輔機(jī)間接空冷機(jī)組噴霧裝置

唐貴富，呂 艷，馬洪發(fā),孫成旭，張春曉，李 洋

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110043)

0 引言

輔機(jī)間接空冷機(jī)組與外界熱交換是采用帶機(jī)力通風(fēng)的冷卻塔進(jìn)行冷卻的，因此輔機(jī)間接空冷機(jī)組的熱交換效率受環(huán)境溫度影響較大，在高溫微風(fēng)環(huán)境下，輔機(jī)間接空冷機(jī)組熱交換效率低，冷卻效果達(dá)不到預(yù)期，導(dǎo)致主機(jī)汽輪機(jī)背壓升高、燃煤效率低、煤耗升高等情況，嚴(yán)重時(shí)直接制約機(jī)組安全滿發(fā)。為解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]介紹了間接空冷凝汽器噴霧降溫過(guò)程分析與應(yīng)用，文獻(xiàn)[2]介紹了噴霧增濕系統(tǒng)在間接空冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[3]介紹了噴霧增濕對(duì)間接空冷機(jī)組散熱器影響的數(shù)值研究，文獻(xiàn)[4]介紹了空冷機(jī)組噴霧降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[5]介紹了直接空冷系統(tǒng)噴霧加濕裝置。噴霧可快速降低冷卻風(fēng)的溫度，提升散熱器熱交換效率，降低機(jī)組背壓，提升機(jī)組出力能力，降低煤耗。噴霧降溫是保證輔機(jī)間冷機(jī)組夏季正常運(yùn)行的有效方法。本文結(jié)合陜西某電廠2×1 000 MW輔機(jī)間冷系統(tǒng)噴霧項(xiàng)目介紹噴霧裝置。

1 噴霧降溫原理

間冷系統(tǒng)噴霧降溫原理見(jiàn)圖1，將霧化的除鹽水噴在冷卻三角的入口百葉窗后，利用水汽化降低換熱器周圍空氣的溫度，增加環(huán)境濕度，提高換熱效率，從而降低凝結(jié)水出水溫度。水經(jīng)過(guò)噴嘴霧化形成一定粒徑的霧滴，霧滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與空氣充分混合并迅速升華蒸發(fā)。由于水的升華汽化潛熱較大，水升華汽化時(shí)會(huì)大量吸收空氣中的熱量，從而降低空氣的溫度；部分細(xì)水霧由于風(fēng)機(jī)抽力直接作用于散熱器表面進(jìn)行冷卻降溫。然后將降溫后的濕空氣送到空冷散熱器，以強(qiáng)化空冷器的換熱效果。在一定的霧化強(qiáng)度和噴射角下，噴霧還會(huì)在空冷器的表面形成水膜，水膜的蒸發(fā)進(jìn)一步帶走熱量，提高空冷器的換熱能力，從而提高汽輪機(jī)的出力能力。[1]

圖1 噴霧系統(tǒng)PID工藝流程圖

2 空氣噴水降溫過(guò)程分析

2.1 汽輪機(jī)夏季排汽溫度高的影響因素

在夏季高溫時(shí)段，環(huán)境溫度(大氣溫度)高于機(jī)組設(shè)計(jì)溫度時(shí)，機(jī)組真空度較低，導(dǎo)致機(jī)組汽輪機(jī)背壓值升高，排氣溫度過(guò)高。環(huán)境溫度越低，機(jī)組真空度越高，汽輪機(jī)背壓越低；環(huán)境溫度越高，機(jī)組真空度越低，汽輪機(jī)背壓越高。

汽輪機(jī)排汽溫度計(jì)算公式：

Tb=Ta+ITD+δT

(1)

式中：Ta為大氣溫度，℃；Tb為排汽溫度，℃；ITD為空冷塔進(jìn)口循環(huán)水溫與大氣溫差，℃；δT為凝汽器溫差，℃。

空冷系統(tǒng)的δT，文獻(xiàn)[2]提供在3 ℃左右，夏季隨著大氣溫度的增高初始溫差也增高，這與濕冷塔的運(yùn)行結(jié)果相反，主要是因?yàn)闈窭渌趥鳠徇^(guò)程中為直接的混合式傳熱，而空冷塔是表面式間接傳熱。

