喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用
第２８卷第１期动力工程ＶｏＩ．２８Ｎｏ．１２００８年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒ
ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｅｂ．２００８文章编号：１０００—６７６１（２００８）０１—００６４—０４
喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用
赵文升１，王松岭１，荆有印１，陈继军＇张继斌２（１．华北电力大学能源与动力工程学院，保定０７１００３；２．大唐国际云冈热电有限公司，大同０３７０００）摘要：直接空冷汽轮机组在夏季高温时段的出力受阻是一个普遍问题．采用喷雾增湿法可有效降低空冷器入Ｉ：／空气温度，改善空冷器的换热效果，提高机组的运行真空并使其满发．通过喷雾增湿系统的经济性分析，表明喷雾增湿法在直接空冷系统中应用是可行的，增设喷雾增湿系统后不仅可以显著提高机组的经济性，而且有利于机组的安全运行．
关键词：能源与动力工程；汽轮机组；喷雾增湿；直接空冷系统；出力受阻
中图分类号：ＴＫ２６４．１文献标识码：Ａ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｐｒａｙＨｕｍｉｄｉｎＤｉｒｅｃｔＡｉｒＣｏｏｌｅｄＳｙｓｔｅｍＺＨＡＯＷｅｎ—ｓｈｅｎ９１，ＷＡＮＧＳｏｎｇ—ｌｉｎ９１，ｌＩＮＧＹｏｕ—ｙｉｎｌ，ＣＨＥｌｉ－ｊｕｎ２，ＺＨＡＮＧＪｉ—ｂｉｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００３，Ｃｈｉｎａ；２．ＤａｔａｎｇＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＹｕｎｇａｎｇＴｈｅｒｍａｌＰｏｗｅｒＣｏ．Ｉ。ｔｄ．，Ｄａｔｏｎｇ０３７０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔａｉｒｃｏｏｌｅｄｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｕｎｉｔｌｉｍｉｔｅｄａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｓｕｍｍｅｒｉｓｆｌｃｏｍｍｏｎｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｐｒａｙｈｕｍｉｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｔｏｒｅｄｕｃｅｉｎｌｅｔａｉｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｉｒ—ｃｏｏｌｅｒ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅａｉｒｃｏｏｌｅｄｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｖａｃｕｕｍｏｆｔｈｅｕｎｉｔ，ＳＯａｓｔｏｒｅａｃｈｔｈｅｆｕｌｌｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｕｎｉｔｉｎｓｕｍｍｅｒ．Ｉｔｉｓｆｅａｓｉｂｌｅｔｏａｐｐｌｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｐｒａｙｈｕｍｉｄｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔａｉｒ－ｃｏｏｌｅｄｓｙｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｅｃｏｎｏｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｏｆｔｈｅｕｎｉｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ，ｂｕｔａｌｓｏｉｎｆａｖｏｒｏｆｔｈｅｕｎｉｆｓｓａｆｅｔｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｂｙａｄｄｉｎｇｔｈｅｓｐｒａｙｈｕｍｉｄｓｙｓｔｅｍ。，
