自然通風(fēng)濕式冷卻塔節(jié)水方案的試驗研究

楊 岑，宋小軍，趙順安，李陸軍，宋志勇，黃春花

(中國水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038)

1 研究背景

火力發(fā)電是我國能源供應(yīng)的主要方式，其用水量約占工業(yè)用水總量的43.9，其中大部分為循環(huán)冷卻用水。自然通風(fēng)濕式冷卻塔[1-2]是循環(huán)冷卻用水的關(guān)鍵設(shè)備，其運行過程產(chǎn)生的蒸發(fā)、風(fēng)吹和排污損失約占火電行業(yè)總用水量的80，因此研究自然通風(fēng)濕式冷卻塔節(jié)水方案，促進火電行業(yè)節(jié)水改造，對于提高工業(yè)用水效率具有重要的社會與經(jīng)濟意義。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞濕式冷卻塔的水量損失，研究了以下節(jié)水方案：(1)提高循環(huán)冷卻水的濃縮倍率，減少排污損失[3]；(2)安裝高效收水器或采用高壓靜電收水技術(shù)，減少風(fēng)吹損失[4-5]；(3)采用干濕式冷卻塔，減小蒸發(fā)損失[6]；(4)噴灑冷凝劑或采用熱管技術(shù)進行降溫冷凝，回收蒸發(fā)損失[7-8]。前述節(jié)水方案中，提高濃縮倍率存在一定局限性，這是由于過高的濃縮倍率會增加循環(huán)水處理的復(fù)雜性和難度，從而加重設(shè)備腐蝕；由于風(fēng)吹損失僅占循環(huán)水量的0.01，故其節(jié)水潛力不大；蒸發(fā)損失約為循環(huán)水總量的1.0～1.5，是濕式冷卻塔的主要耗水量，因此減少或回收冷卻塔蒸發(fā)損失可有效降低工業(yè)用水量。目前減少或回收蒸發(fā)損失節(jié)水方案主要圍繞機械通風(fēng)冷卻塔[9-10]展開，一種是增加干區(qū)用于減小蒸發(fā)損失，主要采用干濕式節(jié)水消霧冷卻塔[11-13]和低霧型冷卻塔[14]；一種是通過蒸汽冷凝回收蒸發(fā)損失，主要采用馬利消霧節(jié)水冷卻塔[15-17]。由于涉及自然通風(fēng)濕式冷卻塔的研究成果較少，需要圍繞自然通風(fēng)濕式冷卻塔的節(jié)水方案展開研究。

本文依據(jù)水蒸氣降溫冷凝原理，提出回收自然通風(fēng)濕式冷卻塔蒸發(fā)損失的節(jié)水方案；并通過搭建自然通風(fēng)濕式冷卻塔的熱態(tài)模型試驗平臺，圍繞所提出節(jié)水方案的原理可行性展開研究。

2 試驗設(shè)計

2.1 節(jié)水方案由圖1可以看出，當(dāng)空氣含濕量不變時(圖中所示等濕變化過程)，空氣相對濕度隨其溫度降低而增大；當(dāng)相對濕度高于100時，空氣會發(fā)生過飽和而產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象；空氣相對濕度達到100時對應(yīng)的干球溫度稱為該狀態(tài)下的空氣露點溫度。水蒸氣降溫冷凝可分為以下兩個過程[18]：首先是空氣與冷壁面接觸的溫降過程，其次當(dāng)空氣溫度降至其露點溫度以下時在冷壁面開始發(fā)生水蒸氣凝結(jié)。依據(jù)前述原理研究自然通風(fēng)濕式冷卻塔的節(jié)水方案，因此需要在其濕熱空氣區(qū)域內(nèi)設(shè)置低溫冷凝結(jié)構(gòu)，促使水蒸氣發(fā)生冷凝。

