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由于常规塔的冷却水经填料自由跌落的高度(即雨区)较大，导致常规塔供水高度较高，故循环水泵扬程较高、功率较大。为减少循环水系统电耗，在本世纪70年代末，由法国电力公司和比利时哈蒙冷却塔公司在常规塔的基础上设计研究出一种能降低冷却塔供水高度的节能型冷却塔，即逆流式自然通风高位收水冷却塔，并于上世纪80年代初期在法国几个1 300 MW级内陆核电站(贝尔维尔/BELLEVILLE 1、2号塔，诺让/NOZENT 1、2号塔，舒兹/CHOOZ 1、2号塔及戈尔费什/GOLFECH 1、2号塔)投入使用，最近投运的项目在2000年，目前均运行良好，其后因欧美核电基本处于停滞阶段，很少有新项目投运[1]。
我国电力行业在20世纪80年代末引进哈蒙冷却塔技术时，具有代表性的有蒲城电厂一期2×330 MW机组。随着二次循环机组逐渐增多，且高位收水塔具有节能、降噪等优势，尤其对大机组节能效果更加显著，高位收水塔应用业绩也逐渐增多，近期相继投产的重庆万州2×1 000 MW、安庆二期2×1 000 MW等，以及在建的九江2×1 000 MW、寿光2×1 000 MW、清远2×1 000 MW新建工程，目前在建的江西彭泽核电站等项目也采用了高位收水塔方案。从早期的进口塔芯填料，到目前塔芯材料逐步国产化，国内电厂高位收水塔应用前景广阔。
随着电力建设水平的发展，电力工程(含核电工程)多采用高效率、大容量发电机组，冷却塔设计成为突出问题。现行有关设计规范和设计院普遍使用的设计程序已不能完全适用[2]。以下根据某工程高位塔和常规塔数值模拟比较，对高位塔与常规塔热力性能进行相关对比研究，同时提出目前国内外对两种塔型相关优化的一些手段，为冷却塔设计选型提供一定依据和借鉴。
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常规塔型和高位塔进风口高度分别为13.9 m和14.4 m，塔高分别为196 m和205 m，室外地面直径分别为145.3 m和145.7 m，喉部直径分别为84.1 m和81.6 m，喉部高度分别为147 m和154 m，塔出口直径分别为89.6 m和86.0 m。两种塔型按照年平均气象条件冷却效果相同原则进行对比分析。
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高位冷却塔与常规塔由于其内部核心结构存在有无收水装置的差异，导致其空气流场结构也存在较大的不同，图1给出了无环境自然风时两塔传热传质区的局部空气动力场。
Figure 1. Air Force Field of the High-level Water Collecting and Conventional Tower (y＝1 m，v＝0 m/s)
由图1(a)可知，对于常规冷却塔，环境空气加速进入塔内后，沿雨区径向空气流速逐渐减小，在进风口上缘存在一定的纵向漩涡区域。对比图1(b)，环境空气进入塔内后，在高位塔进风口外缘侧所引起的低速纵向漩涡区域较大。
高位塔收水板间流道具有一定的导向作用，使得收水板上部空间和下部空间风速分布发生较大的变化：高位塔收水器下部以塔心最小，但高位塔收水器上部空间，特别是填料上方，基本以塔心最高，而塔壁附近区域空气流速则相对较小。
图2为2 m/s环境自然风下高位塔和常规塔两塔传热传质区的局部空气动力场。图3为7 m/s高环境自然风下高位塔和常规塔传热传质区的局部空气动力场。图4为4 m/s侧风下高位塔和常规塔z＝6 m高度处空气流场。
Figure 2. Air Force Field of the High-level Water Collecting and Conventional Tower (y＝1m，v＝2m/s)
Figure 3. Air Force Field of the High-level Water Collecting and Conventional Tower (y＝1 m，v＝7 m/s)
Figure 4. Air Force Field of the High-level Water Collecting and Conventional Tower (z＝6 m，v＝4 m/s)
高位塔进风口空气流速沿高度分布相对均匀，高位塔迎风侧进风口上缘产生的纵向漩涡较大，基本充满第一个流道。
2 m/s环境自然风下，高位塔迎风侧进风口上缘产生的纵向漩涡更大，低速区域基本可充满4个流道。背风侧纵向漩涡有所减小。填料上方空气流速依然呈现外小内大的趋势。
7 m/s环境自然风下，高位塔迎风侧纵向漩涡过大，几乎影响了整个半塔计算域，造成迎风侧半塔所有收水板间空气流速过小。背风侧进风情况相对较好。由此可见侧风下高位塔迎风侧纵向漩涡是影响高位塔冷却性能的主要因素。为在大环境自然风下改善高位塔冷却性能，必须改善塔内空气流场。
