乏汽制冷技術(shù)在抽凝機(jī)組電廠的應(yīng)用

車(chē)宏?duì)c

（廣東省粵瀧發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 羅定 527200）

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)電廠經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力工業(yè)節(jié)能減排和安全保障越發(fā)重要。為此，在電力行業(yè)中優(yōu)化配備凝氣冷卻系統(tǒng)和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，對(duì)降低機(jī)組能耗，提升抽凝機(jī)組電廠運(yùn)行效率、利用效率和經(jīng)濟(jì)、安全效益是關(guān)鍵且迫切的。

目前國(guó)內(nèi)絕大部分電廠工業(yè)多使用直接循環(huán)空冷系統(tǒng)、間接空冷系統(tǒng)或復(fù)合式蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行電廠散熱處理，而在直接冷卻系統(tǒng)中，凝汽器設(shè)備由于缺乏能源再利用功能，因此常因使用壽命等問(wèn)題使電廠凝氣冷卻系統(tǒng)安全性能不足。與直接空冷系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)具備乏汽制冷再利用特性，即電廠汽輪機(jī)首次做功后，乏汽在凝汽器內(nèi)再次循環(huán)凝結(jié)為水，將機(jī)組內(nèi)的熱量資源二次吸收冷凝，可實(shí)現(xiàn)電廠工業(yè)的低能耗、低排放；乏汽制冷技術(shù)具備可減低凝汽器內(nèi)部乏汽堵塞風(fēng)險(xiǎn)、獲得更高的熱傳遞效率和有效提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，該文針對(duì)抽凝機(jī)組電廠冷卻系統(tǒng)設(shè)備、蒸發(fā)式空冷系統(tǒng)及乏汽制冷技術(shù)的功能特征、技術(shù)原理和市場(chǎng)應(yīng)用展開(kāi)了科學(xué)研究，以期為相似電廠節(jié)能減排應(yīng)用提供一定的科學(xué)理論依據(jù)。

1 電廠蒸發(fā)式冷凝應(yīng)用的原理與技術(shù)

1.1 冷凝原理分析

精準(zhǔn)且科學(xué)地分析電廠機(jī)組工作過(guò)程中的冷凝原理，對(duì)掌握抽凝機(jī)組乏汽制冷技術(shù)具有重要意義。電廠蒸發(fā)式冷凝冷卻系統(tǒng)主要由冷凝器、蒸發(fā)器、溶液循環(huán)等層級(jí)組成，各層級(jí)相互協(xié)同形成了熱負(fù)荷單元和電負(fù)荷單元（如圖1所示）。通過(guò)圖1可知，制冷循環(huán)形成了兩個(gè)回路系統(tǒng)，即熱負(fù)荷濕式蒸發(fā)、運(yùn)輸、乏汽制冷再吸收等。在冷凝工作過(guò)程中，溶液資源先在熱存儲(chǔ)罐等工作熱源中加熱，形成水蒸氣，然后蒸汽被傳輸至抽凝機(jī)組，在冷凝器介質(zhì)調(diào)配中形成制冷劑液體，以達(dá)到電廠運(yùn)行機(jī)組冷凝降溫操作和冷凝節(jié)水的目的。例如當(dāng)抽凝機(jī)組高效工作時(shí)，其內(nèi)部通過(guò)蒸發(fā)冷凝器的噴淋水方式和乏汽制冷二次循環(huán)方法帶走機(jī)組內(nèi)部熱量，與傳統(tǒng)冷凝模式相比，其蒸發(fā)和再利用所消耗的水量?jī)H為水冷式蒸發(fā)設(shè)備的10%左右。同時(shí)蒸發(fā)式冷凝器比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)組內(nèi)部占用空間低，在單位工作面積內(nèi)蒸發(fā)式冷凝和乏汽制冷所傳輸?shù)臒崃扛?，具有低空間占有率、高冷凝傳輸效益的功能。在電廠抽凝機(jī)組的制冷工作原理設(shè)計(jì)中，冷凝后液體循環(huán)進(jìn)入制冷節(jié)流器中，并在蒸發(fā)壓力下形成低壓制冷劑蒸汽，利用風(fēng)機(jī)電荷單元進(jìn)行低壓蒸汽傳輸。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)乏汽制冷技術(shù)的二次循環(huán)可降低制冷蒸發(fā)器內(nèi)匯聚的冷用戶(hù)回水溫度，實(shí)現(xiàn)了在提升抽凝機(jī)組電廠制冷工作效率的同時(shí)，也提升了電廠溶液能源利用效率。

