空冷机组喷雾降温系统的设计研究

2014-12-11苗建军

电站辅机 2014年4期

苗建军，赵宸

（上海电气斯必克工程技术有限公司，上海 200090）

0 概述

计算电厂空冷系统的散热面积，需按机组所处的环境温度作为设计条件。当实际环境温度超过该设计温度时，空气密度变小，空气质量流量下降，汽轮机背压必然升高，限制了机组带满负荷运行，影响发电机组的出力。为此，有必要对空冷凝汽器管束加装度夏喷雾降温系统（简称喷雾系统），以求增强酷热季节时管束的散热能力，提高机组的发电效率。同时，有利于凝结水精处理系统的正常投入，确保水质合格，利于机组的安全运行。

1 直接空冷喷雾降温系统

1.1 冷却原理

喷雾降温冷却具有流动、传热、相变传质等多个传热过程，其热力学原理的基础是湿空气的焓湿图（h－d图）。由喷嘴喷出的雾化水的作用，一是通过喷雾冷却管束翅片，也称增湿降温，将雾化的除盐水喷在空冷风机的出口或入口，提高空冷风机入口的空气湿度，降低空气的干球温度，该过程中，湿空气的焓值都在变化；二是通过蒸发冷却，也称强化传热，将雾化后的除盐水直接送达空冷散热器管束的迎风面，喷雾水在空冷翅片表面蒸发，吸收水蒸气的汽化潜热，达到强化空冷散热器传热的目的。随着水雾蒸发，湿空气的干球温度自然下降。当相对湿度达到100%时，这种蒸发降温的过程即自然停止。此时，湿空气的干球温度达到或接近湿空气在新的水蒸气分压力下的露点温度。但在实际降温过程中，很难将空气的相对湿度加大到100%，在工程设计中，一般选取最大许可的相对湿度为90%。

从实践得知，喷雾冷却水的用量是蒸发冷却的4倍，而蒸发冷却比喷雾冷却的效果更好。二者均对喷嘴的雾化效果、喷嘴位置的选取和运行控制有较高的要求。将喷雾冷却及蒸发冷却相结合，利用专用喷嘴将雾化水流喷入换热管束的下方，从而提高空气湿度降低空气温度，再由空冷风机将冷却的空气及水雾送入管束，与管束表面翅片进行蒸发热交换，进而快速降低管束的表面温度。

1.2 设计实例

1.2.1 设计概况

以新疆某2×350MW直冷机组的喷雾系统为例，说明设计方案的要点。

根据该机组所处的气象条件，在夏季的极端高温为41.6℃，而系统夏季的设计温度为33℃，当夏季环境温度高于33℃，在该工况下运行将不能满足空冷系统凝结水降温的要求。为满足机组夏季高温时段的运行要求，即环境温度高于33℃时的度夏问题，设置了喷雾降温系统。按极端最高温度41.6℃进行喷雾系统的设计，在保证安全度夏的前提下，合理设计喷雾降温系统，以求达到最佳雾化降温的效果。

1.2.2 热工设计计算

该电厂共2台机组，每台350MW汽轮机组共配置30个单排管空冷凝汽器单元。布置分为6列，每列有5个单元。风机单元风量为560.4m3／s，设计风速为5m／s，当风机全速运转时，能满足汽轮机排汽量的凝汽要求。该型汽轮机在TRL工况下的运行参数，如表1所示。

表1 汽轮机在TRL工况下的主要运行参数

对喷雾降温冷却进行热力学计算的基础，是湿空气的焓湿图。在机组负荷一定的情况下，喷雾系统的喷雾水量取决于空冷风机入口和空冷散热器管束表面空气的吸水能力。一定温度和湿度下的空气的干球温度和湿球温度差，决定了空气可进一步吸收水分的能力。l kg干空气（10～40℃）加湿到饱和湿空气时的吸水能力为3.83～10.35g，l kg相对湿度为50%的空气（干球温度为10～40℃）加湿到饱和湿空气时的吸水能力为1.82～4.18g。［1］

对于该机组而言，只有当环境温度在33℃以上时才需投入喷雾系统，而喷雾水温度一般在20～25℃，其喷水焓值与湿球温度下水蒸气分压对应的饱和水焓值很接近，因此Δd／ΔT的比值反映了湿空气喷雾用水量与降温幅度的关系，Δd为空气喷雾冷却前后的含湿量差，ΔT为空气喷雾冷却前后的温度差。根据空气的冷却幅度（空气的吸水能力），可以确定喷雾冷却系统的喷雾水量。

