機力通風冷卻塔消霧控制系統(tǒng)分析與設計

崔 喆，孫 漾

（中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司，上海 200063）

0 引言

冷卻塔是將系統(tǒng)中循環(huán)水進行冷卻的一種裝置，吸收熱量的水在冷卻塔中與流過的空氣進行熱交換，降低水溫以循環(huán)使用。冷卻塔廣泛應用于空調(diào)冷卻、冷凍、電力、冶金、化工等行業(yè)[1,2]。在電力行業(yè)中，目前國內(nèi)投產(chǎn)和在建的大容量火電機組的冷卻系統(tǒng)多采用直流冷卻和二次循環(huán)冷卻，而對于處于濕熱地區(qū)的二次循環(huán)機組的冷卻構筑物普遍采用機力通風冷卻塔[3]。

常規(guī)冷卻塔在冬季、雨季以及濕度較大的季節(jié)，其風筒頂部會出現(xiàn)云霧裊繞的現(xiàn)象。冷卻塔飄出的霧氣實際上是冷卻塔內(nèi)部經(jīng)過換熱后的濕熱空氣與風筒外部的冷空氣相遇，濕熱空氣冷凝成的羽霧。在常溫情況下，羽霧會凝結成水滴，導致冷卻塔周邊建筑物及馬路常年潮濕。冬季的羽霧冷凝成水滴后，還會在周邊建筑物及馬路上形成結冰，嚴重影響了工廠周邊地區(qū)的交通和可見度狀況，不僅造成環(huán)境光污染，而且影響當?shù)貧夂騕4]。同時，由于蒸發(fā)離開冷卻塔的水處于純凈蒸汽狀態(tài)，羽霧現(xiàn)象會導致系統(tǒng)中水的濃度升高。為了確保系統(tǒng)及冷卻塔的正常運轉，必須添加新水補充因蒸發(fā)而損失的水，使循環(huán)水冷卻過程消耗大量水資源，造成水資源的浪費[5]。

本文首先研究探討了冷卻塔羽霧形成的機理，并在此基礎上結合上海某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組工程，根據(jù)實際情況采取了合理的消霧節(jié)水措施，設計了消霧控制系統(tǒng)避免產(chǎn)生羽霧，減少了蒸發(fā)損失，節(jié)約了水資源。

1 羽霧形成機理

空氣的飽和含濕量與空氣的溫度和壓力有關，在壓力不變的情況下，空氣的飽和含濕量隨著溫度的降低而降低。在常壓情況下，冷卻塔中的空氣與高溫循環(huán)水換熱后已經(jīng)接近飽和狀態(tài)，此時如果將高溫高濕空氣直接排放，濕熱空氣與環(huán)境中的冷空氣混合，溫度降低，空氣飽和含濕量降低，大量的水分會從空氣中冷凝產(chǎn)生很多液滴，形成羽霧[6]。此過程可以由冷卻塔排氣與大氣混合狀態(tài)圖表示，如圖1 所示。A 點為大氣狀態(tài)，B 點為冷卻塔排氣狀態(tài)，M點為兩者混合氣體狀態(tài)。隨著冷卻塔出口的濕熱空氣與環(huán)境大氣的慢慢混合，其狀態(tài)漸漸接近大氣狀態(tài)，即混合狀態(tài)M 點沿著AB 直線從排氣狀態(tài)B 點逐漸向大氣狀態(tài)A 點移動。直線AB 與等焓線hM相交于M 點，其溫度為tM，含濕量為dM。等焓線hM上的飽和空氣溫度為t0，含濕量為d0?；旌蠣顟B(tài)M 為過飽和狀態(tài)，混合氣體中的水蒸氣將發(fā)生凝結，直到空氣含濕量由dM降為飽和含濕量d0為止。此過程中的凝結熱被氣體吸收，混合氣體溫度由tM升為t0，混合氣體沿著等焓線hM由M 點移動至M0點。在氣體混合過程中，M 點經(jīng)過過飽和區(qū)，濕熱空氣中的部分水蒸氣會凝結成小液滴，產(chǎn)生羽霧現(xiàn)象。

圖1 冷卻塔排氣與大氣混合狀態(tài)圖Fig.1 Mixed state of cooling tower exhaust and atmosphere

2 工程應用

2.1 工程概況

本燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組對外進行供熱，并可參與調(diào)峰運行。廠區(qū)共設置14 臺環(huán)保型機力通風冷卻塔供兩臺機組使用，單臺機組7 臺冷卻塔。廠區(qū)內(nèi)大氣壓力為100.13kPa，設計單塔冷卻水量3870m3/h，進出塔水溫差8.8℃，風機直徑9.75m，風機風量614m3/s。

