淺談火力發(fā)電廠閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)用及設(shè)計(jì)

中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 蘇金龍 吳振東

火力發(fā)電廠在實(shí)際運(yùn)行過程中，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量直接影響了火力發(fā)電廠整體安全運(yùn)行，并與火力發(fā)電廠的降耗、節(jié)能等多個(gè)方面有著密切的聯(lián)系。通過實(shí)踐可以了解到，通過優(yōu)良的水質(zhì)穩(wěn)定劑以及加強(qiáng)開展運(yùn)行監(jiān)督工作基礎(chǔ)上，需要注重提升運(yùn)行人員自身專業(yè)素質(zhì)，有利于更好勝任該崗位工作，有效提升循環(huán)冷卻水系統(tǒng)整體運(yùn)行性能，除此之外做好完善的循環(huán)冷卻水相關(guān)處理工作。

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要包含循環(huán)水管網(wǎng)、冷卻水泵、冷卻構(gòu)筑物以及循環(huán)水池，系統(tǒng)運(yùn)行期間，閉式循環(huán)冷卻水送至生產(chǎn)車間供生產(chǎn)設(shè)備的冷卻用水，基于冷卻設(shè)備循環(huán)用水，冷卻之后能夠循環(huán)使用水流。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，需要在系統(tǒng)中對加藥裝置以及旁濾裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。對于系統(tǒng)循環(huán)水路線而言，通過水塔經(jīng)濾網(wǎng)將循環(huán)水泵送至凝汽器并返回水塔，通過水循環(huán)的方式進(jìn)入汽機(jī)房，通過循環(huán)水供水母管供凝汽器冷卻熱力系統(tǒng)汽水，冷卻后，凝汽器回水至循環(huán)水回水母管，然后返回水塔[1]。

1 比較管式水-水換熱器與板式水-水換熱器

1.1 比較傳熱設(shè)計(jì)

對于管式水-水換熱器而言，換熱管為換熱器中不可或缺的主要構(gòu)件，管內(nèi)和管外流體流動(dòng)，管內(nèi)外壁會(huì)形成換熱器傳熱表面。管子流體性質(zhì)、材料等有著密切的關(guān)聯(lián)，尤其對于通常在管中流動(dòng)的腐蝕性海水、較差水質(zhì)等情況。對于優(yōu)質(zhì)的水質(zhì)，在管外進(jìn)行合理放置。通過實(shí)施這種方式，端管板以及管子通過應(yīng)用耐海水腐蝕鈦材，針對筒體而言主要應(yīng)用普通碳鋼材料，有利于節(jié)約更多資金，并能夠?qū)η昂蠊軆?nèi)以及水室污垢進(jìn)行清洗。在理論方面，基于相同換熱面積基礎(chǔ)上，實(shí)施小直徑管子能夠?qū)Q熱器體積進(jìn)行合理縮小，然而當(dāng)遇到較差水質(zhì)情況，水中會(huì)存在有害生物、污物、泥沙等，如果使用過小管徑，容易產(chǎn)生堵管問題，導(dǎo)致傳熱表面出現(xiàn)惡化的問題。

面對以上問題，通常會(huì)選擇適合的管徑，針對換熱管一般會(huì)應(yīng)用管徑大約在20～30mm。與此同時(shí)，應(yīng)對流體進(jìn)行確定，形成的污垢通常受流速、管壁溫度的影響，設(shè)計(jì)規(guī)范需要合理控制在0.5～2.5m/s。然而，實(shí)際設(shè)計(jì)期間，為了避免管束振動(dòng)以及避免管內(nèi)循環(huán)水污垢沉積等情況，管內(nèi)介質(zhì)流速需要合理控制在2m/s。

對于板式水-水換熱器的冷卻水而言，會(huì)在波紋板的兩側(cè)冷卻水進(jìn)行對流，通過人字形波紋，波紋斜交方式進(jìn)行傳熱，相鄰的傳熱板成傾斜角相同，然而波紋的方向并不相同。沿流動(dòng)方向橫截面展現(xiàn)出恒定狀態(tài)，對于流動(dòng)的方向會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，改變了流道形狀，會(huì)加大湍流現(xiàn)象產(chǎn)生的概率。通常情況下，對于傳熱板波紋的深度進(jìn)行分析，會(huì)在3～5mm范圍內(nèi)，湍流區(qū)的流速一般在0.1～1.0m/s，結(jié)合水質(zhì)的要求注重對流速進(jìn)行選擇，當(dāng)流速出現(xiàn)過低的情況，會(huì)出現(xiàn)污垢沉積的問題。當(dāng)流速出現(xiàn)過高的情況，阻力會(huì)不斷地增大。

