直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在國(guó)外某火力發(fā)電廠主廠房通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

石成君

中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司

0 工程概況

本工程為印度東北部賈坎德邦（Jharkhand）的某火力發(fā)電廠，建設(shè)2×800MW超超臨界燃煤機(jī)組。主廠房為火力發(fā)電廠主體建筑物，汽輪機(jī)、除氧器及主要工藝設(shè)備、管道均在主廠房?jī)?nèi)布置，大量熱量散發(fā)在室內(nèi)。由于主廠房?jī)?nèi)根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及室內(nèi)溫濕度要求，主廠房區(qū)域一般設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)本項(xiàng)目當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象條件及主廠房?jī)?nèi)設(shè)備和管道散熱量較大的特點(diǎn)，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性和可行性，在傳統(tǒng)自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)方案中選擇直接蒸發(fā)冷卻通風(fēng)的方案，可以有效降低通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)量及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備容量，并保證廠房?jī)?nèi)的溫濕度要求。

1 直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

直接蒸發(fā)冷卻是一種水與空氣直接接觸的熱濕交換過(guò)程，由于水的蒸發(fā)，空氣不斷地把自身的顯熱傳遞給水，同時(shí)空氣中的含濕量增加，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，從而得以降溫。對(duì)于空氣，這是一個(gè)降溫、加濕的過(guò)程，整個(gè)熱濕交換過(guò)程中空氣的焓值基本不變。目前，直接蒸發(fā)冷卻主要有以下幾種形式：滴水填料式直接蒸發(fā)冷卻，常用有機(jī)、無(wú)機(jī)和金屬填料；噴淋式直接蒸發(fā)冷卻，主要有噴水室直接蒸發(fā)冷卻和高壓噴霧（微霧）直接蒸發(fā)冷卻[1]。

直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，特別在發(fā)電廠應(yīng)用領(lǐng)域，已有較多的實(shí)際工程案例。馮衛(wèi)東對(duì)直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)在三門核電汽輪機(jī)廠房中的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，其提出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案有效降低了設(shè)備初投資，減少了系統(tǒng)維護(hù)工作量，進(jìn)一步提升了該系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能的潛在優(yōu)點(diǎn)[2]。劉曉峰等對(duì)某核電站常規(guī)島中的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了介紹，分析了金屬不銹鋼304填料比表面積的確定方法和填料段水過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[3]。白志剛等在直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于火力發(fā)電廠汽輪機(jī)房通風(fēng)的方案中，對(duì)采用直接蒸發(fā)冷卻和傳統(tǒng)機(jī)械制冷方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，得出直接蒸發(fā)冷卻方案運(yùn)行費(fèi)用較低，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[4]。

2 主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1.1 室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)選取

本工程位于印度地區(qū)，通風(fēng)及空調(diào)設(shè)計(jì)室外氣象參數(shù)選自ISHRAE Handbook中當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)參數(shù)。由表1可知，當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)冷卻室外計(jì)算濕球溫度值較高，按照國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)程的劃分，已經(jīng)屬于高濕度地區(qū)。由于當(dāng)?shù)厝隁鉁鼐^高，40℃以上的高溫天較為常見，且高溫季時(shí)，空氣相對(duì)濕度較低，保證主廠房?jī)?nèi)的環(huán)境溫度不至于過(guò)高，采用常規(guī)的自然或機(jī)械通風(fēng)方式顯然不能滿足要求，因此本項(xiàng)目主廠房采用蒸發(fā)冷卻通風(fēng)的方式較為合理。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)表

汽機(jī)房和除氧間的設(shè)備散熱數(shù)據(jù)參考《火力發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2-48中主廠房設(shè)備和管道的散熱量估算值選取[5]。

表2 室內(nèi)基本設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.1.2 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算

其中：L——蒸發(fā)冷卻送風(fēng)量（m3/h）；

Q——房間總冷負(fù)荷（kW）；

c——空氣定壓比熱容[kJ/(kg·K)]；

ρ——空氣密度（kg/m3）。

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的干球溫度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)確定的空氣處理過(guò)程和蒸發(fā)冷卻器的換熱效率計(jì)算確定。