对比图4(a)、(b)可知，4 m/s环境自然风下高位塔背风侧进风量相对于常规塔较小。这表明环境自然风对高位塔冷却性能的影响更大。其主要原因即是高位塔收水装置下方空气几乎没有流动阻力。为在侧风环境下改善高位塔冷却性能，必须针对高位塔背风侧空气流场结构进行改善。可考虑塔周加装导风板改善背风侧空气流场，增大高位塔背风侧进风，以提高高位塔冷却性能。
高位塔进风口上缘填料下方易出现较大的纵向漩涡，影响其上方填料内气水两相的传热传质强度。受收水装置结构和收水装置下方空气横向流动阻力过小的原因，环境自然风下迎风侧填料下方极易出现大的纵向漩涡：2 m/s环境风时迎风侧纵向漩涡即充满4个流道；7 m/s环境自然风时，迎风侧产生大的纵向漩涡造成进半塔收水板间空气流速较低。
高位塔收水板下方，空气横向流动阻力远小于常规自然通风湿式冷却塔，使得环境自然风对高位塔的影响更大，低风速下高位塔背风侧即出现空气出流区域。
相比高位塔，常规塔由于雨区空气横向运动阻力较大，其纵剖面空气流场结构受环境风影响相对较小，4 m/s环境风时背风侧也没有空气出流区域。常规塔由于填料底部与进风口上缘间距较小(0.75 m左右)，且雨区存在较大的阻力，其进风口上缘填料下方纵向漩涡相对较小。
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图5为无环境自然风条件下，常规塔和高位塔空气温度场分布图。由图可知，高位塔和常规塔内空气温度场基本均呈对称分布，其中高位塔内空气温度分布相对均匀。
Figure 5. Pool Water Temperature Field of the High-level Water Collecting and Conventional Tower (v＝0 m/s)
图6对比给出了2 m/s环境自然风对常规塔和高位塔空气温度场的影响。图7给出了7 m/s环境自然风对常规塔和高位塔空气温度场的影响。由图对比可知，环境自然风对高位塔空气温度场影响较大。环境自然风下，高位塔迎风侧漩涡区上方填料处空气温度相对较高，降低了该区气水两相传热传质能力。
Figure 6. Pool Water Temperature Field of the High-level Water Collecting and Conventional Tower (v＝2 m/s)
Figure 7. Pool Water Temperature Field of the High-level Water Collecting and Conventional Tower (v＝7 m/s)
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图8(a)、(b)分别给出了高位塔填料截面Z向平均风速和出水温度随环境自然风的变化规律(两种塔型填料均匀布置，高度按1.5 m计)。由图8(a)可知，随环境自然风的增大，低环境自然风速范围内，填料顶面风速vz持续减小，出塔水温持续升高。在高速环境自然风下，填料顶面风速vz开始急剧增加，出塔水温有所降低。
Figure 8. Thermal Performance of the High-level Water Collecting on Environment Wind Speed Influence
为重点分析常见风速范围高位塔和常规塔冷却性能的差异，将所分析风速范围取为0～10 m/s。图9给出了环境自然风对高位塔、常规塔填料顶面风速vz的影响，图10给出了环境自然风对高位塔、常规塔出塔水温Tw的影响。
Figure 9. Top Filling Wind Speed with Environment Wind Speed Influence
Figure 10. Cooling Towers Water Temperature with Environment Wind Speed Influence
由图9可知，高位塔内填料顶面风速普遍高于常规塔相应值，这主要是由于高位塔采用收水器代替大雨区后，其通风阻力明显下降。高位塔采用收水装置代替大雨区，降低了通风阻力，但同时也牺牲了大雨区的传热传质效果。
由图10可知，在风速小于4 m/s时，高位收水冷却塔出塔水温普遍小于常规塔。以性能保证工况为例，在无环境自然风时，所设计高位塔出塔水温比1.5 m填料常规塔的出塔水温低0.45 ℃，比1.25 m填料常规塔的出塔水温低1.13 ℃。在性能保证工况下，高位塔配水区、填料区和小雨区三区冷却水温降分别为0.94 ℃、7.82 ℃和0.35 ℃约占冷却水总温降9.10 ℃的10.32%、85.92%和3.76%。在高位塔相对于常规塔总体温降增加的基础上，可知高位塔雨区的取消可增加通风量、强化填料区传热传质能力、实现高位塔相对常规塔冷却性能的改善提高。
但在环境风速大于4 m/s时，由于收水装置下方空气流动几乎没有阻力，高位收水冷却塔受环境自然风的不利影响较大，其出塔水温快速飞升，远大于常规冷却塔。因此为保证高位收水冷却塔对环境风速的适应性，建议采用优化措施在环境自然风条件下改善高位塔内外空气流场。
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常规塔存在雨区，高位塔存在收水装置。