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｏｗｅｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｔｅａｍｔｕｒｂｉｎｅｕｎｉｔ；ｓｐｒａｙｈｕｍｉｄ；ｄｉｒｅｃｔａｉｒ－ｃｏｏｌｅｄｓｙｓｔｅｍ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｏｕｔｐｕｔｌｉｍｉｔｅｄ
随着电力工业的发展，水资源的匮乏已成为制约我国三北地区电力建设的一大瓶颈．采用空冷机组是解决水源问题的有效措施之一［１］．直接空冷系统因其具有良好的节水效果，近几年得到了广泛推广和应用．
直接空冷机组在夏季高温时段出力受阻是一个普遍问题．在夏季，由于气温高，空冷器的冷却能力明显下降，导致机组被迫降负荷运行，极端情况下还会使机组的背压超限而导致机组停机，严重影响机组的经济性和安全运行．因此，采取必要的度夏措施以降低空冷器的进口空气温度．强化空冷器的冷却效果是解决直接空冷机组的夏季出力受阻、提高机组经济性和安全性的有效途径之一．
降低空气温度的方法有多种，如喷淋降温法、雾化加湿降温法等．这些方法在化工行业和水泥行业
收稿日期：２００７—０５—２５修订日期：２００７—１０—１６
作者简介：赵文升（１９６９一）．男，宁夏中宁人，博士研究生，主要从事电厂热能动力工程的建模与仿真．电话（Ｔｅｌ．）：０３１２．７５２２３７６。
１３５１３２２０９１８；Ｅ?ｍａｉｌ：ｚｈａｏｗｅｎｓ＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ，ｚｈａｏｗｅｎｓ＠２１ｃｎ．ｔｏｍ．
第１期赵文升，等：喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用
得到了广泛应用［２］，但在大型电站直接空冷系统中很少运用．本文从直接空冷系统喷雾增湿系统的原理、结构设计和增湿后的机组的经济性变化等方面对喷雾增湿法在大型电站直接空冷系统应用进行了可行性研究．研究结果表明：喷雾增湿降温后不仅显著提高机组的经济性，而且有利于机组的安全运行，因而具有较高的推广应用价值．
１喷雾增湿系统的工作原理和结构由于直接空冷系统是直接利用干空气进行冷却，因此直接空冷机组的出力取决于进入空冷器的空气干球温度．较高的空气温度导致了空冷器冷却能力的下降，降低了机组真空，汽轮机的排汽温度大幅升高，因而限制了机组的出力，导致了机组不满发小时数远大于设计值，大大降低了机组经济性．对于直接空冷系统，汽轮机的排汽温度可由下式确定：
ｔ，＝ｔ。１＋ＩＴＤ＋＆。（１）
ｔ，＝ｔ。ｌ＋Ａｔ。＋＆＋＆。（２）式中：ｔ。。——空冷器入口空气温度
ＩＴＤ——初始温差，即空冷器的蒸汽入口温度
与空气入口温度差
＆，——汽轮机排汽在排汽管道中压降引起的
温度差
△乙——空冷器的空气温升
＆——空冷器传热端差
图１是直接空冷机组夏季运行工况示意图．从该图可看出：由于空气温度的变化，空冷器的初始温差、传热端差均随着入口空气温度的升高而增大．这表明夏季较高的空气温度会使汽轮机的排汽温度‘ｔ／℃
汽轮机捧汽停机温度
一
汽轮机捧汽报警温度
汽轮机排汽温度●
８ｔｐ／半１‘ｌＴＤｒＪ
图１直接空冷系统夏季运行工况示意图
Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｄｉｒｅｃｔａｉｒ－ｃｏｏｌｅｄ
ｓｙｓｔｅｍｉｎｓｕｍｍｅｒ
升高的幅度更大，因此汽轮机排汽温度在夏季超温成为直接空冷机组安全运行的主要问题口］．为了保证机组的安全运行，机组被迫减负何运行，因而导致机组的经济性下降．
如果在夏季高温时段，采取措施有效地降低空冷器进口空气的干球温度，就可以强化空冷器的换热效果，这样既能提高机组的出力，又有利于机组的安全运行．据此，我们借鉴化工和水泥行业的喷雾增湿塔的实验结果，通过进一步的研究发现：在空冷器进口采用喷雾增湿方法可以有效地降低空冷器入口空气的温度，能显著提高空冷器的冷却能力．喷雾增湿系统示于图２．其工作原理是：水经过喷嘴雾化形成一定粒径的雾滴，雾滴在运动过程中与空气充分混合并迅速蒸发．由于水的汽化潜热较大，水蒸发时会大量吸收空气中的热量，从而降低空气的千球温度．然后，将降温后湿空气送到空冷散热器，以提高空冷岛的换热量．