圖1 蒸發(fā)式冷凝冷卻系統(tǒng)特征示意圖

在蒸發(fā)式空冷系統(tǒng)工作過(guò)程中，蒸發(fā)器在低溫中獲取熱能，以溶液泵機(jī)械功和乏汽制冷技術(shù)在抽凝機(jī)組電廠中有效提升了能源利用率。為科學(xué)且全面地分析冷凝技術(shù)，該文通過(guò)蒸發(fā)式冷循環(huán)熱平衡關(guān)系式對(duì)乏汽制冷技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中的等值熱量進(jìn)行分析，如公式（1）所示。

式中：表示蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，即制冷量（kW）；表示發(fā)生器的熱負(fù)荷（kW）；表示吸收器的熱負(fù)荷（kW）；表示冷凝器的熱負(fù)荷（kW）。

根據(jù)熱能平衡公式可知，乏汽制冷技術(shù)承載了一部分溶液蒸發(fā)式熱能，在降低設(shè)備熱負(fù)荷的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了熱能等值，提升了工作效率。

1.2 乏汽冷凝技術(shù)節(jié)能分析

由于電廠內(nèi)抽凝機(jī)組節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)是工業(yè)產(chǎn)能增值的關(guān)鍵因素，因此，該文分析了蒸發(fā)式冷凝循環(huán)作業(yè)和乏汽冷凝再利用節(jié)能技術(shù)。抽凝機(jī)組電廠熱電冷分系統(tǒng)主要以鍋爐供熱、蒸發(fā)式冷凝制冷、運(yùn)行發(fā)電以及循環(huán)乏汽制冷為核心組成，當(dāng)蒸發(fā)式冷凝器循環(huán)工作時(shí)，冷卻水溫度接近空氣濕球溫度，其冷凝溫度一般低于10℃。同時(shí)空氣冷凝技術(shù)在蒸發(fā)循環(huán)后，通過(guò)乏汽技術(shù)，將乏汽蒸汽再次凝結(jié)為水蒸汽，進(jìn)入冷凝機(jī)組內(nèi)部循環(huán)，這不僅達(dá)到了綠色、環(huán)保、高效的目的，還實(shí)現(xiàn)了溫次循環(huán)，保障了冷凝器機(jī)組內(nèi)部的穩(wěn)定運(yùn)行。該文通過(guò)一次熱能消耗測(cè)試分析對(duì)電廠中乏汽冷凝技術(shù)節(jié)能特征進(jìn)行綜合效益評(píng)估，如果所需要的供熱量為Q，則采用區(qū)域鍋爐房供熱的一次能耗pE的表達(dá)式如公式（2）所示。

式中：pE表示熱電冷分系統(tǒng)供熱的一次能耗（kW）；Q表示熱電冷分系統(tǒng)供熱量（kW）；表示熱電冷分系統(tǒng)區(qū)域鍋爐效率；表示熱電冷分系統(tǒng)管道效率。

公式（2）的一次能耗效益評(píng)估分析表明電廠抽凝機(jī)組內(nèi)部工作時(shí)，當(dāng)供熱一次量維持不變時(shí)，鍋爐效益與制冷管道效益積越低，能耗越低。而采用冷凝技術(shù)和乏汽制冷技術(shù)的二次循環(huán)技術(shù)進(jìn)行冷凝后，有效降低了乘積總比和一次能耗指標(biāo)。

由于乏汽制冷技術(shù)通過(guò)蓄熱鍋爐再次提煉，實(shí)現(xiàn)了溶液蒸發(fā)式程中水分、燃料等的零損耗，進(jìn)一步輔助解決了蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)的弊端。乏汽再循環(huán)冷凝技術(shù)和蒸汽噴淋的冷凝技術(shù)一方面有效地實(shí)現(xiàn)了冷凝排熱一體化，另一方面降低了水冷卻過(guò)程中的運(yùn)輸傳遞能耗，極大地節(jié)省了抽凝機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行功率，降低了熱負(fù)荷率和電負(fù)荷率，并保障了抽凝機(jī)組電廠系統(tǒng)安全運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)電廠能源節(jié)約、高效利用做出了新貢獻(xiàn)。