常规塔雨区阻力大，但有一定的传热传质能力。雨区阻力大同时降低了环境自然风对常规塔热力性能的影响。
高位塔采用收水装置收水，以取消大雨区，可明显降低通风阻力，增大通风量，从而通过填料区和配水区传热传质的加强来弥补雨区取消所带来的不利影响。
由于收水装置下方空气横向流动阻力很小，环境自然风在高位塔收水装置下方具有较大的穿透能力，从而降低了背风侧进风量。同时，大穿透能力侧风也在高位塔迎风侧进风口上缘收水装置下方引起较大的纵向漩涡，大幅弱化了迎风侧填料的冷却能力。从而使高速环境风下，高位塔热力性能急剧恶化。
两种塔型年平均气象条件热力性能相同，但流场分布不尽相同，不同环境风速塔内流场分布规律也不尽相同，造成该原因主要是由两种塔型塔内构造不同所致；经济性上，高位塔塔高较高，即土建费用略大于常规塔，塔芯材料也高于常规塔，但循泵扬程比常规塔低约1/3，折合年运行费用具有一定优势，目前是超大型冷却塔应用的发展方向。
1.1 空气流场对比分析
1.2 温度流场对比分析
1.3 高位塔与常规塔冷却性能比较
1.4 两者冷却性能比较及差异分析
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结合常规塔和高位收水塔各自特点，目前已有较多手段实现如何降低出塔水温，从而提高冷却塔热力性能，进一步降低机组热耗。
表1给出国内外两种塔型优化比较常见的主要措施。
优化措施 常规塔 高位收水塔 塔型几何尺寸优化 出塔水温一定，通过调整高径比、进风口高度等塔型参数，寻求一种造价最低的冷却塔。 通过调整高径比、进风口高度进行优化，但有本质区别。 国内采用瘦高塔较多，高径比在0.70～0.80(江西某百万、广东某60万、湖南某60万电厂分别为0.75、0.74和0.75)[3]。 1)因进风口高度增加不会增加循泵静扬程，同时还需考虑收水装置布置等因素，一般进风口高度比同容量常规塔略高； 进风口高度优化数值变化不大，主要考虑增加进风口高度，会增加循泵静扬程，年运行费用会大幅增加。 2)因取消雨区增加收水装置，塔内阻力略大于常规塔，塔高、喉部与出口直径也应相应变化，适当考虑增加其尺寸。 配水分区布置优化 塔内流场分布不均，外围应增加淋水密度，内外减少淋水密度，一般分区2～4个分区为宜。 塔内流场分布不均，但趋势和常规塔相反，外围应减少淋水密度，内外增加淋水密度，一般分区2～4个分区为宜。 填料不均匀布置优化 塔内空气流速沿径向往内逐渐降低，应充分利用外围散热能力，增加外围淋水填料厚度、选用片距较小的淋水填料，一般分区和配水同步进行。 塔内空气流速沿径向往内逐渐增加，应充分利用塔心区域的散热能力，增加内围淋水填料厚度、选用片距较小的淋水填料，一般分区和配水同步进行。 其它措施优化 塔外进风口设导流装置，如导风板(一般环境风速大于2 m/s可考虑，否则收益不明显)，浙江宁海某百万电厂在海水冷却塔进风口外檐沿径向设置多块导风板，目前已运行一段时间[4]。塔内设十字隔墙等。 收水斜板高度优化：收水斜板高度越高，效果越好，考虑塔内布置空间等因素，收水斜板U型槽底一般与进风口高度基本一致。收水斜板角度优化：50°为宜，但与45°差异不大。导流装置如导风板优化：有环境侧风条件下，2 m/s时有导风板可明显增加风量，出塔水温可降低约0.5°。塔内十字隔墙优化：高环境风速，设置隔墙可使塔内流场分布更均匀，出塔水温略低。 Table 1.
Optimization Measures Summary of the Conventional Tower and the High-level Water Collecting Tower
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1)由于高位塔收水板间流道的导向作用，高位塔收水装置上部主要传热传质区，特别是填料上方，空气流速基本以塔心最高，而塔壁附近区域空气流速则相对较小。而常规塔最高速度出现在半径的2/3左右。
2)由于高位塔收水装置下方空气流动阻力小，高位塔迎风侧进风口上缘产生较大的纵向漩涡，而常规塔纵向漩涡则相对较小。高位塔迎风侧纵向漩涡随环境风的增大，降低了所影响区域收水板间空气的上升速度。
3)高位塔内温度径向分布相对均匀。
4)高位塔采用收水装置收水，以取消大雨区，可明显降低通风阻力，增大通风量，从而通过填料区和配水区传热传质的加强来弥补雨区取消所带来的不利影响，使得低风速环境自然风下高位塔冷却性能由于常规塔。
5)由于收水装置下方空气横向流动阻力很小，环境自然风在高位塔收水装置下方具有较大的穿透能力，从而降低了背风侧进风量。同时，大穿透能力侧风也在高位塔迎风侧进风口上缘收水装置下方引起较大的纵向漩涡，大幅弱化了迎风侧填料的冷却能力。从而使高速环境风下，高位塔热力性能急剧恶化。
6)为防止高速环境风下高位塔热力性能急剧恶化，需结合厂址气象条件对塔内流场进行整流优化，在塔外进风口增设导流装置等措施可能是今后研究重点。
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