板式換熱器波紋板一般比較薄，通常厚度在0.5～1mm，相鄰板間一般會(huì)存在較多接觸點(diǎn)，能夠較好地承受正常運(yùn)行壓力，相鄰板有相反方向人字形溝槽，兩個(gè)溝槽交叉點(diǎn)形成了接觸點(diǎn)，能夠?qū)φ駝?dòng)進(jìn)行消除，可以確保熱交換、湍流能夠同時(shí)進(jìn)行，對疲勞裂縫產(chǎn)生內(nèi)部泄漏進(jìn)行有效消除。人字形波紋板湍流度呈現(xiàn)出比較高的情況，對于高湍流能夠充分展現(xiàn)出清洗的作用，能夠減小其沉積污垢。介質(zhì)在板式換熱器中進(jìn)行變向流動(dòng)，在波紋板中呈現(xiàn)出存在較多的接觸點(diǎn)的現(xiàn)象，板間的間隙比較小，在流體中含有懸浮的雜物、固體顆粒、水草等，可有效提升整體換熱效果[2]。

1.2 比較傳熱系數(shù)

針對管式水-水換熱器中的冷卻水作為層流，當(dāng)管壁上的流速為零時(shí)，傳熱一般通過水的傳熱有序進(jìn)行。針對冷側(cè)介質(zhì)以及熱側(cè)介質(zhì)流動(dòng)呈90°，并不會(huì)形成對流。針對水-水換熱器，傳熱系統(tǒng)的K值通常在2000～3000W/m2·K。在實(shí)際分析板式水-水換熱器過程中，需要注意的一點(diǎn)是流道中的介質(zhì)會(huì)不斷置換板壁、通道中心。冷側(cè)和熱側(cè)介質(zhì)會(huì)呈現(xiàn)出180°，并形成對流，換熱效率逐漸提升。針對水-水換熱器而言，傳熱系數(shù)K值通常在4000～6000W/m2·K。通過綜合性進(jìn)行比較，實(shí)施板式水-水換熱器在傳熱系數(shù)上比較高，有著不錯(cuò)的傳熱效果，與此同時(shí)采用板式換熱器能夠節(jié)約一定的換熱面積[3]。

1.3 比較冷卻水量

注重比較安裝檢修環(huán)節(jié)。對于管式水-水換熱器主要是由管束組成，存在著較大的體積，實(shí)際開展檢修抽管過程中需要給管束合理留出一定的距離，主要原因在于設(shè)備自身占據(jù)較大的地方。對于管式的交換器設(shè)計(jì)壽命通常在30年，大修周期一般為5年。當(dāng)熱交換器產(chǎn)生泄漏問題，需要合理運(yùn)用堵管方式可及時(shí)進(jìn)行性能恢復(fù)，管式熱交換器一般有5%堵管裕量，在進(jìn)行清洗管內(nèi)過程中應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，合理運(yùn)用膠球清洗裝置開展機(jī)械定期清洗。當(dāng)沒有應(yīng)用膠球清洗裝置，一般在大修過程中通過人孔進(jìn)入到水室開展高壓水槍沖洗工作。

實(shí)際應(yīng)用管式水-水換熱器過程中，合理運(yùn)用室外布置形式，設(shè)備露天布置鄰近凝汽循環(huán)冷卻水處，工程布置在C排外。通過這種布置方式，可以確保管線流程更加便捷，為取消一次水升壓泵創(chuàng)造了更多的有利條件。與此同時(shí)，在室外露天布置管式水-水換熱器過程中，需要對主廠房內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化布置，有利于對主廠房的容積進(jìn)行合理減小創(chuàng)造更多有利條件。

實(shí)施板式水-水換熱器過程中，呈現(xiàn)出重量輕以及體積小等特征，在實(shí)際檢修期間不用通過檢修起吊設(shè)施。在進(jìn)行板式換熱器人工維護(hù)工作期間，應(yīng)做好整機(jī)拆開工作，通過刷子和噴水槍的方式做好墊片、板片的清洗工作，加強(qiáng)對墊片、板片進(jìn)行檢查，當(dāng)有必要的情況下及時(shí)對墊片、板片進(jìn)行更換。結(jié)合實(shí)際情況可以了解到，對于板式熱交換器而言，需要每年進(jìn)行兩次清洗[4]。