2 電廠中蒸發(fā)式乏汽冷凝系統(tǒng)性能測(cè)試分析

2.1 機(jī)組設(shè)備特性分析

表1全面解釋了乏汽制冷技術(shù)在電廠中的應(yīng)用及性能特征。首先，表1具體分析了制冷設(shè)備冷凝能力、蒸汽耗量、蒸汽進(jìn)口壓力、功率容量等設(shè)備性能最優(yōu)參數(shù)范圍，例如冷凝能力為1047kW，表明當(dāng)冷卻循環(huán)水通過(guò)水膜流出時(shí)，在冷凝器的作用下不斷蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了水轉(zhuǎn)為水蒸氣的過(guò)程，并通過(guò)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了水的蒸發(fā)潛熱冷凝效果；其次，在抽凝機(jī)組蒸發(fā)式制冷過(guò)程中，蒸汽耗量指標(biāo)為1235kg/h，表明在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水噴淋蒸汽制冷和二次循環(huán)乏汽蒸汽制冷所產(chǎn)生的水汽質(zhì)量為1235kg，較大的水汽質(zhì)量和較低的蒸汽的濕球溫度對(duì)保障大功率、長(zhǎng)時(shí)效的電廠熱工作有極為關(guān)鍵的作用。

表1 制冷設(shè)備參數(shù)分析

2.2 傳熱模型性能特征分析

由于電廠機(jī)組在工作過(guò)產(chǎn)生大量的熱能和電力資源，因此實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱量資源的冷凝傳輸對(duì)保障機(jī)組設(shè)備安全和產(chǎn)能效益增值具有社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。在此背景下，該文通過(guò)構(gòu)建蒸發(fā)式冷凝技術(shù)、乏汽制冷技術(shù)的熱傳模型來(lái)分析熱傳導(dǎo)能量特性。首先，該文在蒸發(fā)式冷凝器傳熱數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，通過(guò)抽凝機(jī)組發(fā)電廠凝汽器設(shè)備及熱導(dǎo)效益進(jìn)行傳熱模型約束分析，見(jiàn)公式（3）、公式（4）。其次，構(gòu)建蒸發(fā)式乏汽冷凝器傳熱特性中噴淋密度、介質(zhì)當(dāng)量傳熱系數(shù)、風(fēng)機(jī)特性等因子，通過(guò)不同因子在乏汽制冷工作中的模擬數(shù)值深入探析乏汽制冷技術(shù)的特征變化。

其中，抽凝機(jī)組的約束條件包括出力上下限和爬坡率上下限，如公式（3）、公式（4）所示（即傳熱約束模型式）。

式中：為抽凝機(jī)組的電功率。

根據(jù)公式（3）、公式（4）可知，在電廠抽凝機(jī)組工作過(guò)程中，設(shè)備制冷電功率滿(mǎn)足模型約束值上限或下限時(shí)，機(jī)組設(shè)備均能穩(wěn)定運(yùn)行，即當(dāng)蒸汽制冷和乏汽制冷協(xié)同后，工作效率滿(mǎn)足電功率限制范圍，對(duì)實(shí)現(xiàn)抽凝機(jī)組內(nèi)部釋熱、提高產(chǎn)能效率有實(shí)際價(jià)值意義。

在電廠蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)中，噴淋單元一般定義為水膜與蒸發(fā)冷卻空氣間的熱傳導(dǎo)過(guò)程（顯熱過(guò)程、潛熱過(guò)程）。其中，潛熱過(guò)程比顯熱過(guò)程更關(guān)鍵，當(dāng)水膜向冷凝設(shè)備蒸發(fā)傳熱時(shí)，由于水膜是正向傳遞且體積質(zhì)量大，會(huì)導(dǎo)致冷卻空氣濕度增加，因此在該傳熱過(guò)程中，冷凝器冷氣與噴淋間的熱傳遞耦合，及時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)了水膜與冷凝氣間的交互和制冷過(guò)程。同時(shí)正向交互的蒸汽冷卻后存儲(chǔ)或富余，再次通過(guò)鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行能量釋放，以噴淋水膜交互實(shí)現(xiàn)乏汽技術(shù)再利用。為此，該文針對(duì)噴淋密度進(jìn)行了分析，以進(jìn)一步掌握噴淋單元熱傳導(dǎo)過(guò)程。由于該文所研究的抽凝機(jī)組電廠傳熱板片為并列豎排，因此，常規(guī)噴淋密度熱傳導(dǎo)計(jì)算式為公（5）所示。

