料与PVC薄膜填料的比较

2.1 竹格填料与PVC薄膜填料的冷却能力仿真计算

选取竹格填料与常用PVC薄膜填料（S波填料）进行冷却能力对比。竹格填料与S波填料的实物图，如图1所示。2种填料的热力性能及阻力特性方程式，均由西安热工研究院在模型塔上通过填料性能试验所获得［5］，详细数据，如表1所示。竹格填料与S波填料的热力及阻力特性曲线，如图2所示。从图2可知，S波填料的冷却数大于竹格填料，而阻力也高于竹格填料，冷却数大对冷却能力有利，而阻力高则对冷却能力有不利影响，填料热力性能及阻力特性共同决定冷却能力，这就需要通过热力计算获得。

图1　竹格填料与S波填料实物图

表1　淋水填料热力及阻力特性方程式

图2　竹格填料与S波填料的热力及阻力特性曲线

利用Matlab仿真软件，编写热力计算程序对某电厂9 500 m2自然通风逆流湿式冷却塔进行仿真计算。已知大气压力99.49 kPa，干球温度29.2℃，湿球温度26.5℃，淋水面积9 500 m2，塔总高度150.1 m，进风口高度10 m，有效高度141.1 m，进塔水温41℃。求解该冷却塔分别应用竹格填料及S波填料时，在不同淋水密度下的冷却温差。计算结果，如表2所示。

表2　某电厂9 500 m2冷却塔冷却温差Δt仿真计算结果

由表2可知，当淋水密度q=6.315 8～10.526 3 t/（m2·h），而其他参数一定时，采用竹格填料的冷却温差比S波填料小1.52～1.71℃，冷却温差的相对差值为19.2%～22.0%，这说明竹格填料与S波填料的冷却能力有较大的差距。

2.2 竹格填料与PVC薄膜填料的特点

PVC薄膜填料的材质轻、强度高、易加工、耐腐蚀、冷却效果好、气流阻力较小、形式多样。冷却水在该型填料中比表面积大、换热时间长、冷却效率高，性能为点滴式填料的3倍以上，但缺点是水流比较缓慢，容易污染结垢，甚至会出现堵塞现象，造成冷却塔效率降低。在高温工况下，运行3～5年后会老化变形，易脆裂破碎，影响冷却效率。在冬季，因结冰引起荷载增大，冰块将填料扯断坠落，产生大量的填料碎片，阻塞滤网或凝汽器，影响机组的经济运行。

竹格填料属于点滴薄膜式淋水填料，是由植物纤维竹片经设计加工组装而成，有喜水、强度高、使用寿命长、不易结垢堵塞、不易破碎变形等优点，尤其在防冻耐寒方面性能突出［4］。竹格填料的片距较大，通风阻力小，但也减少了换热面积，容积散质系数小，整体冷却能力不如PVC薄膜式填料，且价格也较高一些。

综合分析后，将竹格填料与PVC薄膜填料的综合性能进行了对比。对比结果，如表3所示。

表3　竹格填料与PVC薄膜填料的性能对比

3　竹格填料应用案例分析

从20世纪的90年代起，竹格填料已被应用于电厂的冷却塔中，但主要应用于中小型机组或自备电厂。通过查阅文献资料，对部分公开发表的改造方案及应用案例进行了分析。

3.1 大唐微水发电厂

微水发电厂现有2台50 MW汽轮发电机组，配备2座2 000 m2自然通风逆流式冷却塔［6］。由于投产时间长，且循环水的水质较差，导致最初选用的水泥网格填料大量结垢，堵塞填料网眼，降低了水塔的冷却效果，影响了机组运行时的真空度，因而需要更换填料。

为了节约投资，选出1号塔和2号塔内依然可用的水泥网格填料，合并后集中用于1号冷却塔内，而将2号塔内填料全部更换为竹格填料，填料层高度仍保持原设计值，为1.6 m。通过性能试验，实测1号冷却塔的热力特性方程为N=1.25λ0.51，2号冷却塔的热力特性方程为N=1.35λ0.5，而S波填料的热力特性方程为N=1.69λ0.54。由此可知，竹格填料虽然比水泥网格填料的热力性能高一些，但与S波填料的热力性能相比，仍有较大的差距。

综上所述，以热力性能相比，竹格填料比水泥网格填料更好，但比PVC填料的热力性能略差一些。由于竹格填料的阻力特性好，不易结垢堵塞，所以，在循环水水质较差或满足机组冷端要求的前提下，竹格填料可供新建或现役机组选用。

