類直流冷卻水系統在熱電廠的工程應用★

袁 杭，楊貴盛，葛勇建，洪乾坤，賈彬杰，孫雨卉

(1.中國聯合工程有限公司,浙江 杭州 310052; 2.浙江同濟科技職業學院,浙江 杭州 311231)

0 引言

熱電廠在生產過程中往往會產生大量的熱量,為保證生產設備安全運行,常采用水作為冷卻介質對設備進行冷卻。水的冷卻系統分為直流式和循環式兩種,因環保等因素的限制,絕大部分熱電廠均采用循環冷卻水系統,其中又以冷卻塔為冷卻構筑物的循環冷卻水系統應用最多。

然而,循環冷卻水系統中的冷卻構筑物占地面積較大,且會產生一定的循環水排污水,不僅不節水,而且也不利于熱電廠廢水零排放的達成。為了達到節水和減少排污量的目的,往往采用提高循環水濃縮倍數的方法。但是,當循環水濃縮倍數提高后,因含鹽量的提高易導致設備的腐蝕和結垢[1]。為了減少對設備腐蝕的影響和保證循環水系統內水質的穩定,常采取向循環水系統加酸、阻垢劑、緩蝕劑等方式[2],此舉相應的增加了循環水系統運行的藥耗成本。此外,以冷卻塔為冷卻構筑物的循環冷卻水系統,無論常規自然通風冷卻塔還是機械通風冷卻塔進風口處的噪聲均接近于82 dB(A)～86 dB(A),是最為顯著的噪聲源,尤其對于城市熱電廠,需投資數千萬降噪費用以使得廠界噪聲滿足環評要求[3]。且冷卻塔的建造、運行、維護都會產生較大的費用。

基于此,結合熱電廠冷卻水量小、鍋爐補給水量大的特點。本文提出類直流冷卻水系統,并運用于工程實踐中。類直流冷卻水系統因無需設置冷卻塔,節省了大量的建造、運行成本,而且亦無噪聲污染。更為重要的是,相較于循環冷卻水系統,此系統無循環水排污水,使得熱電廠廢水零排放的目標更易達成,也更加地節水。此外,類直流冷卻水系統可以有效利用熱電廠設備生產過程中的廢熱,對化水站補水進行加熱,從而提高膜處理設備的膜通量和離子交換樹脂的處理能力。

1 項目概況

本項目為擴建工程,擴建裝機規模為2臺180 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐配1臺35 MW抽氣背壓式汽輪發電機組,向紹興濱海工業園區內印染企業供熱。

1.1 供水水源

本項目所在的濱海工業園區已實行生活用水和工業用水的分質供水,生活用水和工業用水分別以小舜江和荷湖江為水源,由濱海供水有限公司分別加壓供至濱海工業區園內,工業用水水質滿足循環水以及化水原水水質要求。本項目工業用水取自市政工業水管網,市政自來水作為工業用水備用水源。市政工業水送至混水池,部分冷卻水回水與市政工業水在混水池混合后作為冷卻水以及化水站補水。

1.2 用水量

本期工業用水主要包括汽機冷油器冷卻水、空冷器冷卻水、空壓站冷卻水、汽機給水泵冷卻水、脫硫設備冷卻水、鍋爐各風機冷卻水、濕電冷卻水、脫硫工藝用水以及化水站補水。各用水量詳見表1,其中化水站補水為本期和往期總用水量。

1.3 水量平衡

如圖1水量平衡及圖2類直流冷卻水系統圖所示,市政工業水補水量為1 036.5 m3/h,工業水補至混水池前端,混水池出水至冷卻水泵和化水供給水泵公共吸水池內。冷卻水泵供各設備冷卻用水和部分脫硫系統用水,總用水量為769.1 m3/h,其中一次風機、二次風機、引風機、脫硫設備及濕電冷卻水復用為脫硫系統用水。另一部分冷卻水(總水量732.6 m3/h),即冷油器、空冷器、汽機給水泵及空壓站冷卻水回至混水池前端和市政工業水充分混合,混合后的冷水由化水供給水泵送至化水站處理作為鍋爐補給水,其中化水站補水往期加本期總共為1 000 m3/h,往期和本期化水站補水均由本期化水供給水泵供水。

2 工作原理

2.1 原理闡述

如圖2所示,冷卻水泵(2用1備)從混水池內取水作為空壓站、汽機給水泵、空冷器、冷油器、濕電、脫硫設備、引風機、一次風機、二次風機等用水點的冷卻用水。其中濕電、脫硫設備、一次風機、二次風機、引風機等設備冷卻后的升溫水直接作為脫硫系統的工藝用水。另外空壓站、汽機給水泵、空冷器、冷油器等設備冷卻后的升溫水回至混水池,與混水池的市政工業水補水充分混合,使得升溫水溫度下降。混水池內的水一部分作為冷卻水繼續對設備進行冷卻,另一部分經化水生產水泵(2用1備)提升后,作為化水系統原水,用以制備鍋爐補給水。混水池內最終溫度是本系統能維持穩定運行的關鍵,為了驗證本系統能穩定運行,以下將采用2種方法對混水池內最終溫度進行論證。

