郭锐敏

(中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

火力发电厂是工业用水大户，根据国家可持续发展的要求，电厂节水已成为一项重要的技术原则。2002年电力规划设计总院在国产第一个600MW超临界机组设计中，实现了湿冷机组污废水零排放，这一节水思想贯彻至今，成为火力发电厂设计的一项常规[1]。

循环冷却水系统是整个火力发电厂中用水量最大的系统，根据已有工程的水量平衡图计算，其用水量可占全厂总用水量的70%～90%，机组规模越大，耗水量百分比越大。可见，该系统有着重大的节水意义。

循环冷却水系统的组成可以简单地概括为循环水泵、冷却对象(凝汽器等)、冷却塔、冷却水池以及冷却管道。循环水在流经上述设备或构筑物期间，会产生损耗。水量损失主要来自3个方面：风吹损失、蒸发损失和排污损失。

循环水在冷却塔内淋洒降落时，会产生风吹损失，按照《火力发电厂水工设计规范》(DL/T 5339-2006)[2]，机械通风冷却塔损失率为0.1%，自然塔为0.05%。

循环水在冷却塔内与冷空气交换时会产生蒸发损失，蒸发损失率受进塔气温以及循环水温差的影响。带走同等的热量，循环水量越大，其温差越小，蒸发损失率越低，但最终的损失水量却未必减少，反之亦然。蒸发损失水量的判断，并不直观。

随着水量蒸发损失，循环水内的离子浓度将会逐渐升高，过高的离子浓度使得管道设备发生腐蚀损害。为保证设备安全，需要定期对外排放一部分水量，并补入新水，使得水中的离子浓度维持在管道设备可接受的范围，此为排污损失。排污损失的水量受到蒸发损失和风吹损失的影响(风吹损失也可以看作是一种水量排放)，需要通过上述两种损失的计算，才能推求其量。

上述3种损失中，除了风吹损失率由规范直接限定，其余两者均可以由设计人员根据工程情况进行调整优化。在具体工程中绘制水量平衡图时，设计人员往往是通过水文气象数据逐一计算出上述水量损失，叠加总和作为循环水系统的补水量。当需要调整水量时，再次重新计算各个分量。如上文所述，各个参数间可能相互制约，无法直观地判断其对补水量的影响。已有文章提出提高浓缩倍率是一个节水方向[3]，但主要是根据火电厂的实际运行经验。基此，笔者尝试从理论计算出发，探寻各种工况下，对循环冷却水系统补水量造成影响的因素。

1 理论推导补充水量的影响因素

火力发电厂中，冷却塔内的冷却水量主要由两个部分组成：凝汽器冷却用水和辅机冷却用水。为方便后续推导，现将各水量定义如下：

凝汽器的循环冷却水量为W；

补充水量为Q；

辅机的循环冷却水量为u，补充水量为q。

根据辅机冷却水量是进入冷却塔，还是直接进入冷却水池，以下分两种工况进行讨论。

1.1 工况一：凝汽器冷却水进入冷却塔，辅机冷却水直接进入冷却水池(W+0)

辅机冷却水约为总水量的5%～8%(机组越大，百分比越小)，考虑到其所占总水量百分小且直接融入池内已冷却的低温循环水中，认为这部分水量u几乎无损失。因此，该工况下只有主机凝气器的冷却水量W在冷却塔内发生蒸发、风吹损失，系统所需的补水量为Q+0(此时q=0)。

系统所需的补水量等值于冷却塔的损失水量。根据《火力发电厂水工设计规范》[2]，有：

Q=Qe+Qw+Qb

(1)

式中：

Qe——蒸发损失水量，m3/h；

Qw——风吹损失水量，m3/h；

Qb——排污损失水量，m3/h。

(1)蒸发损失水量Qe的计算

①蒸发损失率

根据《电力工程水务设计手册》[4]，凝汽器的热平衡方程式如下：

Dc(hs-hc)=WcwΔt

(2)

式中：

Dc——凝汽器蒸汽负荷，kg/s；

hs——汽轮机排气比焓，J/kg；

hc——凝结水比焓，J/kg；

W——凝汽器冷却水量，kg/s；

cw——冷却水比热容，4187J/(kg·℃)；

Δt——冷却水进、出口温差，℃。

根据《火力发电厂水工设计规范》[2]，蒸发损失水量的计算公式如下：

Pe=KzfΔt

(3)

式中：

Pe——蒸发损失水率，%；

kzf——系数，根据进塔气温确定，1/℃；

Δt——循环冷却水温差，℃。

由于在循环冷却水系统中，凝汽器中水的温升应与冷却塔中的温降相等，因此联立式(2)及式(3)可得到：

(4)

②蒸发损失水量

(5)

式中：

Qe——蒸发损失水量，m3/h；

K1——系数，对于一个工程，汽轮机参数及电厂地址已确定，其汽轮机工作的排气比焓hs、凝结水比焓hc，系数Kzf及冷却水比热容均可以确定，将其合并为系数K1。

(2)风吹及排污损失水量Qw+Qb的计算

根据《火力发电厂水工设计规范》[2]，排污损失水量的计算公式如下：

经过公式变化可以得到：

(6)