式中：表示噴淋總密度；表示水單質(zhì)密度；表示水單質(zhì)質(zhì)量體積；表示數(shù)量。

通過(guò)對(duì)噴淋密度函數(shù)關(guān)系進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)噴淋總密度變化特征同水單質(zhì)密度和體積成正比，與數(shù)量成反比，表明當(dāng)數(shù)量不變時(shí)，改變單位體積內(nèi)噴淋體積，就能實(shí)現(xiàn)噴淋密度增值。噴淋密度增值對(duì)抽凝機(jī)組電廠冷卻利用、乏汽循環(huán)制冷和節(jié)能減排極為關(guān)鍵。因此，該文所構(gòu)建的蒸發(fā)式乏汽制冷冷凝器熱導(dǎo)方程理論計(jì)算模型為乏汽制冷技術(shù)在抽凝機(jī)組中的優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)控分析提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。

由于汽輪機(jī)蒸發(fā)式乏汽冷凝器工作主要依靠水膜蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在排熱過(guò)程中以傳質(zhì)帶動(dòng)熱傳導(dǎo)（且兩者間具備耦合反應(yīng)），因此在工作過(guò)程中易造成熱量、功率等損失。為降低熱能及功率損耗，該文構(gòu)建了介質(zhì)當(dāng)量傳熱模型，以精準(zhǔn)分析確定模型系數(shù)，如公式（6）所示。

式中：Δ表示對(duì)數(shù)平均燴差；表示多次試驗(yàn)后得出的擬合出傳質(zhì)系數(shù)；表示冷卻風(fēng)量質(zhì)量；表示傳輸出去的冷卻空氣焓差；表示輸入的冷卻空氣焓差；表示參數(shù)系數(shù)。

根據(jù)公式（6）可知，蒸發(fā)式乏汽冷凝器通過(guò)內(nèi)部循環(huán)冷卻水蒸發(fā)吸收潛在熱量，即當(dāng)輸出熱量大于吸收熱量墑值時(shí)，通過(guò)能量形式交換（1板內(nèi)汽輪機(jī)蒸發(fā)式乏汽與水膜表面?zhèn)鳠徇^(guò)程；2水膜表面與空氣交互的熱傳導(dǎo)機(jī)制），將熱量從內(nèi)向外傳遞，如抽凝機(jī)組電廠噴淋單元不斷蒸發(fā)并通過(guò)乏汽二次循環(huán)蒸發(fā)快速將空氣熱量值帶走，實(shí)現(xiàn)抽凝機(jī)組多次制冷（包括蒸發(fā)式冷凝、乏汽循環(huán)制冷）。

對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備在蒸發(fā)式冷凝中對(duì)凝汽熱傳導(dǎo)性能影響較大，因此該文進(jìn)行了風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)特性研究。風(fēng)電機(jī)組設(shè)備主要由換熱板束、排管通道、進(jìn)出口風(fēng)柵等組成。該文通過(guò)對(duì)工作過(guò)程特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在工作中必須滿(mǎn)足風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和分量均大于蒸發(fā)式凝汽器內(nèi)的空氣阻力風(fēng)量。同時(shí)由于風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)備具有傳輸和排散能力，通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)及時(shí)將蒸發(fā)制冷和乏汽制冷后產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)當(dāng)量排放，可有效實(shí)現(xiàn)電廠抽凝機(jī)組在不同運(yùn)行狀態(tài)下風(fēng)量的及時(shí)可調(diào)。