表1 各用水點工業用水量

2.2 混水池溫度計算

經與當地自來水公司確認,以地表水為水源的市政水夏季供水溫度不超過25 ℃,本工程市政工業水補水溫度以25 ℃計算,循環水冷卻水回水以10 ℃溫升計,且不計混水池內水面冷卻作用散失的熱量。

2.2.1 數學歸納法

混水池內初始水溫:T0=25 ℃;

第一次冷卻水回水與工業水補水充分混合后混水池內水溫T1見式(1),式(2):

Q工補×T0+Q冷回×(T0+10)=(Q化補+Q冷給)×T1

(1)

(2)

其中,Q工補為混水池工業水補水量,m3/h;Q冷回為冷卻水回水量,m3/h;Q化補為化水站補水量,m3/h;Q冷給為冷卻水給水量,m3/h。

同理,第二次冷卻水回水與工業水補水充分混合后混水池內水溫T2見式(3):

(3)

易推導得,第n次和第n-1次冷卻水回水與工業水補水充分混合后混水池內水溫Tn及Tn-1見式(4)—式(6):

(4)

Tn-1=18.788+0.414Tn-2

(5)

?Tn-Tn-1=0.414(Tn-1-Tn-2)

(6)

由式可知,Tn-Tn-1為等比數列,因此:

Tn-Tn-1=0.414n-1(T1-T0)=0.414n-1×4.14

(7)

由此可得,

T1-T0=4.14
T2-T1=0.414×4.14
T3-T2=0.4142×4.14
?
Tn-1-Tn-2=0.414n-2×4.14
Tn-Tn-1=0.414n-1×4.14。

將以上所有式子相加得式(8),式(9):

(8)

?Tn=7.06×(1-0.414n)+25

(9)

2.2.2 熱量平衡法

由熱量平衡可知,本系統中的混水池水溫將趨于穩定。設混水池內最終溫度為T,由進入混水池的熱量等于流出混水池的熱量可得式(10):

Q工補×25+Q冷回×(T+10)=(Q化補+Q冷給)×T

(10)

?1 036.5×25+732.6×(T+10)=

(1 000+769.1)×T?T=32.06 ℃

由計算可知,熱量平衡法和數學歸納推理法計算所得混水池水溫是一致的,進一步表明本系統混水池水溫將穩定在32.06 ℃。由此可見,類直流冷卻水系統是一種可靠、經濟、節能、節水的技術措施,而且還可通過回收廢熱的方式提高除鹽水系統的出力。

3 經濟效益分析

如本工程采用設置2座Q=500 m3/h,N=15 kW的機械通風冷卻塔,在濃縮倍數取4的情況下,循環水補水量約為15.6 m3/h。機組年利用小時數按8 000 h,電價按0.65元/(kW·h),工業用水水價按1.00 元/m3計。則機械通風冷卻塔和類直流冷卻水系統的經濟效益對比詳見表2,表3。

由表2,表3可知,設置冷卻塔相比類直流冷卻水系統固定投資增加80萬元,每年運行費用多33.1萬元。此外,在濃縮倍數取4的情況下,類直流冷卻水系統相比設置冷卻塔每年少排25 600 m3循環水排污水。不僅節省一筆循環水排污費用,而且有利于項目廢水零排放的實施。另一方面,類直流冷卻水系統能夠有效地利用廢熱對化水站補水進行加熱,有利于提高膜處理系統和離子交換系統的處理能力,因此類直流冷卻水系統在一定程度上實現了節約能源和回收廢熱的作用。

表2 固定投資對比

表3 運行費用對比

4 結論

將冷卻水回水和工業水補水混合后的冷水作為冷卻水給水和化水站補水的類直流冷卻水系統具有如下優點:

1)無需設置冷卻塔等冷卻構筑物,節省了工程投資及運行費用。

2)無風吹損失、蒸發損失、排污損失等,節約了用水,且無循環水排污水,對熱電廠的節水設計及廢水零排放有重大意義。

3)相比于以冷卻塔為冷卻構筑物的循環水系統,本系統無噪聲污染。

4)能對生產過程中的廢熱進行利用,具有一定的能量回收作用。

由此可見,在未來節水、節能、廢水零排放的要求進一步提高的情況下,類直流冷卻水系統有著廣闊的應用前景。