式中：

Qb——排污损失水量，m3/h；

Qe——蒸发损失水量，m3/h；

Qw——风吹损失水量，m3/h；

N——循环浓缩倍率。

(3)工况一系统补水量Q

联立式(1)、式(5)及式(6)可得到：

(7)

式中：

Q——主机凝汽器的冷却水补给量，m3/h；

其余各符号同前。

对于一个工程项目，K1为一个定值，汽轮机的工况排气量Dc也已经确定。因此，从式(7)可以推知：工况一(W+0)时，循环冷却水系统所需的补给水量Q，仅受浓缩倍率的影响，浓缩倍率越大，所需补充水量越少。

1.2 工况二：凝汽器冷却水、辅机冷却水均进入冷却塔(W+u)

该工况下凝气器与辅机的冷却水量W+u共同在冷却塔内发生蒸发、风吹损失，系统所需的补水量为Q+q。

(1)主机凝汽器冷却水补给量Q

该部分计算同工况一式(7)，为

(2)辅机冷却水补给量q

对于辅机冷却循环水补给水量q，由于该部分水量未经过凝汽器，温升无法单独通过式(2)直接判断。应按所设计的冷却塔温差Δt(由凝汽器的水量通过式(2)推导得出)，然后根据《火力发电厂水工设计规范》分别计算出蒸发、风吹、排污三部分损失数值。仿式(7)有：

(8)

式中：

q——辅机部分的冷却水补给水量，m3/h；

u——辅机冷却循环水量， m3/h；

其余各符号同前。

(3)工况二下的系统补水量Q+q

联立式(7)及式(8)，有：

(9)

对于一个工程项目，K1为一个定值，汽轮机的工况排气量Dc也已经确定，辅机冷却水量u由设备厂家作为设计输入提供，一般不作为循环水系统的优化对象。因此，从式(9)可以推知：工况二(W+u)时，循环冷却水系统所需的补给水量Q，受浓缩倍率和凝汽器冷却水量的影响。浓缩倍率越大，所需补充水量越少；凝汽器冷却水量越大，所需补充水量越少。

2 各因素的影响程度及工程意义

2.1 循环水量对补充水量的影响

对于工况一(W+0)，从式(7)可以知道，改变循环水量对循环水系统的补水量并没有影响；而对于工况二(W+u)，增大循环倍率理论上可以起到降低补水量的作用。

以孟加拉某400MV的燃气电厂为例，采用F级燃机单轴配置，凝汽器的蒸汽量为367.56m3/h，辅机用水量为2200m3/h，进塔干球温度按35℃，浓缩倍率按3.5计算，则各冷却倍率下的补充水量如表1所示。

表1 冷却倍率与补水量关系表

补水增量为该项补给水量与60倍时补给水量的差值；

补水差值为该项补给水量与上一项补给水量的差值。

从表1可以看到，冷却倍率的增加可以使补充水量下降，但即使循环倍率从60倍增大至80倍，补充水量也仅减少10.5m3/h，且其减少的幅度(补水差值)逐渐减少，80倍与75倍循环倍率两者间的补水差值仅有2.1m3/h。

节水的主要目的是节能降耗，降低运营成本。循环倍率从60倍增大至80倍，循环水量增大7351.2m3/h，相应的循环水泵流量、循环流道尺寸等都明显需要增加，从而增大投资费用。对于实际工程而言，增加循环倍率以求减少补充水量的思路节水效果甚微，不宜采用。

2.2 浓缩倍率对补充水量的影响

由式(7)和式(9)可以看出，无论辅机冷却水是否直接进入冷却塔，增加浓缩倍率都可减少补充水量。

仍以孟加拉某400MV的燃气电厂为例，采用F级燃机单轴配置，凝汽器的蒸汽量为367.56m3/h，辅机用水量为2200m3/h(不进入冷却塔)，进塔干球温度按35℃，冷却倍率按70倍计算，则各浓缩倍率下的补充水量如表2所示。

表2 浓缩倍率与补水量关系表

补水差值为该项补给水量与上一项补给水量的差值。

从表2中可以看到，随着浓缩倍率的增加，补给水量明显下降。2～4倍范围内，提高浓缩倍率所得到节水效果显著。大于5倍之后，节水效果已经不太理想。

高浓缩倍率下，水中离子浓度大，管道及设备有被腐蚀的风险。随着材料制备成本的降低以及防腐措施的发展，对于实际的工程而言，提高浓缩倍率所产生的节水收益具有很大的潜力。

3 结论

循环冷却水系统是火力发电厂中用水量最大的系统，其节水意义重大。本文通过对现有循环水系统计算公式的推导，得出了两种工况下的理论补水影响因素：循环水量及浓缩倍率。相比于提升循环水量而引起的土建费用上升，增加浓缩倍率所获得的节水收益，更具有实际的环保经济意义。通过推导的最终公式，可以利用循环水量和浓缩倍率直观快速地判别补水量的变化。