火力發(fā)電廠二次循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水理論分析

郭銳敏

(中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

火力發(fā)電廠是工業(yè)用水大戶，根據(jù)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的要求，電廠節(jié)水已成為一項(xiàng)重要的技術(shù)原則。2002年電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院在國(guó)產(chǎn)第一個(gè)600MW超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了濕冷機(jī)組污廢水零排放，這一節(jié)水思想貫徹至今，成為火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)的一項(xiàng)常規(guī)[1]。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是整個(gè)火力發(fā)電廠中用水量最大的系統(tǒng)，根據(jù)已有工程的水量平衡圖計(jì)算，其用水量可占全廠總用水量的70%～90%，機(jī)組規(guī)模越大，耗水量百分比越大?？梢姡撓到y(tǒng)有著重大的節(jié)水意義。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的組成可以簡(jiǎn)單地概括為循環(huán)水泵、冷卻對(duì)象(凝汽器等)、冷卻塔、冷卻水池以及冷卻管道。循環(huán)水在流經(jīng)上述設(shè)備或構(gòu)筑物期間，會(huì)產(chǎn)生損耗。水量損失主要來自3個(gè)方面：風(fēng)吹損失、蒸發(fā)損失和排污損失。

循環(huán)水在冷卻塔內(nèi)淋灑降落時(shí)，會(huì)產(chǎn)生風(fēng)吹損失，按照《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5339-2006)[2]，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔損失率為0.1%，自然塔為0.05%。

循環(huán)水在冷卻塔內(nèi)與冷空氣交換時(shí)會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)損失，蒸發(fā)損失率受進(jìn)塔氣溫以及循環(huán)水溫差的影響。帶走同等的熱量，循環(huán)水量越大，其溫差越小，蒸發(fā)損失率越低，但最終的損失水量卻未必減少，反之亦然。蒸發(fā)損失水量的判斷，并不直觀。

隨著水量蒸發(fā)損失，循環(huán)水內(nèi)的離子濃度將會(huì)逐漸升高，過高的離子濃度使得管道設(shè)備發(fā)生腐蝕損害。為保證設(shè)備安全，需要定期對(duì)外排放一部分水量，并補(bǔ)入新水，使得水中的離子濃度維持在管道設(shè)備可接受的范圍，此為排污損失。排污損失的水量受到蒸發(fā)損失和風(fēng)吹損失的影響(風(fēng)吹損失也可以看作是一種水量排放)，需要通過上述兩種損失的計(jì)算，才能推求其量。

上述3種損失中，除了風(fēng)吹損失率由規(guī)范直接限定，其余兩者均可以由設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。在具體工程中繪制水量平衡圖時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往是通過水文氣象數(shù)據(jù)逐一計(jì)算出上述水量損失，疊加總和作為循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量。當(dāng)需要調(diào)整水量時(shí)，再次重新計(jì)算各個(gè)分量。如上文所述，各個(gè)參數(shù)間可能相互制約，無法直觀地判斷其對(duì)補(bǔ)水量的影響。已有文章提出提高濃縮倍率是一個(gè)節(jié)水方向[3]，但主要是根據(jù)火電廠的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。基此，筆者嘗試從理論計(jì)算出發(fā)，探尋各種工況下，對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水量造成影響的因素。

1 理論推導(dǎo)補(bǔ)充水量的影響因素

火力發(fā)電廠中，冷卻塔內(nèi)的冷卻水量主要由兩個(gè)部分組成：凝汽器冷卻用水和輔機(jī)冷卻用水。為方便后續(xù)推導(dǎo)，現(xiàn)將各水量定義如下：

凝汽器的循環(huán)冷卻水量為W；

補(bǔ)充水量為Q；

輔機(jī)的循環(huán)冷卻水量為u，補(bǔ)充水量為q。

根據(jù)輔機(jī)冷卻水量是進(jìn)入冷卻塔，還是直接進(jìn)入冷卻水池，以下分兩種工況進(jìn)行討論。

1.1 工況一：凝汽器冷卻水進(jìn)入冷卻塔，輔機(jī)冷卻水直接進(jìn)入冷卻水池(W+0)

輔機(jī)冷卻水約為總水量的5%～8%(機(jī)組越大，百分比越小)，考慮到其所占總水量百分小且直接融入池內(nèi)已冷卻的低溫循環(huán)水中，認(rèn)為這部分水量u幾乎無損失。因此，該工況下只有主機(jī)凝氣器的冷卻水量W在冷卻塔內(nèi)發(fā)生蒸發(fā)、風(fēng)吹損失，系統(tǒng)所需的補(bǔ)水量為Q+0(此時(shí)q=0)。