根據(jù)《發(fā)電廠蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程（DL/T 5515-2016）》，直接蒸發(fā)冷卻效率的定義為：直接蒸發(fā)冷卻裝置進(jìn)出口空氣干球溫度差與進(jìn)口空氣干球溫度和濕球溫度差之比[6]。

直接蒸發(fā)冷卻裝置的蒸發(fā)冷卻效率計(jì)算如下：

其中：ηDEC——填料式直接蒸發(fā)冷卻裝置的蒸發(fā)效率；

tg1——入口空氣干球溫度（oC）；

tg2——出口送風(fēng)干球溫度（oC）；

ts1——入口空氣濕球溫度（oC）。

本項(xiàng)目選定直接蒸發(fā)冷卻效率ηDEC為90%，根據(jù)表2的房間負(fù)荷以及公式1和公式2，計(jì)算得到汽機(jī)房和除氧間的設(shè)計(jì)蒸發(fā)冷卻送風(fēng)量分別為2 086 426 m3/h和730 249 m3/h。結(jié)合主廠房的布置和相關(guān)設(shè)備資料，選擇相應(yīng)的蒸發(fā)冷卻機(jī)組和屋頂排風(fēng)機(jī)，其中排風(fēng)量按照送風(fēng)量的75%~80%選取，保證室內(nèi)正壓，多余的風(fēng)量通過(guò)廠房門窗、洞口等排至室外。主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)配置見表3。

表3 主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)配置表

本項(xiàng)目的蒸發(fā)冷卻機(jī)組主要包括以下功能段：進(jìn)風(fēng)段、初中效過(guò)濾段、蒸發(fā)冷卻段（含濕膜、循環(huán)水泵、電磁閥等）、擋水段、送風(fēng)機(jī)段及電動(dòng)風(fēng)閥等。蒸發(fā)冷卻段的濕膜采用300 mm厚度的無(wú)機(jī)材料濕膜，飽和效率為90%，耐火等級(jí)為A1級(jí)，吸水率400%，蒸發(fā)冷卻補(bǔ)給水接自廠區(qū)的生活水。

2.2 系統(tǒng)布置

根據(jù)主廠房布置形式，在汽機(jī)房0 m層A排柱外側(cè)設(shè)置4個(gè)蒸發(fā)冷卻機(jī)組設(shè)備間，室外空氣由布置于設(shè)備間外墻的防雨百葉吸入，經(jīng)蒸發(fā)冷卻機(jī)組降溫處理后，通過(guò)風(fēng)管系統(tǒng)送入汽機(jī)房各層。以5臺(tái)蒸發(fā)冷卻設(shè)備為一個(gè)送風(fēng)單元，各臺(tái)機(jī)組出風(fēng)通過(guò)送風(fēng)聯(lián)箱匯總后，經(jīng)各送風(fēng)管道分別送至汽機(jī)房0 m、8 m和16 m層，其中為避免與汽機(jī)房?jī)?nèi)工藝管道和電纜橋架碰撞，汽機(jī)房A排結(jié)構(gòu)采用雙梁的布置形式，豎向送風(fēng)管道均布置在雙梁間，各層送風(fēng)口側(cè)向水平送風(fēng)。另外，在主廠房?jī)膳_(tái)機(jī)組除氧間中間跨的24.00 m和32.00 m層區(qū)域分別設(shè)置2個(gè)蒸發(fā)冷卻機(jī)組設(shè)備間，室外空氣由布置于設(shè)備間外墻的防雨百葉吸入，經(jīng)蒸發(fā)冷卻機(jī)組降溫處理后的空氣，通過(guò)風(fēng)管系統(tǒng)送入除氧間各層。以4臺(tái)蒸發(fā)冷卻設(shè)備為一個(gè)送風(fēng)單元，各臺(tái)機(jī)組出風(fēng)經(jīng)送風(fēng)聯(lián)箱匯總后，經(jīng)各送風(fēng)管道分別送至除氧間各層，由于除氧間區(qū)域工藝管道布置復(fù)雜，室內(nèi)空間相對(duì)小，除氧間區(qū)域的豎向送風(fēng)管道均布置在廠房C排外墻的外側(cè)，各層送風(fēng)口側(cè)向水平向室內(nèi)送風(fēng)。主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)風(fēng)量分配和系統(tǒng)流程見表4和圖1所示。