針對板式換熱器來說，存在著較小的體積，可以合理放置在室內(nèi)。針對板式水-水換熱器而言存在著較大的阻力，通?；鹆Πl(fā)電廠應(yīng)用期間，需要合理增加配置一次水升壓泵和濾水器，在板式換熱器中做好廠房內(nèi)的布置工作，會(huì)有較大的主廠房占用空間。然而，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，當(dāng)在發(fā)電廠中廣泛應(yīng)用低阻力板式換熱器，對于低阻力板式換熱器在實(shí)際應(yīng)用過程中，不用配置一次水升壓泵。

圖1 火力發(fā)電廠閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

2 探究火力發(fā)電廠閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

2.1 優(yōu)化冷卻塔設(shè)計(jì)方案

針對閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行分析，主要的設(shè)備在冷卻塔。當(dāng)循環(huán)水基于凝汽器使水溫升高，在冷卻塔降溫以后可達(dá)到冷卻水的入口溫度，實(shí)施水循環(huán)經(jīng)過凝汽器可實(shí)現(xiàn)較好的循環(huán)應(yīng)用、冷卻工藝介質(zhì)等標(biāo)準(zhǔn)。冷卻塔中，熱水會(huì)從塔的上部向下開展噴淋工作。水滴或者水膜狀銅管空氣由上到下，水膜與水滴出現(xiàn)逆向流動(dòng)情況，水平方向流動(dòng)，水與空氣接觸期間，會(huì)實(shí)時(shí)蒸發(fā)傳熱、對流傳熱開展熱交換，有利于降低水溫。

在實(shí)際開展冷卻塔系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，需要配置相應(yīng)的噴淋水循環(huán)系統(tǒng)，對于下部水槽而言需要合理運(yùn)用玻璃鋼材質(zhì)，對于下部應(yīng)設(shè)置內(nèi)部配管、出水管、排污管、補(bǔ)水管等，并合理選擇噴淋水泵材料。針對熱交換器，需要合理應(yīng)用磷脫氧紫銅管，注重優(yōu)化法蘭連接式結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用法蘭換管和堵管，實(shí)施三維坡度設(shè)計(jì)優(yōu)化熱交換器應(yīng)用方案，及時(shí)排凈內(nèi)部的積水、空氣等。全封閉室外型電機(jī)實(shí)際應(yīng)用期間，防護(hù)等級需要達(dá)到IP55、F級。

冷卻塔系統(tǒng)運(yùn)行過程中，水耗主要包含：閉冷塔噴淋水蒸發(fā)、循環(huán)水泄漏、閉冷塔噴淋水排污、閉冷塔噴淋水漂水等。循環(huán)水泄漏一般較小，大多從噴淋水進(jìn)行損耗。正常補(bǔ)水過程中，需要充分了解水位控制補(bǔ)水水量，在此基礎(chǔ)上應(yīng)做好浮球閥的科學(xué)設(shè)定工作。當(dāng)自動(dòng)補(bǔ)水過程中，產(chǎn)生浮球閥故障的現(xiàn)象以及水位存在著較低等情況，應(yīng)需要工作人員及時(shí)做好手動(dòng)補(bǔ)水門的補(bǔ)水作業(yè)活動(dòng)，使噴淋泵能夠?qū)嶋H符合所需的水位。在春季、夏季和秋季，為了確保循環(huán)水質(zhì)，工作人員應(yīng)做好定期殺菌工作，并且要合理運(yùn)用殺菌劑。

當(dāng)循環(huán)流量、水壓力越大情況，會(huì)導(dǎo)致冷卻塔冷卻效果越差，因此需要對循環(huán)水壓力進(jìn)行合理調(diào)整，可以取得不錯(cuò)的冷卻效果。冷卻風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，加快冷卻塔中空氣流動(dòng)，確保冷卻效果。環(huán)境溫度滿足循環(huán)水冷卻的溫度，避免出現(xiàn)電耗增加問題。噴淋水溫度一般存在著較低現(xiàn)象，可保障流量冷卻效果。當(dāng)溫度以及噴淋流量發(fā)生相應(yīng)的變化，會(huì)導(dǎo)致輔機(jī)的電耗以及水耗等問題越加突出，針對該問題，需要工作人員科學(xué)控制噴淋水的溫度、流量等多方面內(nèi)容。值得注意的是，應(yīng)做好噴淋水、循環(huán)水銅管的充分接觸工作，對閉冷塔中的填料是否完好開展全面檢查。