2.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算分析

綜上所述，蒸發(fā)式乏汽凝汽設(shè)備在工作過(guò)程中，其制冷和傳導(dǎo)熱效率與風(fēng)機(jī)設(shè)備風(fēng)量、噴淋密度、蒸發(fā)濕度、換熱板型號(hào)、傳熱模型系數(shù)等均有顯著相關(guān)性或極顯著相關(guān)性，因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化蒸發(fā)式乏汽冷凝器設(shè)備對(duì)電廠工作效益提升、經(jīng)濟(jì)效益增值和節(jié)能減排措施有效實(shí)行有極為關(guān)鍵的意義。如果電廠冷凝機(jī)組設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下出現(xiàn)冷卻風(fēng)量與蒸發(fā)式噴淋密度不同，但冷卻風(fēng)機(jī)單元和噴淋單元均在相同功率中運(yùn)行工作，將會(huì)造成水資源、設(shè)備資源等方面的大量損耗，以及蒸發(fā)式乏汽制冷設(shè)備節(jié)能節(jié)水實(shí)際效果低下。

因此，針對(duì)此類(lèi)抽凝機(jī)組中存在的蒸發(fā)式乏汽制冷現(xiàn)象，該文對(duì)蒸發(fā)式乏汽冷凝器熱傳導(dǎo)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)，將凝結(jié)熱量通過(guò)換熱板傳遞給板另一側(cè)的噴淋水膜，而噴淋水膜則通過(guò)與冷卻空氣間的對(duì)流傳熱，將抽凝機(jī)組熱量傳遞至空氣，進(jìn)而通過(guò)參數(shù)調(diào)整整合換熱板基本單元元件，使熱設(shè)計(jì)在優(yōu)化后能高效且科學(xué)地分析計(jì)算傳熱系數(shù)。與熱設(shè)計(jì)相比，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，調(diào)配蒸發(fā)式乏汽冷凝器結(jié)構(gòu)布局克使乏汽制冷技術(shù)在水因子蒸發(fā)吸熱制冷后通過(guò)二次循環(huán)操作實(shí)現(xiàn)冷卻氣將熱量合理轉(zhuǎn)出并達(dá)到飽和指標(biāo)范圍，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益。

3 乏汽制冷技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 節(jié)能效益分析

乏汽制冷技術(shù)對(duì)電力行業(yè)節(jié)能減排、產(chǎn)能增值具有重要意義。為此，該文開(kāi)進(jìn)行了抽凝機(jī)組電廠蒸發(fā)式乏汽制冷技術(shù)研究。當(dāng)抽凝機(jī)組電廠在汽輪機(jī)蒸發(fā)式冷凝做工完成后，可有效地將冷凝器內(nèi)水蒸氣凝結(jié)為水，并通過(guò)二次循環(huán)將顯熱能量和潛熱能量帶出，這不僅使蒸發(fā)式乏汽冷凝器在工作過(guò)程中獲得更好的熱傳導(dǎo)效率，而且還有效降低了風(fēng)機(jī)設(shè)備功耗，提升了運(yùn)行效率。乏汽制冷技術(shù)可落實(shí)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)，也能在一定程度上實(shí)現(xiàn)“雙碳”政策指標(biāo)。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

與水循環(huán)冷凝技術(shù)相比，蒸發(fā)式制冷技術(shù)和乏汽制冷技術(shù)在電廠抽凝機(jī)組實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中資源消耗量更低，實(shí)際適用量、使用量更高且更安全穩(wěn)定。因此蒸發(fā)式乏汽制冷技術(shù)在進(jìn)行抽凝機(jī)組制冷過(guò)程中出力維持度約為80%，冷凝乏汽效率顯著提升，且系統(tǒng)負(fù)荷量降低了20%左右，給抽凝機(jī)組電廠在運(yùn)維工作中帶來(lái)了極大的效率增益、產(chǎn)能增益和經(jīng)濟(jì)增益，通過(guò)乏汽冷凝再利用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域電廠經(jīng)濟(jì)增產(chǎn)。

4 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)抽凝機(jī)組電廠蒸發(fā)式乏汽冷凝制冷技術(shù)原理、節(jié)能效益和功能特性進(jìn)行測(cè)試分析，得到以下基本結(jié)論：蒸發(fā)式乏汽冷凝器易受設(shè)備環(huán)境、噴淋密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等因子影響而使其抽凝機(jī)組熱負(fù)荷、電負(fù)荷運(yùn)行效率和乏汽制冷二次循環(huán)效率產(chǎn)生一定波動(dòng)。通過(guò)蒸發(fā)式乏汽制冷技術(shù)可降低電廠設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷，提升其經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。