空冷機組噴霧降溫系統的設計研究

苗建軍，趙 宸

（上海電氣斯必克工程技術有限公司，上海 200090）

0 概 述

計算電廠空冷系統的散熱面積，需按機組所處的環境溫度作為設計條件。當實際環境溫度超過該設計溫度時，空氣密度變小，空氣質量流量下降，汽輪機背壓必然升高，限制了機組帶滿負荷運行，影響發電機組的出力。為此，有必要對空冷凝汽器管束加裝度夏噴霧降溫系統（簡稱噴霧系統），以求增強酷熱季節時管束的散熱能力，提高機組的發電效率。同時，有利于凝結水精處理系統的正常投入，確保水質合格，利于機組的安全運行。

1 直接空冷噴霧降溫系統

1.1 冷卻原理

噴霧降溫冷卻具有流動、傳熱、相變傳質等多個傳熱過程，其熱力學原理的基礎是濕空氣的焓濕圖（h－d圖）。由噴嘴噴出的霧化水的作用，一是通過噴霧冷卻管束翅片，也稱增濕降溫，將霧化的除鹽水噴在空冷風機的出口或入口，提高空冷風機入口的空氣濕度，降低空氣的干球溫度，該過程中，濕空氣的焓值都在變化；二是通過蒸發冷卻，也稱強化傳熱，將霧化后的除鹽水直接送達空冷散熱器管束的迎風面，噴霧水在空冷翅片表面蒸發，吸收水蒸氣的汽化潛熱，達到強化空冷散熱器傳熱的目的。隨著水霧蒸發，濕空氣的干球溫度自然下降。當相對濕度達到100%時，這種蒸發降溫的過程即自然停止。此時，濕空氣的干球溫度達到或接近濕空氣在新的水蒸氣分壓力下的露點溫度。但在實際降溫過程中，很難將空氣的相對濕度加大到100%，在工程設計中，一般選取最大許可的相對濕度為90%。

從實踐得知，噴霧冷卻水的用量是蒸發冷卻的4倍，而蒸發冷卻比噴霧冷卻的效果更好。二者均對噴嘴的霧化效果、噴嘴位置的選取和運行控制有較高的要求。將噴霧冷卻及蒸發冷卻相結合，利用專用噴嘴將霧化水流噴入換熱管束的下方，從而提高空氣濕度降低空氣溫度，再由空冷風機將冷卻的空氣及水霧送入管束，與管束表面翅片進行蒸發熱交換，進而快速降低管束的表面溫度。

1.2 設計實例

1.2.1 設計概況

以新疆某2×350MW直冷機組的噴霧系統為例，說明設計方案的要點。

根據該機組所處的氣象條件，在夏季的極端高溫為41.6℃，而系統夏季的設計溫度為33℃，當夏季環境溫度高于33℃，在該工況下運行將不能滿足空冷系統凝結水降溫的要求。為滿足機組夏季高溫時段的運行要求，即環境溫度高于33℃時的度夏問題，設置了噴霧降溫系統。按極端最高溫度41.6℃進行噴霧系統的設計，在保證安全度夏的前提下，合理設計噴霧降溫系統，以求達到最佳霧化降溫的效果。

1.2.2 熱工設計計算

該電廠共2臺機組，每臺350MW汽輪機組共配置30個單排管空冷凝汽器單元。布置分為6列，每列有5個單元。風機單元風量為560.4m3／s，設計風速為5m／s，當風機全速運轉時，能滿足汽輪機排汽量的凝汽要求。該型汽輪機在TRL工況下的運行參數，如表1所示。

表1 汽輪機在TRL工況下的主要運行參數

對噴霧降溫冷卻進行熱力學計算的基礎，是濕空氣的焓濕圖。在機組負荷一定的情況下，噴霧系統的噴霧水量取決于空冷風機入口和空冷散熱器管束表面空氣的吸水能力。一定溫度和濕度下的空氣的干球溫度和濕球溫度差，決定了空氣可進一步吸收水分的能力。l kg干空氣（10～40℃）加濕到飽和濕空氣時的吸水能力為3.83～10.35g，l kg相對濕度為50%的空氣（干球溫度為10～40℃）加濕到飽和濕空氣時的吸水能力為1.82～4.18g。［1］