2.2 注重優(yōu)化循環(huán)水管網(wǎng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行期間，如果管網(wǎng)出現(xiàn)漏失水量現(xiàn)象，對于閉式管路系統(tǒng)運(yùn)行安全性及穩(wěn)定性帶來較大影響。如果發(fā)生漏水情況，加大了管網(wǎng)的壓力波動(dòng)。對于循環(huán)水主干管道出現(xiàn)漏水點(diǎn)的問題，工作人員應(yīng)注重優(yōu)化和完善大氣相同作業(yè)活動(dòng)，做好泄壓的工作，并大幅度下跌管網(wǎng)壓力。實(shí)際開展循環(huán)水管網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，閉式循環(huán)水系統(tǒng)管道位置設(shè)置需要嚴(yán)格遵循檢修以及維護(hù)的原則，設(shè)置的管道需要優(yōu)化架空設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并遵循管廊、管溝以及埋地等有序開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。循環(huán)水處理站管道銅管管溝、埋地、架空等相互結(jié)合形式，合理優(yōu)化循環(huán)水管道，并在地下管廊內(nèi)設(shè)置循環(huán)水管道，做好多層敷設(shè)工作。

2.3 重視冷卻設(shè)備的選型工作

針對冷卻設(shè)備需要對閉式進(jìn)行科學(xué)選擇，合理運(yùn)用水水換熱器的方式。為了確?；鹆Πl(fā)電廠閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重對耐海水腐蝕材料進(jìn)行選擇，通常選擇雙相不銹鋼和鈦鋼合金等。

2.4 重視高位回收水箱的選型工作

系統(tǒng)運(yùn)行過程中對高位回收水箱進(jìn)行合理設(shè)置，通過容納系統(tǒng)補(bǔ)水給循環(huán)水泵吸水以及容納系統(tǒng)補(bǔ)水、接收系統(tǒng)回水等多個(gè)方面創(chuàng)造更加有利條件。對于水箱容積系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要做好水箱的清洗與檢修工作，一般在電廠機(jī)組檢修間做好檢修工作。合理融入箱體設(shè)化學(xué)藥劑，并通過氮?dú)夥绞奖Ｕ纤鋬?nèi)外的壓力保持恒定的狀態(tài)，有效提升空氣整體隔絕的效果。

2.5 注重優(yōu)化管道材質(zhì)以及防腐材料

系統(tǒng)管道材質(zhì)對低碳鋼材質(zhì)進(jìn)行合理運(yùn)用，做好預(yù)膜處理工作，實(shí)際運(yùn)行過程中合理融入緩蝕劑、阻垢劑等，避免管道出現(xiàn)腐蝕結(jié)垢問題。

2.6 優(yōu)化設(shè)備布置

閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的用水點(diǎn)、供水點(diǎn)需要在主廠房進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，布置的系統(tǒng)設(shè)備需要結(jié)合實(shí)際情況，做好優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于縮短管道的布置長度，有利于降低管道阻力。

新形勢下，火力發(fā)電廠在實(shí)際經(jīng)營與發(fā)展期間，需要明確意識(shí)到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)貫穿于發(fā)電廠的全過程，閉式循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)質(zhì)量與火電廠實(shí)際效益、運(yùn)行狀態(tài)等產(chǎn)生很大的影響。工作人員需要自主學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外循環(huán)冷卻水控制理論，并與我國循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行有效結(jié)合，積極探索更多的高效方式，有利于科學(xué)控制循環(huán)冷卻水。在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，需要做好可靠性循環(huán)冷卻水系統(tǒng)評價(jià)工作，對于重要部分，需要合理運(yùn)用冗余措施，加強(qiáng)對軟件的容錯(cuò)功能進(jìn)行科學(xué)控制，有效提高系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性。通過這種方式，有利于更好順應(yīng)當(dāng)前時(shí)代的發(fā)展，有利于促進(jìn)我國電力領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。