空氣橫掠管束時(shí)的換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

Nu=CRem

(2)

式中：Nu為努塞爾數(shù)；C、m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

計(jì)算時(shí)采用定性溫度t：

t=tw+0.5×(tf-tw)

(3)

式中：tw為壁面溫度；tf為流體溫度。

隨著大氣溫度的上升，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)增加，有利于傳熱系數(shù)的增加，但氣溫上升后的氣體運(yùn)動(dòng)黏度增加，總體來(lái)說(shuō)使換熱系數(shù)減小到原來(lái)的94%。由于夏季的氣溫升高，34 ℃時(shí)的空氣密度減小到15 ℃時(shí)的94%，相當(dāng)于空氣的質(zhì)量流量減少6%。由于夏季的最高凝汽器背壓比冬季增加20 kPa以上，使汽機(jī)的冷源損失增加10%以上，也就是空冷塔的散熱量增加10%以上。

以上因素的影響，使ITD值增加27%～28%，這樣就可使夏季的ITD值達(dá)到35 ℃左右。當(dāng)大氣溫度為36 ℃時(shí)，由式(1)可得排汽溫度高達(dá)74 ℃，背壓達(dá)到37 kPa以上，影響到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。[2]

為了達(dá)到節(jié)水指標(biāo)，該項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范中提出了在不同環(huán)境溫度情況下，噴霧系統(tǒng)的噴水量要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的要求。當(dāng)環(huán)境氣溫高于夏季設(shè)計(jì)溫度時(shí)，可通過(guò)向散熱器進(jìn)風(fēng)口噴霧化后的細(xì)水霧顆粒，降低進(jìn)風(fēng)空氣溫度，使系統(tǒng)在超出夏季工況下正常運(yùn)行。在不同環(huán)境溫度下自行調(diào)節(jié)噴水量、噴水強(qiáng)度、系統(tǒng)配置及冷卻效果。噴霧裝置的遠(yuǎn)方控制器，至少包括噴霧水泵的啟、停按鈕和噴霧泵故障報(bào)警。噴霧系統(tǒng)接入DCS進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作。在中控室中能實(shí)現(xiàn)噴霧系統(tǒng)的遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止、調(diào)節(jié)用水量等工作。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，水泵出口壓力和系統(tǒng)故障信號(hào)可及時(shí)反饋至中控室，做到運(yùn)行時(shí)無(wú)人值守，故障時(shí)即時(shí)反饋。

不同環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、水量條件下噴霧裝置運(yùn)行后的溫度見(jiàn)表1。

表1 噴霧裝置運(yùn)行后的數(shù)據(jù)

2.2 噴霧系統(tǒng)理論分析

2.2.1 空冷塔的排風(fēng)空氣質(zhì)量流量的計(jì)算

空冷塔的排風(fēng)空氣質(zhì)量流量的計(jì)算[3]是根據(jù)該地區(qū)夏季室外空調(diào)設(shè)計(jì)的氣象條件，當(dāng)干球溫度為32.5 ℃時(shí)，可計(jì)算迎面風(fēng)速為2.3 m/s的空冷塔進(jìn)風(fēng)空氣流量。該空冷塔共有20個(gè)冷卻三角，每個(gè)冷卻三角迎風(fēng)面的寬度為L(zhǎng)=2 412 mm，高度為16 400 mm。

計(jì)算迎風(fēng)面積A為

A=B·h·n

(4)

式中：A為迎風(fēng)面積，m2；B為冷卻三角迎風(fēng)部分寬度，m；h為冷卻三角高度，m；n為冷卻三角數(shù)量。

按照式(4)計(jì)算：

A=2.412×16.4×20=791.1 m2

20 m進(jìn)風(fēng)口處的環(huán)境風(fēng)速為3.1 m/s，計(jì)算空冷塔的進(jìn)風(fēng)空氣質(zhì)量流量：

G=ρ·(v·A)