圖1 濕空氣含濕量特性曲線Fig.1 Characteristic curve of air moisture content

本文采用冷凝錐體和空氣冷凝器2類冷凝結(jié)構(gòu)，并放置在冷卻塔出口回收其蒸發(fā)損失(見圖2)。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式和冷源不同，用于回收自然通風(fēng)濕式冷卻塔蒸發(fā)損失的節(jié)水方案分為氣冷型冷凝錐體、水冷型冷凝錐體(圖3(a))和空氣冷凝器(圖3(b))。氣冷型冷凝錐體采用塔外環(huán)境空氣作為冷源，并利用抽風(fēng)式軸流風(fēng)機提供動力，依靠冷卻空氣與錐體壁面的對流換熱作用來降低錐體結(jié)構(gòu)溫度。水冷型冷凝錐體采用常溫水作為冷源，并利用水泵提供動力，依靠冷卻水與錐體壁面的對流換熱作用來降低錐體結(jié)構(gòu)溫度?？諝饫淠鞑捎盟猸h(huán)境空氣作為冷源，并設(shè)置鼓風(fēng)風(fēng)機為冷源提供動力，依靠冷卻空氣與冷凝器壁面的對流換熱降低其壁面溫度。

圖2 冷凝結(jié)構(gòu)布置方式Fig.2 Arrangement of condenser

圖3 冷凝結(jié)構(gòu)型式Fig.3 Structure of condenser

2.2 試驗?zāi)Ｐ鸵阅畴姀S600 MW機組配套的自然通風(fēng)濕式冷卻塔為原型，采用密度弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則搭建幾何比尺1∶110的試驗?zāi)Ｐ?，對水冷型冷凝錐體、氣冷型冷凝錐體和空氣冷凝器結(jié)構(gòu)的原理可行性展開研究，并對其節(jié)水特性進行初步評估。試驗?zāi)Ｐ椭饕ㄗ匀煌L(fēng)濕式冷卻塔、冷凝錐體和空氣冷凝器。

(1)自然通風(fēng)濕式冷卻塔：為了保證與原型的水氣換熱條件相似，自然通風(fēng)濕式冷卻塔模型也設(shè)置了相應(yīng)的配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)，其主要包括冷卻塔模型、供水系統(tǒng)和支撐平臺(見圖4)。模型采用鋁制絲網(wǎng)模擬淋水填料并采用管式配水，通過電熱水箱的熱水從冷卻塔中心進入，經(jīng)垂直配水母管向8根樹枝狀支管均勻配水，并通過12個噴頭均勻噴灑至填料表面，匯流于模型下方的集水池，最后流至電熱水箱。試驗條件下冷卻塔模型的測量參數(shù)包括：采用電磁流量計和鉑電阻溫度計分別測量循環(huán)水流量和進、出水溫；采用干濕球溫度計和熱線風(fēng)速儀分別測量出口濕熱空氣的干濕球溫度和流速。

圖4 試驗?zāi)Ｐ偷恼w布置Fig.4 Setup of test model

(2)冷凝錐體結(jié)構(gòu)：冷凝錐體采用嵌套式雙圓錐結(jié)構(gòu)，兩圓錐之間的環(huán)形縫隙作為冷卻流體通道，冷卻塔出口濕熱空氣的冷凝主要發(fā)生在外圓錐面。水冷型冷凝錐體的結(jié)構(gòu)布置見圖5，采用循環(huán)水泵將冷卻水送至裝置頂面入口，經(jīng)配水箱均勻分布于流體環(huán)形通道，然后通過對流換熱作用降低外圓錐面溫度。氣冷型冷凝錐體的結(jié)構(gòu)布置見圖6，其利用抽風(fēng)風(fēng)機作為冷源驅(qū)動，冷卻空氣(低溫環(huán)境空氣)沿環(huán)形流道進入，并通過對流換熱作用降低外圓錐面溫度。試驗條件下冷凝錐型結(jié)構(gòu)的測量參數(shù)包括：采用量筒和鉑電阻溫度計分別測量水冷型冷凝錐體冷卻水的流量和水溫；采用熱線風(fēng)速儀測量氣冷型冷凝錐體的冷卻空氣流量，并采用壓力表和干濕球溫度計分別測量環(huán)境大氣壓和空氣干濕球溫度。