据此，喷雾前后的关系式为：

式（1）中：

D′——喷雾气化后空气含湿量，g／kg；

D ——喷雾气化前空气含湿量，g／kg；

M ——喷雾水量，t／h；

η ——气化效率，%；

N ——风机单元总数；

G ——风机空气质量流量kg／s。

在未进行喷雾加湿之前，当环境进风温度为33℃、相对湿度为50%时，查设计手册可得含湿量为15.9g／kg。

根据式（1），在使用喷雾加湿的情况下，假设气化效率为90%，当使用喷雾水量M 达到约70t／h时，则喷雾气化后含湿量：

由此，通过查焓湿图，求得喷雾气化后的进风温度为30.50℃。

喷雾前后进风的温降可达2.50℃，进而可得出喷雾后的排汽背压值为28kPa，即喷雾后，排汽背压可降低约3kPa。随着喷雾时间的持续增加，相对湿度将增大至80%～90%，排汽背压进一步可降至5～10kPa，机组负荷可增加15～20MW，完全满足设计要求。

另外，系统对喷雾水的水质有一定的要求，当水质硬度在500mg／L以下，喷淋水不会在翅片上产生硬垢，如果产生盐分沉淀也较易清除。当水质硬度超过500mg／L，喷淋后将可能产生不易去除的硬垢。因此，喷雾水应采用软化水或除盐水，水质的pH值为7＋0.5，喷水温度不超过60℃。

1.2.3 技术经济分析

按照设计要求，当环境温度在33℃以上，机组的真空度和运行方式保持不变的情况下，投运喷雾系统后，机组负荷增加约15～20MW。设定电价为0.40元／千瓦时，除盐水费为10元／吨，每年在夏季高温时运行400h，机组出力增加15MW进行计算，则单台机组的年收益为：

增加发电量：400h×15MW＝6 000MW·h

水泵电耗：400h×55kW＝22MW·h

耗水量：400h×70t／h＝28 000t

净发电量：6 000－22＝5 978MW·h

除盐水年耗水费：28 000t×10元＝28万元

增加发电收入：5 978×0.40＝239.1万元；

总收益：239.1－28＝211.1万元／年。

1.2.4 工艺流程和主要系统设备

1.2.4.1 工艺流程

来自化学循环水处理车间的深度处理水，这种水仅次于一级除盐水，pH值为6～7，可有效防止因喷雾降温而使空冷散热器外部结垢或造成腐蚀，该水储存于除盐水箱。当喷雾系统运行时，其流程依次经过除盐水箱 →一次滤网 →泵前进水阀→喷淋水泵 →泵后出水阀 →喷雾主管道支管道→喷嘴 →空冷散热器管束表面。直接空冷喷雾系统的布置，如图1所示。

图1 直接空冷喷雾系统主要工艺流程图

1.2.4.2 主要系统设备

喷雾系统由喷淋水泵组、管路、喷雾装置、电气控制等四个部分组成，每台机组的喷雾系统均为独立系统。

喷淋水泵组由进水手动球阀、多级水泵、进出口管道等组成。多级水泵安装在泵房内，进水口与除盐水箱相连，在进水管路上，配置DN100进水不锈钢管道、DN100手动球阀、DN100Y型过滤器。在多级水泵出水管路上配置DN100手动球阀、止回阀和电动调节阀。

喷雾系统的管道部分，包括了多级水泵出口处连接的DN100管道、沿立柱竖直接入空冷凝汽器平台的主管道、在平台上横向安装1根DN100的主管道。在横向管道上，每座A型架处安装1只三通，将三通连接在DN65手动球阀之后，再连接DN65电动球阀。在每列A型架内部，安装了分支管路，每台机组共设6组分支管路。

喷雾装置安装于每根分支管路上，每台机组喷淋分支管路为6组，同时运行。1台空冷风机上安装4路喷淋分管路，在每个喷淋分支管路上安装8只专用雾化喷嘴。布置喷嘴时，布置距离管束不能太近，经测试，距管束约500mm为佳。距离太近，易使管束翅片结垢和腐蚀；如距离太远，达不到增湿降温的目的。考虑喷嘴可能被堵塞，在喷嘴内设有二次滤网。当水压不足时，水的雾化效果较差，所以，还在喷嘴内设有水压逆止门，当水压达到设计值时，水才以雾化形式喷出。喷嘴是喷雾降温系统的关键部件，其性能直接影响整个系统的降温效果。对喷嘴的基本要求是：喷雾效果好，喷水量省，喷射角大，喷射面积大，不易堵塞。［2］

通过试验表明，螺旋圆锥实心喷嘴的喷雾效果较好，不仅解决了喷孔堵塞的问题，而且喷射角度大、射程远、穿透力强、重量轻，且一次性投资较低，是较理想的喷嘴型式。

系统控制装置具有就地手动操作和远控操作功能。2台机组配置1套程控柜，可实现喷雾水泵的启停控制。泵前和泵后设置了压力表，用于监测泵前和泵后的进出水压力。在泵的出口处设置电动调节阀，可根据实际情况调节喷雾水的流量。在电动阀之后配置压力变送器和流量计，其信号进入中央集控室的DCS系统，实现对喷淋水压力和流量的监控，一旦出现异常，立即停泵。