系統(tǒng)所需的補(bǔ)水量等值于冷卻塔的損失水量。根據(jù)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，有：

Q=Qe+Qw+Qb

(1)

式中：

Qe——蒸發(fā)損失水量，m3/h；

Qw——風(fēng)吹損失水量，m3/h；

Qb——排污損失水量，m3/h。

(1)蒸發(fā)損失水量Qe的計(jì)算

①蒸發(fā)損失率

根據(jù)《電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]，凝汽器的熱平衡方程式如下：

Dc(hs-hc)=WcwΔt

(2)

式中：

Dc——凝汽器蒸汽負(fù)荷，kg/s；

hs——汽輪機(jī)排氣比焓，J/kg；

hc——凝結(jié)水比焓，J/kg；

W——凝汽器冷卻水量，kg/s；

cw——冷卻水比熱容，4187J/(kg·℃)；

Δt——冷卻水進(jìn)、出口溫差，℃。

根據(jù)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，蒸發(fā)損失水量的計(jì)算公式如下：

Pe=KzfΔt

(3)

式中：

Pe——蒸發(fā)損失水率，%；

kzf——系數(shù)，根據(jù)進(jìn)塔氣溫確定，1/℃；

Δt——循環(huán)冷卻水溫差，℃。

由于在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，凝汽器中水的溫升應(yīng)與冷卻塔中的溫降相等，因此聯(lián)立式(2)及式(3)可得到：

(4)

②蒸發(fā)損失水量

(5)

式中：

Qe——蒸發(fā)損失水量，m3/h；

K1——系數(shù)，對(duì)于一個(gè)工程，汽輪機(jī)參數(shù)及電廠地址已確定，其汽輪機(jī)工作的排氣比焓hs、凝結(jié)水比焓hc，系數(shù)Kzf及冷卻水比熱容均可以確定，將其合并為系數(shù)K1。

(2)風(fēng)吹及排污損失水量Qw+Qb的計(jì)算

根據(jù)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，排污損失水量的計(jì)算公式如下：

經(jīng)過公式變化可以得到：

(6)

式中：

Qb——排污損失水量，m3/h；

Qe——蒸發(fā)損失水量，m3/h；

Qw——風(fēng)吹損失水量，m3/h；

N——循環(huán)濃縮倍率。

(3)工況一系統(tǒng)補(bǔ)水量Q

聯(lián)立式(1)、式(5)及式(6)可得到：

(7)

式中：

Q——主機(jī)凝汽器的冷卻水補(bǔ)給量，m3/h；

其余各符號(hào)同前。

對(duì)于一個(gè)工程項(xiàng)目，K1為一個(gè)定值，汽輪機(jī)的工況排氣量Dc也已經(jīng)確定。因此，從式(7)可以推知：工況一(W+0)時(shí)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)所需的補(bǔ)給水量Q，僅受濃縮倍率的影響，濃縮倍率越大，所需補(bǔ)充水量越少。

1.2 工況二：凝汽器冷卻水、輔機(jī)冷卻水均進(jìn)入冷卻塔(W+u)

該工況下凝氣器與輔機(jī)的冷卻水量W+u共同在冷卻塔內(nèi)發(fā)生蒸發(fā)、風(fēng)吹損失，系統(tǒng)所需的補(bǔ)水量為Q+q。

(1)主機(jī)凝汽器冷卻水補(bǔ)給量Q

該部分計(jì)算同工況一式(7)，為

(2)輔機(jī)冷卻水補(bǔ)給量q

對(duì)于輔機(jī)冷卻循環(huán)水補(bǔ)給水量q，由于該部分水量未經(jīng)過凝汽器，溫升無法單獨(dú)通過式(2)直接判斷。應(yīng)按所設(shè)計(jì)的冷卻塔溫差Δt(由凝汽器的水量通過式(2)推導(dǎo)得出)，然后根據(jù)《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》分別計(jì)算出蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污三部分損失數(shù)值。仿式(7)有：

(8)

式中：

q——輔機(jī)部分的冷卻水補(bǔ)給水量，m3/h；

u——輔機(jī)冷卻循環(huán)水量， m3/h；

其余各符號(hào)同前。

(3)工況二下的系統(tǒng)補(bǔ)水量Q+q

聯(lián)立式(7)及式(8)，有：

(9)