(5)

式中：G為空冷塔的進(jìn)風(fēng)空氣質(zhì)量流量，kg/s；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；v為環(huán)境風(fēng)速，m/s；A為迎風(fēng)面積，m2。

按照式(5)計(jì)算：

G=1.2×(3.1×791.1)=2 942.9 kg/s

2.2.2 噴霧后熱平衡計(jì)算

噴霧后熱平衡計(jì)算[4]按照等焓加濕的原理，由于噴霧熱濕交換區(qū)域的面積較小，采用該地區(qū)夏季設(shè)計(jì)室外空調(diào)的氣象參數(shù)，環(huán)境干球溫度t1為38.8 ℃，相對(duì)濕度65%，設(shè)定空氣經(jīng)過(guò)噴霧降溫后被等焓加濕的相對(duì)濕度80%，相應(yīng)經(jīng)過(guò)噴霧降溫處理后，降低空氣溫度至t2為32.8 ℃，有熱平衡公式為

Cpa·G·(t1-t2)=M·γ

(6)

式中：Cpa為空氣比熱容，Cpa=1.01 kJ/(kg·℃)；t1為噴霧前空氣溫度，℃；t2為噴霧后空氣溫度，℃；M為噴霧水量，kg/s；γ為水的汽化潛熱，28 ℃時(shí)，γ=2 430 kJ/kg。

根據(jù)式(6)代入數(shù)據(jù)計(jì)算噴霧水量M：

1.01×2 942.9×(38.8-32.8)=M×2 430

計(jì)算得：M=7.34 kg/s≈26.4 t/h。

3 系統(tǒng)組成

輔機(jī)間接空冷機(jī)組噴霧系統(tǒng)由離心泵、噴淋裝置、控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)等構(gòu)成。其中噴霧裝置安裝在百葉窗后面散熱器三角內(nèi)，噴霧噴嘴安裝在一根垂直于地面的不銹鋼水管上，噴嘴噴射角度80°，噴嘴中心線垂直于三角散熱器表面。

3.1 噴霧水泵

離心泵見(jiàn)圖2。離心泵具有轉(zhuǎn)速高、流量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸液無(wú)脈動(dòng)、性能平穩(wěn)、容易操作和維修方便等特點(diǎn)。選型依據(jù)：流量、揚(yáng)程、液體性質(zhì)、管路布置和操作運(yùn)轉(zhuǎn)條件。間接空冷系統(tǒng)噴霧增濕系統(tǒng)噴淋泵壓力一般 >0.6 MPa，根據(jù)機(jī)組大小選擇不同流量。水泵屬低壓力、大流量泵。理想的是采用D型多級(jí)分段式離心水泵。陜西某電廠2×1 000 MW輔機(jī)間冷系統(tǒng)噴霧項(xiàng)目，離心泵型號(hào)為D80-30×5，泵設(shè)計(jì)流量為30 t/h，揚(yáng)程150 m。噴霧泵要求提供15、26、30 t/h 3種流量，本方案通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 噴霧水泵

3.2 管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)由管路組成件、管路支吊架等組成，用以輸送、分配和控制高壓水的流動(dòng)。管路系統(tǒng)分為泵進(jìn)水管路、泵出水主管路和噴霧支管路部分。管路直徑大，在相同流量下，液體流速小，阻力損失小，但價(jià)格高。管路直徑小，會(huì)導(dǎo)致阻力損失聚集增大，配帶功率增加，成本和運(yùn)行費(fèi)用增加。因此，應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮合理選擇管路直徑。[5]

泵進(jìn)水管路水的流速按1 m/s、流量30 t/h選擇管通徑,泵出水管路、噴霧支管路按流速3 m/s、流量1.5 t/h選擇管徑通徑。泵進(jìn)水管路直徑為DN65，泵出水主管路依據(jù)噴霧流量變化而變化，DN65-DN50-DN40-DN32。泵的出口處必須安裝閥門(mén)和逆止閥。閥門(mén)的作用是用來(lái)調(diào)節(jié)泵的工況點(diǎn)，逆止閥在液體倒流時(shí)可防止泵反轉(zhuǎn)，避免泵受水錘打擊。