圖5 水冷型冷凝錐體Fig.5 Water-cooled conical condenser

圖6 氣冷型冷凝錐體Fig.6 Air-cooled conical condenser

(3)空氣冷凝器結(jié)構(gòu)：如圖7所示，冷卻空氣(低溫環(huán)境空氣)依靠4臺風(fēng)機進入環(huán)形風(fēng)道，并均勻分配至36個空氣冷凝模塊。由于空氣冷凝模塊均采用梯形四棱臺結(jié)構(gòu)，冷卻塔出口濕熱空氣會在其4個表面發(fā)生冷凝。試驗條件下空氣冷凝器的測量參數(shù)包括：采用熱線風(fēng)速儀測量空冷凝汽器的冷卻空氣流量；采用壓力表和干濕球溫度計分別測量環(huán)境大氣壓和空氣干濕球溫度。

圖7 空氣冷凝器Fig.7 Air-cooled condenser

2.3 數(shù)據(jù)整理方法不同方案的節(jié)水量均通過濾紙吸濕稱重法測量。試驗前將濾紙烘干密封測重量，測試時將濾紙取出，擦拭節(jié)水裝置表面的凝結(jié)水，并將濾紙密封再稱重。濾紙前后稱重的質(zhì)量即為測量時間段內(nèi)的節(jié)水量。后續(xù)試驗結(jié)果分析采用單位時間節(jié)水量、單位面積節(jié)水量和節(jié)水率來評估不同方案的節(jié)水特性。

單位時間節(jié)水量用于定義不同冷凝結(jié)構(gòu)在單位時間的節(jié)水效果，計算公式如下：

(1)

式中：qws為單位時間節(jié)水量，kg/h；Ts為測量節(jié)水量的時間間隔，h；mws為冷凝結(jié)構(gòu)表面的凝結(jié)水量，kg。

單位面積節(jié)水量用于定義不同冷凝結(jié)構(gòu)表面單位面積的節(jié)水效果，計算公式如下：

(2)

式中：qAws為單位面積節(jié)水量，kg/(h·m2)；As不同冷凝結(jié)構(gòu)與冷卻塔出口濕熱空氣接觸的表面積，m2，試驗條件下冷凝錐體的表面積為0.272 m2，空氣冷凝器的表面積為0.412 m2。

節(jié)水率采用單位時間節(jié)水量與冷卻塔蒸發(fā)量的比值進行定義，計算公式如下：

(3)

式中：η為節(jié)水率，；qwe為冷卻塔蒸發(fā)損失量，kg/h，采用如下公式計算；

2013年6月，在華東師范大學(xué)舉辦的“未來十年中國數(shù)學(xué)教育發(fā)展”研討會上，與會專家一致表達了再次申辦ICME的愿望．2013年10月，提請中國數(shù)學(xué)會同意向國際數(shù)學(xué)教育委員會正式表達中國申辦ICME-14的意向，成立了由我主持、華東師范大學(xué)數(shù)學(xué)教育團隊為主要成員的“ICME-14申辦委員會”．2013年11月13日，我向ICMI秘書長Abraham Arcavi正式遞送了王詩宬理事長簽署的中國數(shù)學(xué)會申辦、上海數(shù)學(xué)會和華東師范大學(xué)承辦ICME-14的意向函．

(4)

式中：ρo為冷卻塔出口濕熱空氣的密度，kg/m3；vo為冷卻塔出口濕熱空氣的流速，m/s；xi和xo分別為冷卻塔進口環(huán)境空氣和出口濕熱空氣的含濕量，kg/kg；Ato為冷卻塔出口斷面面積，m2，試驗條件下Ato=0.342 m2。

3 結(jié)果分析與討論

影響不同冷凝結(jié)構(gòu)節(jié)水特性的主要因素是冷卻塔出口濕熱空氣特性和冷凝結(jié)構(gòu)壁面溫度。出口濕熱空氣特性主要受環(huán)境空氣參數(shù)和冷卻塔運行特性的影響；冷凝結(jié)構(gòu)壁面溫度主要受其冷源溫度和流量的影響。本研究主要探討冷卻塔熱負荷及其循環(huán)水流量，以及冷源流量對不同冷凝結(jié)構(gòu)節(jié)水特性的影響。