對(duì)于一個(gè)工程項(xiàng)目，K1為一個(gè)定值，汽輪機(jī)的工況排氣量Dc也已經(jīng)確定，輔機(jī)冷卻水量u由設(shè)備廠家作為設(shè)計(jì)輸入提供，一般不作為循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)象。因此，從式(9)可以推知：工況二(W+u)時(shí)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)所需的補(bǔ)給水量Q，受濃縮倍率和凝汽器冷卻水量的影響。濃縮倍率越大，所需補(bǔ)充水量越少；凝汽器冷卻水量越大，所需補(bǔ)充水量越少。

2 各因素的影響程度及工程意義

2.1 循環(huán)水量對(duì)補(bǔ)充水量的影響

對(duì)于工況一(W+0)，從式(7)可以知道，改變循環(huán)水量對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的補(bǔ)水量并沒有影響；而對(duì)于工況二(W+u)，增大循環(huán)倍率理論上可以起到降低補(bǔ)水量的作用。

以孟加拉某400MV的燃?xì)怆姀S為例，采用F級(jí)燃機(jī)單軸配置，凝汽器的蒸汽量為367.56m3/h，輔機(jī)用水量為2200m3/h，進(jìn)塔干球溫度按35℃，濃縮倍率按3.5計(jì)算，則各冷卻倍率下的補(bǔ)充水量如表1所示。

表1 冷卻倍率與補(bǔ)水量關(guān)系表

補(bǔ)水增量為該項(xiàng)補(bǔ)給水量與60倍時(shí)補(bǔ)給水量的差值；

補(bǔ)水差值為該項(xiàng)補(bǔ)給水量與上一項(xiàng)補(bǔ)給水量的差值。

從表1可以看到，冷卻倍率的增加可以使補(bǔ)充水量下降，但即使循環(huán)倍率從60倍增大至80倍，補(bǔ)充水量也僅減少10.5m3/h，且其減少的幅度(補(bǔ)水差值)逐漸減少，80倍與75倍循環(huán)倍率兩者間的補(bǔ)水差值僅有2.1m3/h。

節(jié)水的主要目的是節(jié)能降耗，降低運(yùn)營(yíng)成本。循環(huán)倍率從60倍增大至80倍，循環(huán)水量增大7351.2m3/h，相應(yīng)的循環(huán)水泵流量、循環(huán)流道尺寸等都明顯需要增加，從而增大投資費(fèi)用。對(duì)于實(shí)際工程而言，增加循環(huán)倍率以求減少補(bǔ)充水量的思路節(jié)水效果甚微，不宜采用。

2.2 濃縮倍率對(duì)補(bǔ)充水量的影響

由式(7)和式(9)可以看出，無論輔機(jī)冷卻水是否直接進(jìn)入冷卻塔，增加濃縮倍率都可減少補(bǔ)充水量。

仍以孟加拉某400MV的燃?xì)怆姀S為例，采用F級(jí)燃機(jī)單軸配置，凝汽器的蒸汽量為367.56m3/h，輔機(jī)用水量為2200m3/h(不進(jìn)入冷卻塔)，進(jìn)塔干球溫度按35℃，冷卻倍率按70倍計(jì)算，則各濃縮倍率下的補(bǔ)充水量如表2所示。

表2 濃縮倍率與補(bǔ)水量關(guān)系表

補(bǔ)水差值為該項(xiàng)補(bǔ)給水量與上一項(xiàng)補(bǔ)給水量的差值。

從表2中可以看到，隨著濃縮倍率的增加，補(bǔ)給水量明顯下降。2～4倍范圍內(nèi)，提高濃縮倍率所得到節(jié)水效果顯著。大于5倍之后，節(jié)水效果已經(jīng)不太理想。

高濃縮倍率下，水中離子濃度大，管道及設(shè)備有被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。隨著材料制備成本的降低以及防腐措施的發(fā)展，對(duì)于實(shí)際的工程而言，提高濃縮倍率所產(chǎn)生的節(jié)水收益具有很大的潛力。

3 結(jié)論

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是火力發(fā)電廠中用水量最大的系統(tǒng)，其節(jié)水意義重大。本文通過對(duì)現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算公式的推導(dǎo)，得出了兩種工況下的理論補(bǔ)水影響因素：循環(huán)水量及濃縮倍率。相比于提升循環(huán)水量而引起的土建費(fèi)用上升，增加濃縮倍率所獲得的節(jié)水收益，更具有實(shí)際的環(huán)保經(jīng)濟(jì)意義。通過推導(dǎo)的最終公式，可以利用循環(huán)水量和濃縮倍率直觀快速地判別補(bǔ)水量的變化。