對于該機組而言，只有當環境溫度在33℃以上時才需投入噴霧系統，而噴霧水溫度一般在20～25℃，其噴水焓值與濕球溫度下水蒸氣分壓對應的飽和水焓值很接近，因此Δd／ΔT的比值反映了濕空氣噴霧用水量與降溫幅度的關系，Δd為空氣噴霧冷卻前后的含濕量差，ΔT為空氣噴霧冷卻前后的溫度差。根據空氣的冷卻幅度（空氣的吸水能力），可以確定噴霧冷卻系統的噴霧水量。

據此，噴霧前后的關系式為：

式（1）中：

D′——噴霧氣化后空氣含濕量，g／kg；

D ——噴霧氣化前空氣含濕量，g／kg；

M ——噴霧水量，t／h；

η ——氣化效率，%；

N ——風機單元總數；

G ——風機空氣質量流量kg／s。

在未進行噴霧加濕之前，當環境進風溫度為33℃、相對濕度為50%時，查設計手冊可得含濕量為15.9g／kg。

根據式（1），在使用噴霧加濕的情況下，假設氣化效率為90%，當使用噴霧水量M 達到約70t／h時，則噴霧氣化后含濕量：

由此，通過查焓濕圖，求得噴霧氣化后的進風溫度為30.50℃。

噴霧前后進風的溫降可達2.50℃，進而可得出噴霧后的排汽背壓值為28kPa，即噴霧后，排汽背壓可降低約3kPa。隨著噴霧時間的持續增加，相對濕度將增大至80%～90%，排汽背壓進一步可降至5～10kPa，機組負荷可增加15～20MW，完全滿足設計要求。

另外，系統對噴霧水的水質有一定的要求，當水質硬度在500mg／L以下，噴淋水不會在翅片上產生硬垢，如果產生鹽分沉淀也較易清除。當水質硬度超過500mg／L，噴淋后將可能產生不易去除的硬垢。因此，噴霧水應采用軟化水或除鹽水，水質的pH值為7＋0.5，噴水溫度不超過60℃。

1.2.3 技術經濟分析

按照設計要求，當環境溫度在33℃以上，機組的真空度和運行方式保持不變的情況下，投運噴霧系統后，機組負荷增加約15～20MW。設定電價為0.40元／千瓦時，除鹽水費為10元／噸，每年在夏季高溫時運行400h，機組出力增加15MW進行計算，則單臺機組的年收益為：

增加發電量：400h×15MW＝6 000MW·h

水泵電耗：400h×55kW＝22MW·h

耗水量：400h×70t／h＝28 000t

凈發電量：6 000－22＝5 978MW·h

除鹽水年耗水費：28 000t×10元＝28萬元

增加發電收入：5 978×0.40＝239.1萬元；

總收益：239.1－28＝211.1萬元／年。

1.2.4 工藝流程和主要系統設備

1.2.4.1 工藝流程

來自化學循環水處理車間的深度處理水，這種水僅次于一級除鹽水，pH值為6～7，可有效防止因噴霧降溫而使空冷散熱器外部結垢或造成腐蝕，該水儲存于除鹽水箱。當噴霧系統運行時，其流程依次經過除鹽水箱 →一次濾網 →泵前進水閥→噴淋水泵 →泵后出水閥 →噴霧主管道支管道→噴嘴 →空冷散熱器管束表面。直接空冷噴霧系統的布置，如圖1所示。

圖1 直接空冷噴霧系統主要工藝流程圖

1.2.4.2 主要系統設備

噴霧系統由噴淋水泵組、管路、噴霧裝置、電氣控制等四個部分組成，每臺機組的噴霧系統均為獨立系統。

噴淋水泵組由進水手動球閥、多級水泵、進出口管道等組成。多級水泵安裝在泵房內，進水口與除鹽水箱相連，在進水管路上，配置DN100進水不銹鋼管道、DN100手動球閥、DN100Y型過濾器。在多級水泵出水管路上配置DN100手動球閥、止回閥和電動調節閥。

噴霧系統的管道部分，包括了多級水泵出口處連接的DN100管道、沿立柱豎直接入空冷凝汽器平臺的主管道、在平臺上橫向安裝1根DN100的主管道。在橫向管道上，每座A型架處安裝1只三通，將三通連接在DN65手動球閥之后，再連接DN65電動球閥。在每列A型架內部，安裝了分支管路，每臺機組共設6組分支管路。