3.1 水冷型冷凝錐體對于水冷型冷凝錐體，主要探討冷卻塔熱負荷及其循環(huán)水流量，以及冷卻水(冷源)流量對其節(jié)水特性的影響，表1給出了不同試驗條件下水冷型冷凝錐體的節(jié)水特性參數(shù)。

表1 水冷型冷凝錐體的節(jié)水特性

從表中數(shù)據(jù)可以看出，冷卻塔熱負荷、循環(huán)水流量以及冷卻水流量均會對水冷型冷凝錐體的節(jié)水特性產(chǎn)生影響。水冷型冷凝錐體的單位面積節(jié)水量和節(jié)水率均隨著冷卻塔熱負荷及冷卻水流量的增大而增大，但隨著循環(huán)水流量的增大而減小。增大冷卻塔熱負荷或減小循環(huán)水流量均會提高循環(huán)水溫度，從而增強冷卻塔內(nèi)空氣與循環(huán)水間的對流和蒸發(fā)換熱作用，進而增大出口空氣的溫度和含濕量，此時出口濕熱空氣具有較高的露點溫度，更容易在冷凝結(jié)構(gòu)表面發(fā)生凝結(jié)。增大冷卻水流量會增強冷卻水與冷凝錐體外壁面間的對流換熱作用，從而降低外壁面溫度，此時出口濕熱空氣在其表面更易發(fā)生冷凝。從表中還可以看出，試驗條件下水冷型冷凝錐體的最大節(jié)水率僅為0.351，這是由于試驗?zāi)Ｐ屠淠娣e有限，僅回收了小部分蒸發(fā)的水蒸氣。

3.2 氣冷型冷凝錐體對于氣冷型冷凝錐體，主要分析冷卻塔熱負荷及其循環(huán)水流量的影響，表2給出了不同試驗條件下氣冷型冷凝錐體的節(jié)水特性參數(shù)。

表2 氣冷型冷凝錐體的節(jié)水特性

從表中數(shù)據(jù)可以看出，冷卻塔熱負荷會顯著影響氣冷型冷凝錐體的節(jié)水特性，而循環(huán)水流量影響甚微。隨著冷卻塔熱負荷增大，氣冷型冷凝錐體的單位面積節(jié)水量和節(jié)水率均增大。這是由于增大冷卻塔熱負荷會增強冷卻塔內(nèi)空氣與循環(huán)水間的對流和蒸發(fā)換熱作用，從而升高出口濕熱空氣的露點溫度，使其更容易在冷凝結(jié)構(gòu)表面發(fā)生凝結(jié)。從表中還可以看出，試驗條件下氣冷型冷凝錐體的最大節(jié)水率僅為0.045，一方面由于試驗?zāi)Ｐ屠鋮s空氣流速較低，對冷凝錐體外壁面降溫幅度小，壁面溫度與濕熱空氣露點溫度異不顯著，不利于冷凝發(fā)生；另一方面試驗?zāi)Ｐ屠淠娣e有限，僅回收了小部分蒸發(fā)的水蒸氣。

表3 空氣冷凝器的節(jié)水特性

從表中數(shù)據(jù)可以看出，冷卻塔熱負荷和冷卻空氣流量均會影響空氣冷凝器的節(jié)水特性?？諝饫淠鞯膯挝幻娣e節(jié)水量和節(jié)水率均隨著冷卻塔熱負荷及冷卻空氣流量的增大而增大。增大冷卻塔熱負荷會提高出口濕熱空氣的露點溫度，且增大冷卻空氣流量會降低空氣冷凝器壁面溫度，都有利于出口濕熱空氣在冷凝結(jié)構(gòu)表面發(fā)生凝結(jié)。從表中還可以看出，試驗條件下空氣冷凝器的最大節(jié)水率為0.263，一方面由于試驗?zāi)Ｐ屠鋮s空氣流速較低，冷凝結(jié)構(gòu)外壁面溫度與濕熱空氣露點溫度異不顯著，不利于冷凝發(fā)生；另一方面試驗?zāi)Ｐ屠淠娣e有限，僅回收了小部分蒸發(fā)的水蒸氣。