圖1 主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)流程圖

表4 主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)風(fēng)量分配表

蒸發(fā)冷卻機(jī)組處理送入主廠房的空氣，經(jīng)熱濕交換后，經(jīng)各樓層布置的通風(fēng)格柵區(qū)域，由布置于汽機(jī)房和除氧間屋面的屋頂風(fēng)機(jī)排至室外。

本項(xiàng)目對(duì)主廠房的蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)采用Revit軟件進(jìn)行了三維建模，圖2展示了汽機(jī)房和除氧間區(qū)域蒸發(fā)冷卻設(shè)備及相關(guān)風(fēng)管的布置，該模型將導(dǎo)入本工程三維模型中進(jìn)行碰撞檢查和管道布置配合。

圖2 主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備和管道三維布置圖

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行模式

根據(jù)本工程當(dāng)?shù)氐南募靖邷馗稍?，雨季潮濕悶熱，全年氣溫均較高的氣象條件，將本項(xiàng)目的主廠房蒸發(fā)冷卻機(jī)組運(yùn)行分為夏季運(yùn)行工況、雨季運(yùn)行工況和其余季節(jié)工況，計(jì)算了各工況下的加濕量需求，并根據(jù)實(shí)際氣象條件調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行。

其中：Wz——蒸發(fā)水量kg/h；

G——通風(fēng)量kg/h；

d1——蒸發(fā)冷卻器進(jìn)口空氣含濕量g/kg(干空氣)

d2——蒸發(fā)冷卻器出口空氣含濕量g/kg(干空氣)

主廠房蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行工況計(jì)算表見表5。

雨季時(shí)，室外空氣濕球溫度較高，本項(xiàng)目蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下的室外氣象參數(shù)即根據(jù)雨季工況選取。同時(shí)，對(duì)夏季高溫干燥工況的條件進(jìn)行了驗(yàn)算，由表5可知，在同一加濕效率的條件下，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為28.36℃，低于設(shè)計(jì)工況的送風(fēng)溫度，其降溫能力約為雨季工況的1.2倍，因此該系統(tǒng)可以滿足夏季運(yùn)行工況的要求。但由于夏季高溫時(shí)，干濕球溫差較大，系統(tǒng)加濕量較大，約為雨季工況的2倍左右。在其余季節(jié)工況，當(dāng)室外溫度低于30℃，可以停止蒸發(fā)冷卻機(jī)組的加濕裝置，僅用室外新風(fēng)降溫即可。

表5 主廠房蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行工況計(jì)算表

3 結(jié)論

相比單純的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通風(fēng)量小，機(jī)組運(yùn)行能耗低；相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，無(wú)制冷壓縮機(jī)做功，消耗一定量的生活水和風(fēng)機(jī)用電，達(dá)到降溫的目的。因此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在本工程所在的印度地區(qū)火力發(fā)電廠主廠房通風(fēng)系統(tǒng)中，具有較好的應(yīng)用效果。

主廠房區(qū)域的蒸發(fā)冷卻設(shè)備機(jī)房以及風(fēng)管系統(tǒng)的布置是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，需要土建和工藝專業(yè)緊密配合。在A排外和除氧間中間跨設(shè)立設(shè)備機(jī)房，通過(guò)送風(fēng)管道豎向送至廠房?jī)?nèi)各樓層的布置方案較為合理，不僅節(jié)省設(shè)備占地空間，同時(shí)保證了良好的送風(fēng)氣流組織。

對(duì)于整個(gè)主廠房蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)，可通過(guò)控制機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)的方式控制運(yùn)行策略；對(duì)于蒸發(fā)冷卻機(jī)組，可以控制濕膜加濕器淋水裝置的啟停，或者通過(guò)濕膜淋水面積的大小來(lái)調(diào)節(jié)加濕量；在室外氣溫較低，低于30℃或者空氣相對(duì)濕度較大，大于90%以上時(shí)，可停用加濕裝置。根據(jù)實(shí)際室內(nèi)外空氣溫濕度，通過(guò)靈活調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行工況，可以進(jìn)一步節(jié)能、節(jié)水，獲得更好的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果。