噴霧裝置安裝于每根分支管路上，每臺機組噴淋分支管路為6組，同時運行。1臺空冷風機上安裝4路噴淋分管路，在每個噴淋分支管路上安裝8只專用霧化噴嘴。布置噴嘴時，布置距離管束不能太近，經測試，距管束約500mm為佳。距離太近，易使管束翅片結垢和腐蝕；如距離太遠，達不到增濕降溫的目的。考慮噴嘴可能被堵塞，在噴嘴內設有二次濾網。當水壓不足時，水的霧化效果較差，所以，還在噴嘴內設有水壓逆止門，當水壓達到設計值時，水才以霧化形式噴出。噴嘴是噴霧降溫系統的關鍵部件，其性能直接影響整個系統的降溫效果。對噴嘴的基本要求是：噴霧效果好，噴水量省，噴射角大，噴射面積大，不易堵塞。［2］

通過試驗表明，螺旋圓錐實心噴嘴的噴霧效果較好，不僅解決了噴孔堵塞的問題，而且噴射角度大、射程遠、穿透力強、重量輕，且一次性投資較低，是較理想的噴嘴型式。

系統控制裝置具有就地手動操作和遠控操作功能。2臺機組配置1套程控柜，可實現噴霧水泵的啟停控制。泵前和泵后設置了壓力表，用于監測泵前和泵后的進出水壓力。在泵的出口處設置電動調節閥，可根據實際情況調節噴霧水的流量。在電動閥之后配置壓力變送器和流量計，其信號進入中央集控室的DCS系統，實現對噴淋水壓力和流量的監控，一旦出現異常，立即停泵。

此外，為提高系統的自動化程度，電廠可通過水泵的MCC柜實現DCS遠程控制。當水泵運行電流過大時，水泵的故障報警信號反饋至DCS，發出指令自動停止泵的運行。因此，運行時可無人值守，故障時能即時反饋信號。

2 間接空冷噴霧降溫系統

2.1 冷卻原理

當環境溫度較高時，利用布置在空冷塔冷卻三角百葉窗內的噴嘴，使水以霧化的形式噴淋在空冷塔散熱器的進風側，借助塔內外的壓差和微風的作用，水霧滴液在百葉窗內旋轉前進，霧化后的小水滴與空氣直接進行熱交換，降低了散熱器入口空氣干球溫度至設計點溫度。而且，噴至散熱器翅片上的小水滴，還將與翅片直接進行換熱，小水滴在散熱器表面的蒸發吸熱，加強了散熱器的換熱效率。

通過水的霧化作用，降低了循環冷卻水溫，達到了提高機組出力的目的。

2.2 設計實例

2.2.1 設計概況

以山西某間冷項目2×350MW空冷機組噴霧系統為例。該機組采用表凝式間接空冷系統，每臺機組汽動給水泵的小機排汽進入主機表凝式間接空冷系統進行冷卻。2機組共用一座自然通風冷卻塔（即兩機一塔），循環水系統采用單元制。空冷散熱器垂直布置在空冷塔外圍，2機組的冷卻扇為交錯布置。

鑒于空冷機組安全度夏是個非常嚴峻的問題。經測算，在夏季極端高溫時，環境溫度已超過TRL工況的設計溫度（32.5℃），已不能滿足系統對循環冷卻水降溫的要求，限制了機組帶滿負荷運行，機組負荷將由350MW被迫降至340MW，如果環境溫度繼續升高，機組的負荷將被限制在更低的范圍內。當環境溫度高于32.5℃，啟用噴霧系統，是解決機組安全度夏較理想的方法。

2.2.2 熱工設計計算

（1）設計要求

根據該地的氣象信息，夏季的極端高溫40℃，凝結水溫度最高達73℃，機組的最高背壓將達36 kPa，遠超出夏季工況下的設計背壓（30kPa）。在夏季TRL工況下，大氣溫度為30℃，相對濕度為70.8%，大氣壓力為919.9hPa，距離空冷塔零米地面上方10m處的風速為2.3m／s（測點距離空冷塔外界凈距20～40m的開闊地帶）。此時，每臺機組循環水量為37 100m3／h，空冷塔循環水的進水溫度為64.3℃，出水溫度不大于53.1℃。噴霧降溫系統設計要求滿足冷卻水量為2×37 100m3／h，計算所得的散熱量為878.469MW。