3.4 不同冷凝結(jié)構(gòu)的對比分析表4給出了不同冷卻塔熱負荷條件下3種冷凝結(jié)構(gòu)的節(jié)水特性。由表中數(shù)據(jù)可以看出，相同冷卻塔熱負荷條件下，空氣冷凝器的單位時間節(jié)水量和節(jié)水率最大，水冷型冷凝錐體次之，氣冷型冷凝錐體最??；水冷型冷凝錐體的單位面積節(jié)水量最大，空氣冷凝器次之，氣冷型冷凝錐體最小。冷卻水的對流換熱效果比冷卻空氣好，所以水冷型冷凝錐體結(jié)構(gòu)表面溫度比氣冷型冷凝錐體和空氣冷凝器均低，水冷型冷凝錐體壁面更易發(fā)生水蒸氣冷凝；試驗條件下空氣冷凝器與冷卻塔出口濕熱空氣的接觸面積更大，所以空氣冷凝器比冷凝錐體的單位時間節(jié)水量和節(jié)水率要高。

表4 不同冷凝結(jié)構(gòu)的節(jié)水特性

相對于氣冷型冷凝結(jié)構(gòu)，水冷型冷凝錐體預(yù)設(shè)流道內(nèi)的冷卻水自重較大，需要提供更為嚴(yán)格的支撐裝置，從而增加施工和建造成本，同時其需要較高揚程的水泵才可實現(xiàn)冷源水的循環(huán)利用，故水冷型冷凝錐體的工程實際應(yīng)用不太可行。相對于氣冷型冷凝錐體，空氣冷凝器具有更大的冷凝面積，能夠更有效地回收濕式冷卻塔的蒸發(fā)損失，故空氣冷凝器結(jié)構(gòu)具有更廣泛的工程實踐意義。

4 結(jié)論

本文通過熱態(tài)模型試驗，對水冷型冷凝錐體、氣冷型冷凝錐體和空氣冷凝器的節(jié)水可行性展開了研究，并初步分析了影響冷凝結(jié)構(gòu)節(jié)水特性的主要因素。主要結(jié)論如下：

(1)水冷型冷凝錐體、氣冷型冷凝錐體和空氣冷凝器均可回收自然通風(fēng)濕式冷卻塔的蒸發(fā)損失。

(2)冷卻塔熱負荷及其循環(huán)水流量，以及冷源流量均會影響冷凝結(jié)構(gòu)的節(jié)水特性。冷凝結(jié)構(gòu)的單位面積節(jié)水量和節(jié)水率均會隨著冷卻塔熱負荷和冷源流量的增大而增大，而隨著循環(huán)水流量的增大而減小。

(3)相同冷卻塔熱負荷和環(huán)境空氣條件下，空氣冷凝器的單位時間節(jié)水量和節(jié)水率最大(分別為0.041 kg/h和0.263)，水冷型冷凝錐體次之(分別為0.039 kg/h和0.255)，氣冷型冷凝錐體最小(分別為0.007 kg/h和0.045)；水冷型冷凝錐體的單位面積節(jié)水量最大(0.144 kg/(h·m2))，空氣冷凝器次之(0.099 kg/(h·m2))，氣冷型冷凝錐體最小(0.025 kg/(h·m2))。

(4)提高冷凝結(jié)構(gòu)節(jié)水特性的關(guān)鍵是增大冷凝面積；相比于冷凝錐體，空氣冷凝器具有更大的冷凝面積，能夠更有效地回收蒸發(fā)損失，具有更廣泛的工程實踐意義。

由于搭建的是較為簡單的開放式原理性試驗平臺，對于節(jié)水方案的定性分析是可靠的，而定量評價結(jié)果較為粗糙。為了更深入分析節(jié)水方案裝置的運行特性，需建立數(shù)學(xué)模型并通過數(shù)值方法開展研究。