此外，为提高系统的自动化程度，电厂可通过水泵的MCC柜实现DCS远程控制。当水泵运行电流过大时，水泵的故障报警信号反馈至DCS，发出指令自动停止泵的运行。因此，运行时可无人值守，故障时能即时反馈信号。

2 间接空冷喷雾降温系统

2.1 冷却原理

当环境温度较高时，利用布置在空冷塔冷却三角百叶窗内的喷嘴，使水以雾化的形式喷淋在空冷塔散热器的进风侧，借助塔内外的压差和微风的作用，水雾滴液在百叶窗内旋转前进，雾化后的小水滴与空气直接进行热交换，降低了散热器入口空气干球温度至设计点温度。而且，喷至散热器翅片上的小水滴，还将与翅片直接进行换热，小水滴在散热器表面的蒸发吸热，加强了散热器的换热效率。

通过水的雾化作用，降低了循环冷却水温，达到了提高机组出力的目的。

2.2 设计实例

2.2.1 设计概况

以山西某间冷项目2×350MW空冷机组喷雾系统为例。该机组采用表凝式间接空冷系统，每台机组汽动给水泵的小机排汽进入主机表凝式间接空冷系统进行冷却。2机组共用一座自然通风冷却塔（即两机一塔），循环水系统采用单元制。空冷散热器垂直布置在空冷塔外围，2机组的冷却扇为交错布置。

鉴于空冷机组安全度夏是个非常严峻的问题。经测算，在夏季极端高温时，环境温度已超过TRL工况的设计温度（32.5℃），已不能满足系统对循环冷却水降温的要求，限制了机组带满负荷运行，机组负荷将由350MW被迫降至340MW，如果环境温度继续升高，机组的负荷将被限制在更低的范围内。当环境温度高于32.5℃，启用喷雾系统，是解决机组安全度夏较理想的方法。

2.2.2 热工设计计算

（1）设计要求

根据该地的气象信息，夏季的极端高温40℃，凝结水温度最高达73℃，机组的最高背压将达36 kPa，远超出夏季工况下的设计背压（30kPa）。在夏季TRL工况下，大气温度为30℃，相对湿度为70.8%，大气压力为919.9hPa，距离空冷塔零米地面上方10m处的风速为2.3m／s（测点距离空冷塔外界净距20～40m的开阔地带）。此时，每台机组循环水量为37 100m3／h，空冷塔循环水的进水温度为64.3℃，出水温度不大于53.1℃。喷雾降温系统设计要求满足冷却水量为2×37 100m3／h，计算所得的散热量为878.469MW。

（2）空冷塔的排风空气质量流量的计算

根据该地区夏季室外空调设计的气象条件，当干球温度为32.5℃时，可计算迎面风速为2.3m／s的空冷塔进风空气流量。

该空冷塔共有160个冷却三角，每个冷却三角迎风面的长度为L＝2 000mm，高度为h＝26 000 mm。

计算迎风面积A为：

10m高处的环境风速为2.3m／s，计算空冷塔的进风空气质量流量：

式（2）中：

G——空冷塔的进风空气质量流量，kg／s；

ρ——空气密度，取1.2kg／m3；

v——环境风速，m／s；

A ——迎风面积，m2。

（3）喷雾后进塔热平衡计算

喷雾降温过程为等焓降温过程。按照等焓加湿的原理，由于喷雾热湿交换区域的面积较小，采用该地区夏季设计室外空调的气象参数，1kg干球温度32.5℃，相对湿度为65%。设定空气经过喷雾降温后被等焓加湿的相对湿度为80%，相应地，经过喷雾降温处理后，空气温度t2为25.6℃，有热平衡公式为：

式（3）中：

Cpa——空气比热，取1.01kJ／kg.℃；

G ——空冷塔的进塔空气质量流量，kg／s；

t1——喷雾前空气温度，℃；

t2——喷雾后空气温度，℃；

M ——喷雾水量，t／h；

γ——水的汽化潜热，取2 500kJ／kg·℃。

根据式（3），代入数据计算喷雾水量M：

计算得喷雾水量 M＝64.1（kg／s）≈230（t／h）。

2.2.3 设计方案

优选设计方案的原则，是在不增加总投资的情况下，对喷雾水量和水压进行优化，尽量减少喷雾耗水量及喷雾泵的耗电量。根据该项目的实际情况，从技术与经济运行等方面考虑，设计了2个可选方案，如表2所示。