2.2 羽霧消除技術

通過對羽霧形成機理的分析，冷卻塔排氣與大氣的混合過程落入過飽和區(qū)，產(chǎn)生羽霧現(xiàn)象。為了消除羽霧，可以改變大氣狀態(tài)A 或者冷卻塔排氣狀態(tài)B。在整個混合過程中，由于氣體壓力以及大氣狀態(tài)A 的溫度、含濕量等參數(shù)作為外界環(huán)境因素無法改變，所以只能通過改變冷卻塔排氣狀態(tài)B 的溫度和含濕量來消除羽霧。

考慮在機力通風冷卻塔塔體部分的氣室層安裝露點調(diào)節(jié)裝置，利用風機抽力，將環(huán)境的冷空氣引入塔內(nèi)。首先與高溫循環(huán)水進行換熱，經(jīng)過換熱后的熱空氣與出填料層的飽和濕熱空氣混合，然后再一同排入大氣。羽霧消除原理圖如圖2 所示。進入塔內(nèi)的一部分空氣與高溫循環(huán)水進行換熱，從狀態(tài)A 被等濕加熱到狀態(tài)A'，然后再將空氣A'與出填料層的飽和濕熱空氣B 混合后排出冷卻塔。此時，冷卻塔風筒出口排氣狀態(tài)為升溫空氣A'與飽和濕熱空氣B的混合狀態(tài)C，相對于濕熱空氣B，不飽和空氣狀態(tài)C 的溫度與含濕量均大幅度下降。最終冷卻塔排氣C 與大氣A混合的變化線AC 處在不飽和區(qū)，無羽霧產(chǎn)生。

圖2 羽霧消除原理圖Fig.2 Schematic diagram of anti-mist

2.3 消霧節(jié)水措施

根據(jù)上述羽霧消除技術，在收水器上層的進風窗立面增設露點調(diào)節(jié)裝置5，并在塔內(nèi)收水器上面的氣室增設空氣混合器1，既能保證冷熱空氣的充分混合，提高混合效率，又能保證整體氣流流場的均勻性，增強消霧效果。在露點調(diào)節(jié)裝置中安裝抽真空設備，一方面彌補進水泵揚程不足，確保進水能夠順利輸送到冷卻塔露點調(diào)節(jié)裝置內(nèi)，另一方面用于排空翅片管束中的積氣，防止發(fā)生氣堵，影響翅片管內(nèi)的配水。當系統(tǒng)處于環(huán)保型消霧節(jié)水冷卻塔狀態(tài)時，冷卻塔的進水先通過翅片管換熱器，與外界冷空氣進行熱交換，將進水水溫降低到一定溫度后，再通過布水器2 噴灑在填料層3 上，與下部進塔空氣進行充分接觸，通過接觸散熱和蒸發(fā)散熱，將水溫降低到設計要求。在進水的第一次換熱過程中，冷卻塔塔體上部的冷空氣通過翅片換熱器換熱溫度升高。在第二次換熱過程中，下部的進塔空氣變?yōu)轱柡蜐駸峥諝狻Ｍ瓿蓳Q熱后的兩種空氣在空氣混合器1 中充分混合，混合后的空氣變?yōu)椴伙柡蜐駸峥諝?，最后在出風筒與外界空氣混合。冷卻塔排氣由原來的飽和狀態(tài)變?yōu)楝F(xiàn)在的不飽和狀態(tài)，與外界冷空氣混合后，其露點溫度比原來要小得多，可以基本消除冷卻塔出口羽霧現(xiàn)象。另外，由于加入了露點調(diào)節(jié)裝置5，進水首先經(jīng)過露點調(diào)節(jié)裝置進行預冷，降低了填料段的進水熱負荷，減少了冷卻塔的蒸發(fā)損失量，起到了節(jié)水作用。環(huán)保型機力通風冷卻塔如圖3 所示。

圖3 環(huán)保型機力通風冷卻塔Fig.3 Environment-friendly mechanical-draft cooling tower

2.4 消霧控制系統(tǒng)

兩臺機組獨立設置冷卻塔消霧控制系統(tǒng)，包含1 臺DCS 控制柜和1 臺就地PLC 控制柜，每套控制柜控制本機組的7 臺機力通風冷卻塔。就地PLC 控制柜內(nèi)采用冗余控制模式，分別安裝2 個CPU 和1 套I/O 模塊，互為備用。DCS 給就地PLC 消霧指令，控制冷卻塔是否進入消霧狀態(tài)，PLC 給DCS 返回一個就地/遠程狀態(tài)信號，切換就地和遠程控制方式。同時，PLC 通過MODBUS 通信協(xié)議接口將現(xiàn)場故障狀態(tài)、抽真空系統(tǒng)及冷卻塔運行狀態(tài)等信息反饋給DCS。在消霧工況下，由就地PLC 進行控制，包括對不消霧進水閥門8 和消霧進水閥門9 的控制，以及對抽真空系統(tǒng)的控制；在不消霧工況下，直接由DCS 對不消霧進水閥門8 和消霧進水閥門9 進行控制。