3.2 大有集团合成氨厂

大有集团合成氨厂在1984年建成了第一座造气污水冷却塔［7］，原设计选用聚丙烯折波填料。在1985年机组大修时发现烟煤灰聚积过厚，大部分填料层已倒塌，采用了焊接钢架支撑进行加固。在1986年大修时，冷却塔仍因堵塞严重不能正常运行，原因是该填料缝隙小、强度低。无论造气污水，还是合成循环水，都不同程度带有泥污等渣质，致使这种填料的冷却效果不明显。

鉴于这些问题，于1987年大修时，更换了已报废的塑料折波填料，采用了竹格填料，填料层的装填高度为1.5 m，共30层，其通风面积为399.84 m2。根据试验结果，拟合出竹格填料热力特性方程式为N=1.54λ0.58，这说明该填料具有较好的热力性能。污水冷却塔改用竹格填料后，经过多年运行，冷却效果较好。

通过对造气污水冷却塔填料的改造，认为竹格填料冷却效果与塑料折波填料基本相同。由于其强度较塑料高，运行中不易被损坏，且淋水均匀，检修时，对泥污的冲洗方便。实践表明，在不影响冷却效果的前提下，竹格填料是强度高、使用寿命长、检修方便的一种淋水填料。

3.3 其他应用案例

根据华电电科院的调研情况，列出了使用竹格填料的主要用户单位，如表4所示。

表4　竹格填料的主要应用案例一览表

由表4可知，竹格填料的应用案例集中在北方寒冷地区，主要是冶金、炼油、化工、造纸等行业的中小型冷却塔。如果冷却塔运行在严寒或高温、灰污大、水质差等比较恶劣的环境下，填料易老化脆化，易结垢堵塞。但竹格填料在防冻抗寒、耐高温、防污染结垢等特性方面具有一定优势，虽然PVC薄膜填料具有更好的冷却性能，但在恶劣环境下的运行效果，反而不如竹格填料。

4　结语

通过对比竹格填料和PVC薄膜填料的性能可知，前者热力特性不如后者，但阻力特性优于后者，综合冷却能力比后者低20%左右。竹格填料在污染特性、易破碎性、防冻抗寒、耐高温性、检修维护等方面具有一定的优势。

在高温塔、污水塔、严寒地区、灰污大、水质差（如冶金、炼油、化工、造纸行业冷却塔）等恶劣运行环境下，推荐选用竹格填料，适当增加竹格填料层的高度；而在发电厂中的大型自然通风双曲线冷却塔中，由于水温较低、水质较好，所以更注重冷却能力，推荐选用PVC薄膜填料，或采用组合的布置方式，即在冷却塔的上部布置PVC填料，在冷却塔的下部布置少量的竹格填料。

［1］赵振国.冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［2］潘雯瑞，任建兴，翁建华.燃煤机组湿式冷却塔淋水填料结构与特性分析［J］.上海电力学院学报，2011，27（1）：9-13.

［3］高福东，孙奉仲，王凯.电厂冷却塔填料的发展与研究［J］.电站系统工程，2007，23（5）：7-10.

［4］郗孟杰，张荣佩，王兴国.冷却塔竹栅填料的特性分析［J］.河北电力技术，2000，19（2）：42-43.

［5］胡三季，陈玉玲，刘廷祥.逆流式冷却塔不同高度的PVC淋水填料热力及阻力性能试验研究［J］.吉林电力，2003（4）：9-11.

［6］楚贤民，吴永才.竹栅网格与PVC填料组合在冷水塔上的应用［J］.东北电力技术，1996（2）：58-61.

［7］张明海.竹格填料在冷却塔中的应用［J］.河南化工，1997（11）：18-19.

Performance Comparison between Bamboo Grid Packing and PVC Film Packing and its Applications

CHEN You-liang，SHI Yong-feng，XIE Da-xing
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，Zhejiang，China）

In industrial cooling towers，heat transfer between circulating water and air mainly occurs in the packing zone，and cooling capacity of towers is directly determined by thermal and resistance characteristics of packing.To evaluate the comprehensive performance of bamboo grid packing accurately，the development course of packing is summarized.By means of numerical simulation，thermal performance，resistance and cooling ability is compared between bamboo grid packing and PVC film packing，comprehensive performance evaluation of two packing is obtained，several application cases are analized，finally the packing selection advice is given.

cooling towers；cooling；bamboo grid packing；PVC film packing；thermal；resistance；performance； evaluate

TK264.1

A

1672-0210（2016）01-0037-05

2015-11-23

陈友良（1985-），男，博士，工程师，主要从事电站热力设备节能方面的研究。