表2 间冷喷雾降温系统设计方案对比表

从表2可知，间冷系统为自然通风，过流风速低，水转换成水蒸汽的效率很低，约在60%，如采用低压喷雾方式，则不利于节水。同时，大颗粒水粒滞留在管束翅片表面，容易引起积垢，长期使用后，积垢增加会影响换热性能。此外，针对该项目，若采用低压喷雾方式，则需要除盐水量230t／h以上，该电厂的除盐水产量无法满足此要求。综合考虑后，采用高压喷雾方式是较理想且可行的解决方案。

2.2.4 技术经济分析

（1）节能减损

通过喷雾降温系统，可提高空冷塔散热器进风侧的换热性能，降低循环冷却水进出口温度，增加机组出力和发电量，降低单位能耗。

（2）提高效益

对于1台350MW的空冷机组，日投入运行5～6h，耗水量约为50～60t／h。可采用电厂现有的除盐水系统，例如锅炉给水、循环冷却水等，这样可节省初期投资，且降低了运行成本。喷雾系统的初投资可在2～3年收回。

2.2.5 工艺流程和主要系统设备

2.2.5.1 工艺流程

喷淋水源取自空冷塔内循环水管道的冷却水，由喷淋水泵将喷雾水升压后，通过喷雾水的环形主管道送至各扇区，喷雾支管与环形管道相连，在散热器百叶窗内的每层支管上，布置4只高压微细雾化喷嘴，雾化喷嘴内配滤网。喷淋水以雾化的形式喷至空冷散热器的进风侧，借助塔内外的压差和微风的作用，水雾在百叶窗内旋转前进，产生了降温增湿和强化传热的效果，从而降低了循环水温度，达到了提高机组发电出力目的。间接空冷机组喷雾系统的工艺流程，如图2所示。

2.2.5.2 主要系统设备

高压喷雾降温系统由高压喷淋水泵站、喷雾主管道及其分支管道、喷雾装置、电气控制等四部分组成。喷淋水泵具有性能可靠、高压扬程远、便于安装等特点。水泵出口压力5.5MPa，流量为60m3／h，水泵控制柜设置在水泵附近。喷淋泵的出口处设置有DN100止回阀和手动闸阀各1只，进口处设置DN150手动闸阀和过滤器各1只。将喷淋水从循环水系统引出，1只泵对应1个进水管（设置有底阀）。1条供水管道连接2台喷淋泵，在2台水泵出口处各接有DN100手动阀门，管道经手动阀门后再合并成一路，然后接入围绕塔内部的DN100环管。在各单元相应位置引出支管与冷却三角内喷雾装置连接，各单元支管上分别安装有DN40闸阀1只。在每个扇区位置，引出支管，布置于每个立面底部。最后引出的喷嘴分支管路，在分支管路上连接喷嘴。在每个分区主管路上安装手动球阀，用于隔离6个分区的喷雾管路。每2个扇区设置1个分区。当气温不是很高时，可过分区操作，只开南部分区的喷雾装置，当气温较高时，可全开2～6个分区内所有喷雾装置。

喷嘴经优化设计后，采用了自带滤网式高效空心锥形雾化喷嘴，喷嘴出口的雾化颗粒度小，一般在20μm以下，雾化效果比较理想。

2台水泵共用1套控制柜，用于控制水泵的启停，为了与相关系统互联，预留了DCS接口，通过电厂中央集控室，实现远程监控泵的启停、故障报警、超压保护等功能。

图2 间接空冷喷雾系统主要工艺流程图

3 设计方案的比较

通过对直接空冷机组和间接空冷机组不同应用方式的分析和比较，优选了较理想的设计方案。

（1）空冷机组配置了喷雾降温系统，实际上是将干式冷却节水的优点与湿式冷却降温效果好的优点有效地结合起来，提高了空冷系统的换热能力，是实现空冷机组安全度夏的有效途径和措施。同时，也不会影响电厂的正常生产，对环境没有造成不利影响。

（2）由于喷雾降温冷却的原理是基于湿空气的物理特性，故在相对湿度越小、越干旱的地区使用该喷雾系统，则降温幅度越大，效果越明显。

（3）喷雾水量的选取不仅与空冷岛（塔）进风量、喷雾前后的进风环境温度有关，而且与喷淋后的水膜厚度、喷雾泵的压力和功率都有密切的关系。喷雾水量的计算和选取要合适，喷雾水量过小，则无法满足喷雾系统降温冷却的需要，选值过大，会降低喷雾水膜的换热效率，同时不利于节能和节水。

（4）直接空冷散热器管束直接暴露在日光下，使用喷雾系统降温系统，增强蒸发冷却的效果十分明显。间接空冷的散热器管束依赖自然通风进行散热，由于散热器管束处于空冷塔内，太阳光被塔身和百叶窗遮挡，喷雾后的蒸发冷却效果，不如直接空冷的喷雾降温效果。但对于间接空冷机组，如采用高压喷雾系统，增强小水滴的雾化，可显著提高喷雾降温的效果。