3.3 噴霧裝置

陜西某電廠2×1 000 MW輔機(jī)間冷系統(tǒng)噴霧裝置冷卻三角20個(gè)，噴霧裝置見(jiàn)圖3，每個(gè)冷卻三角安裝1個(gè)噴霧管束(見(jiàn)圖4)，每個(gè)管束有26個(gè)噴霧噴嘴，噴嘴噴霧可全覆蓋冷卻三角，霧化噴頭材質(zhì)316不銹鋼，霧化形式分為空心圓錐噴嘴或?qū)嵭膱A錐噴嘴，實(shí)心圓錐噴嘴能適合大流量工況，空心圓錐噴嘴適合低流量工況；在同等壓力和流量下，空心圓錐噴嘴的液滴霧化效果好，液滴更細(xì)，能夠加強(qiáng)降溫的效果。噴嘴流量0.9 L/min,每個(gè)冷卻三角用水量23.4 L/min，20個(gè)冷卻三角用水30 t/h。

圖3 噴霧裝置

圖4 管束

不同環(huán)境溫度下噴霧管束控制實(shí)現(xiàn)方法：30 t/h的水量需要20個(gè)冷卻三角全部噴霧，在泵的出口安裝1個(gè)DN65閥門(mén)，控制全部給水；26 t/h的水量需要17個(gè)冷卻三角噴霧，在DN32變DN25大小頭后安裝1個(gè)DN25閥門(mén)，距離泵近的17個(gè)冷卻三角噴霧，后邊的3個(gè)冷卻三角被閥門(mén)截止；15 t/h的水量需要10個(gè)冷卻三角噴霧，在距離泵最近的第10個(gè)冷卻三角與第11個(gè)冷卻三角之間安裝1個(gè)DN50閥門(mén)。DN50閥門(mén)關(guān)閉，距離泵近的10個(gè)冷卻三角噴霧，后邊的被閥門(mén)截止。用3個(gè)閥門(mén)(DN65、DN50、DN25)可實(shí)現(xiàn)30 t水、26 t水、15 t水的控制。

3.4 控制裝置

控制裝置用于控制離心泵的啟、停，空冷島溫度檢測(cè)和噴霧裝置自動(dòng)啟動(dòng)。在噴淋水泵出口處設(shè)置流量傳感器和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作全方位監(jiān)控和保護(hù)，達(dá)到全自動(dòng)智能化控制要求。噴霧系統(tǒng)輸出流量可以通過(guò)調(diào)節(jié)出口閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況開(kāi)啟空冷島閥門(mén)，選擇適當(dāng)?shù)牧髁?，?yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，做到節(jié)約用水。系統(tǒng)可以接受DCS控制，遠(yuǎn)控操作噴霧作業(yè)。

噴淋增濕系統(tǒng)控制一般由電廠DCS完成，中央控制室通過(guò)監(jiān)控和電廠運(yùn)行參數(shù)，決定是否投入噴淋增濕系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行后，通過(guò)控制電動(dòng)閥門(mén)選定噴淋單元，啟動(dòng)離心泵，開(kāi)始噴淋操作?？刂破鞲鶕?jù)降溫效果決定噴淋時(shí)間。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，自動(dòng)停止離心泵，關(guān)閉電動(dòng)閥門(mén)。

4 結(jié)束語(yǔ)

陜西某電廠2×1 000 MW輔機(jī)間冷系統(tǒng)噴霧裝置，根據(jù)環(huán)境溫度，開(kāi)啟不同的噴霧管束，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水，噴霧降溫效果明顯，噴霧降溫有助于輔機(jī)間冷機(jī)組安全運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的散熱效率，很好地解決了輔機(jī)間冷機(jī)組在夏季炎熱氣溫下遇到的高背壓運(yùn)行問(wèn)題。