（2）空冷塔的排風空氣質量流量的計算

根據該地區夏季室外空調設計的氣象條件，當干球溫度為32.5℃時，可計算迎面風速為2.3m／s的空冷塔進風空氣流量。

該空冷塔共有160個冷卻三角，每個冷卻三角迎風面的長度為L＝2 000mm，高度為h＝26 000 mm。

計算迎風面積A為：

10m高處的環境風速為2.3m／s，計算空冷塔的進風空氣質量流量：

式（2）中：

G——空冷塔的進風空氣質量流量，kg／s；

ρ——空氣密度，取1.2kg／m3；

v——環境風速，m／s；

A ——迎風面積，m2。

（3）噴霧后進塔熱平衡計算

噴霧降溫過程為等焓降溫過程。按照等焓加濕的原理，由于噴霧熱濕交換區域的面積較小，采用該地區夏季設計室外空調的氣象參數，1kg干球溫度32.5℃，相對濕度為65%。設定空氣經過噴霧降溫后被等焓加濕的相對濕度為80%，相應地，經過噴霧降溫處理后，空氣溫度t2為25.6℃，有熱平衡公式為：

式（3）中：

Cpa——空氣比熱，取1.01kJ／kg.℃；

G ——空冷塔的進塔空氣質量流量，kg／s；

t1——噴霧前空氣溫度，℃；

t2——噴霧后空氣溫度，℃；

M ——噴霧水量，t／h；

γ——水的汽化潛熱，取2 500kJ／kg·℃。

根據式（3），代入數據計算噴霧水量M：

計算得噴霧水量 M＝64.1（kg／s）≈230（t／h）。

2.2.3 設計方案

優選設計方案的原則，是在不增加總投資的情況下，對噴霧水量和水壓進行優化，盡量減少噴霧耗水量及噴霧泵的耗電量。根據該項目的實際情況，從技術與經濟運行等方面考慮，設計了2個可選方案，如表2所示。

表2 間冷噴霧降溫系統設計方案對比表

從表2可知，間冷系統為自然通風，過流風速低，水轉換成水蒸汽的效率很低，約在60%，如采用低壓噴霧方式，則不利于節水。同時，大顆粒水粒滯留在管束翅片表面，容易引起積垢，長期使用后，積垢增加會影響換熱性能。此外，針對該項目，若采用低壓噴霧方式，則需要除鹽水量230t／h以上，該電廠的除鹽水產量無法滿足此要求。綜合考慮后，采用高壓噴霧方式是較理想且可行的解決方案。

2.2.4 技術經濟分析

（1）節能減損

通過噴霧降溫系統，可提高空冷塔散熱器進風側的換熱性能，降低循環冷卻水進出口溫度，增加機組出力和發電量，降低單位能耗。

（2）提高效益

對于1臺350MW的空冷機組，日投入運行5～6h，耗水量約為50～60t／h。可采用電廠現有的除鹽水系統，例如鍋爐給水、循環冷卻水等，這樣可節省初期投資，且降低了運行成本。噴霧系統的初投資可在2～3年收回。

2.2.5 工藝流程和主要系統設備

2.2.5.1 工藝流程

噴淋水源取自空冷塔內循環水管道的冷卻水，由噴淋水泵將噴霧水升壓后，通過噴霧水的環形主管道送至各扇區，噴霧支管與環形管道相連，在散熱器百葉窗內的每層支管上，布置4只高壓微細霧化噴嘴，霧化噴嘴內配濾網。噴淋水以霧化的形式噴至空冷散熱器的進風側，借助塔內外的壓差和微風的作用，水霧在百葉窗內旋轉前進，產生了降溫增濕和強化傳熱的效果，從而降低了循環水溫度，達到了提高機組發電出力目的。間接空冷機組噴霧系統的工藝流程，如圖2所示。