在每臺機力通風冷卻塔中安裝1 套三位一體儀表，用于測量減速機油位、油溫和振動，并為每臺電機的軸承提供兩個Pt100 測溫點，將測量信號反饋給DCS，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，異常時發(fā)出報警甚至停機信號，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。對于抽真空系統(tǒng)中的真空罐壓力、真空罐液位、水箱水位等信號送入就地PLC 控制柜，輔助PLC 對抽真空系統(tǒng)的控制。在設備現(xiàn)場設置少量就地顯示儀表，方便現(xiàn)場巡視人員的工作。同時，每臺機組提供一路380VAC三相四線制電源至就地電動蝶閥電源箱，為相關電動蝶閥供電。整個冷卻塔消霧系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖4 冷卻塔消霧系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow diagram of cooling tower anti-mist system

冷卻塔消霧控制系統(tǒng)包括冷卻塔進水控制系統(tǒng)、抽真空控制系統(tǒng)和壓縮空氣控制系統(tǒng)。冷卻塔進水控制系統(tǒng)通過對上塔進水管路（不消霧進水管路6，消霧進水管路7）的控制，使上塔熱水既可以先通過露點調(diào)節(jié)裝置再進入主配水管，也可以直接進入主配水管。進水方式可根據(jù)不同季節(jié)工況通過控制閥門進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)常規(guī)機力通風冷卻塔與環(huán)保型消霧節(jié)水冷卻塔的運行切換。

設計消霧點為干球溫度5℃，相對濕度78%（冬季12月、1 月、2 月最冷3 個月的平均溫度和濕度），當環(huán)境溫度小于18℃時運行消霧狀態(tài)。根據(jù)當?shù)貧庀髤?shù)，全年5月～10 月份平均溫度大于18℃，11 月～4 月份平均溫度小于18℃。則熱季（5 月～10 月）時，打開不消霧進水閥門8 和調(diào)風百葉窗4，關閉消霧進水閥門9 和露點調(diào)節(jié)裝置5，上塔熱水直接進入主配水管，系統(tǒng)處于常規(guī)機力通風冷卻塔狀態(tài)；冷季（11 月～4 月）時，調(diào)節(jié)不消霧進水閥門8 和消霧進水閥門9，打開露點調(diào)節(jié)裝置5，調(diào)節(jié)干冷和濕冷部分的進風量配比，系統(tǒng)處于環(huán)保型消霧節(jié)水冷卻塔狀態(tài)。

同時，就地PLC 控制柜通過硬接線傳遞故障信號至DCS，大大增強了系統(tǒng)的可靠性。當冷卻塔進水控制系統(tǒng)的就地控制出現(xiàn)故障時，控制切換到遠程狀態(tài)，直接由DCS 控制進水閥門，當故障消除后切換回就地PLC 控制。

抽真空控制系統(tǒng)包含對抽真空管路和補水排水管路的控制，且只在環(huán)境溫度小于18℃，冷卻塔進入消霧節(jié)水狀態(tài)時啟動。抽真空系統(tǒng)控制邏輯圖如圖5 所示，控制系統(tǒng)首先啟動補水泵，打開補水閥；待補水罐液位正常時關閉補水泵和補水閥；打開消霧電動蝶閥和所有抽真空氣動球閥，啟動兩臺真空泵；直到冷卻塔真空罐液位上行至高位時，關閉此塔的抽真空氣動球閥；待所有冷卻塔抽真空氣動球閥都已關閉時，停用兩臺真空泵；當系統(tǒng)真空降低至中位時，啟動主真空泵；如果系統(tǒng)真空繼續(xù)降低至低位，則啟動副真空泵。當系統(tǒng)退出消霧狀態(tài)時，關閉消霧電動蝶閥和所有抽真空氣動球閥，停用兩臺真空泵。

圖5 冷卻塔消霧抽真空系統(tǒng)控制邏輯圖Fig.5 Logic diagram of cooling tower anti-mist vacuum system

壓縮空氣控制系統(tǒng)為整個冷卻塔消霧系統(tǒng)氣動閥提供氣源，就近從廠區(qū)壓縮空氣母管引入壓縮空氣，并設置壓縮空氣儲罐，滿足冷卻塔壓縮空氣管路的用氣（氣量0.5m3/min，壓力0.4MPa ～0.6MPa）。

3 結論

本文從機理上分析了機力通風冷卻塔羽霧形成原因，并在某燃機項目中設計應用了消霧節(jié)水措施和消霧控制系統(tǒng)，消除了冷卻塔風筒出口處羽霧，并通過露點調(diào)節(jié)裝置減少了水量蒸發(fā)損失，同時塔內(nèi)氣室空氣混合器將出填料的飽和濕熱空氣冷凝一部分水蒸氣回流到塔內(nèi)，進一步節(jié)約了水資源。