2.2.5.2 主要系統設備

高壓噴霧降溫系統由高壓噴淋水泵站、噴霧主管道及其分支管道、噴霧裝置、電氣控制等四部分組成。噴淋水泵具有性能可靠、高壓揚程遠、便于安裝等特點。水泵出口壓力5.5MPa，流量為60m3／h，水泵控制柜設置在水泵附近。噴淋泵的出口處設置有DN100止回閥和手動閘閥各1只，進口處設置DN150手動閘閥和過濾器各1只。將噴淋水從循環水系統引出，1只泵對應1個進水管（設置有底閥）。1條供水管道連接2臺噴淋泵，在2臺水泵出口處各接有DN100手動閥門，管道經手動閥門后再合并成一路，然后接入圍繞塔內部的DN100環管。在各單元相應位置引出支管與冷卻三角內噴霧裝置連接，各單元支管上分別安裝有DN40閘閥1只。在每個扇區位置，引出支管，布置于每個立面底部。最后引出的噴嘴分支管路，在分支管路上連接噴嘴。在每個分區主管路上安裝手動球閥，用于隔離6個分區的噴霧管路。每2個扇區設置1個分區。當氣溫不是很高時，可過分區操作，只開南部分區的噴霧裝置，當氣溫較高時，可全開2～6個分區內所有噴霧裝置。

噴嘴經優化設計后，采用了自帶濾網式高效空心錐形霧化噴嘴，噴嘴出口的霧化顆粒度小，一般在20μm以下，霧化效果比較理想。

2臺水泵共用1套控制柜，用于控制水泵的啟停，為了與相關系統互聯，預留了DCS接口，通過電廠中央集控室，實現遠程監控泵的啟停、故障報警、超壓保護等功能。

圖2 間接空冷噴霧系統主要工藝流程圖

3 設計方案的比較

通過對直接空冷機組和間接空冷機組不同應用方式的分析和比較，優選了較理想的設計方案。

（1）空冷機組配置了噴霧降溫系統，實際上是將干式冷卻節水的優點與濕式冷卻降溫效果好的優點有效地結合起來，提高了空冷系統的換熱能力，是實現空冷機組安全度夏的有效途徑和措施。同時，也不會影響電廠的正常生產，對環境沒有造成不利影響。

（2）由于噴霧降溫冷卻的原理是基于濕空氣的物理特性，故在相對濕度越小、越干旱的地區使用該噴霧系統，則降溫幅度越大，效果越明顯。

（3）噴霧水量的選取不僅與空冷島（塔）進風量、噴霧前后的進風環境溫度有關，而且與噴淋后的水膜厚度、噴霧泵的壓力和功率都有密切的關系。噴霧水量的計算和選取要合適，噴霧水量過小，則無法滿足噴霧系統降溫冷卻的需要，選值過大，會降低噴霧水膜的換熱效率，同時不利于節能和節水。

（4）直接空冷散熱器管束直接暴露在日光下，使用噴霧系統降溫系統，增強蒸發冷卻的效果十分明顯。間接空冷的散熱器管束依賴自然通風進行散熱，由于散熱器管束處于空冷塔內，太陽光被塔身和百葉窗遮擋，噴霧后的蒸發冷卻效果，不如直接空冷的噴霧降溫效果。但對于間接空冷機組，如采用高壓噴霧系統，增強小水滴的霧化，可顯著提高噴霧降溫的效果。

4 設計方案的確定

確定噴霧降溫系統設計方案時，需綜合考慮空冷系統的整體工藝流程、結構設計、電氣控制的設置等因素，因此，在確定實施噴霧系統方案之前，還需要重點解決某些方面的問題。

（1）需解決噴淋水源的問題，目前，大部分散熱器管束采用鋁管鋁翅片，故要求用二級除鹽水作為噴淋水，pH值7為宜，且不能有雜質，否則易造成換熱管束和翅片結垢等不利影響。如果噴霧系統連續運行5～6h，每臺機組約需50～100m3／h的除鹽水供水量，還需考慮貯水能力和存放容積。

（2）需解決噴霧水泵的安裝位置和電源，對于間冷機組，還需要確認塔內有布置噴淋泵的安裝位置。

（3）需解決噴霧管道分支管路在空冷散熱器內安裝和固定點的問題。

（4）噴霧系統在運行中需進行排水。在設計時，應在噴霧管道的最低點，設置排水閥或與空冷系統的排水溝渠相連通。

5 結 語

夏季過后，噴霧降溫系統不再使用，為保證系統在冬季不被凍壞，需做好越冬準備工作。應關閉噴霧系統水箱的總進水閥，打開噴霧系統內所有的手動閥門及排水閥，排空系統管路內的余水，然后，再關閉全部的手動閥門，確認準備過冬的各個步驟已完成。