图２直接空冷系统喷雾增湿系统
Ｆｉｇ．２Ｓｐｒａｙｈｕｍｉｄｓｙｓｔｅｍｏｆｄｉｒｅｃｔａｉｒ－ｃｏｏｌｅｄｓｙｓｔｅｍ
喷雾增湿降温过程是一个同时存在流动、传热和相变传质等多个传递过程相互耦合并相互影响、复杂的不可逆热力过程．当空气与水雾滴直接接触时，空气与水滴表面的未饱和的空气层之间存在着温差和水蒸气分压力差，水分蒸发，同时空气温度降低，空气的含湿量增加，相对湿度增加，而湿空气的焓值不变．雾滴与空气的热湿交换示于图３．喷雾增湿法属于直接蒸发冷却方法，其处理方法在ｈ－ｄ图上属于空气的等焓加湿过程（图４），１为喷雾前的空气状态，２为喷雾后的空气状态．
加∞卯加如
动力工程第２８卷●
图３雾滴与空气间的热湿交换图
Ｆｉｇ．３Ｈｅａｔａｎｄｈｕｍｉｄｅｘｃｈａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎｆｏｇｄｒｏｐａｎｄａｉｒ
图４喷雾增湿前后空气的ＪＩ卜ｄ图
Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｈ－ｄｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅａｉｒｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒ
ｓｐｒａｙ
ｈｕｍｉｄ
２影响喷雾增湿效果的因素
影响空冷单元内热湿交换的因素很多，诸如空气的质量流速、喷嘴的类型与布置形式，喷嘴的孔径
与喷水压力，空气与水的接触时间，空气与水的运动方向以及空气与水的初态、终态参数等［４］．
２．１空气质量流速的影响
喷雾增湿的热湿交换首先取决于与雾滴接触的空气流动情况．空气在流动过程中，随着温度的变化其流速也将发生变化，通常用空气的质量流速表示，
其计算式为：
ｒＬ
ｕ＝Ｖ以２丽．１ｒａ（３）
式中：Ｖｐ（ｋｇ／ｍ２?ｓ）（ＶＦ为空冷器迎面风速速，ｍ／
ｓ；ｐ４为空气密度，ｋｇ／ｍ３）；Ｇｎ为通过空冷单元内的空气量，ｋｇ／ｈ；Ａ，为空冷单元的横断面积，ｍ２．实验证明，增大Ｖ即。可使水滴与空气之间的相对扰动增加，从而使过程的热交换效率系数和接触系数变大，热湿交换效果明显．但Ｖ印。过大会使系统的能耗增加，空气与水滴在空冷单元内的停留时间缩短，使其热湿交换时间减少，反而不利于热湿交换．
２．２水气比的影响
在喷雾增湿系统中，水气比（每处理１ｋｇ空气
所用的喷水量）的表达式为：
￡
ａ＝’芦ｇ－ｌＫ．ｔ／Ｊｋｇ（水）／ｋｇ（空气）（４）式中：Ｇ。为空冷单元内的喷水量，ｋｇ／ｈ；增加水气比口，可增大空气与水滴的热交换效率系数和接触系数，但过大的口会使系统能耗和水耗增大．
２．３喷雾系统结构特性的影响
喷雾系统的结构特性主要是指喷嘴个数、布置形式、喷嘴型式、喷孔大小和喷雾方向等，它们对空冷单元内的热湿交换效果均有一定的影响卧］．喷嘴的型式直接影响喷雾系统的能耗；喷嘴的数量较多时，可形成１道高密度的水雾幕，大大减少空气的旁通，从而提高热质交换效率，但同时喷嘴密度大，可能造成水雾相互叠加，相互碰撞，形成较大的水滴，造成在空冷单元内产生“湿底”现象；喷水方向对热湿交换的效果影响较大，逆喷比顺喷效果好；喷嘴孑Ｌ径越小则喷出的雾滴越细，因而增加了雾滴与空气的接触面积，热湿交换效果好，但孔径小易堵塞；空气与水的初参数决定了空冷单元内热湿交换推动力的大小和方向，空气与水之间的焓差越大，总热交换就进行地越强烈，降低喷雾水的初温有助于提高换热效率．
３采用喷雾增湿系统的可行性和经济性分析
采用喷雾增湿系统后，空冷器入口空气温度降低，使机组的运行真空提高．空冷器喷湿后真空变化可通过空冷器的变工况计算方法进行分析．影响空冷器压力有关因素可用如下关系式表述［５］；
Ｐ，一，（Ｑ，ＶＦ，乙】，Ｒｉ，Ｒ。）（５）式中：Ｐ，为空冷器的压力，ｋＰａ；Ｑ为空冷单元的热负荷，ＭＷ；ｔ。。为空冷单元的入口空气温度，℃；Ｒ，，Ｒ。分别为空冷管内外的污垢热阻，ｍ２?ｃ／ｗ．以１台２００ＭＷ直接空冷机组为例，参考有关资料和数据［６］绘制出了相应的真空随空冷器热负荷和入口空气温度变化的规律曲线（图５和图６）．图５表明在不同的环境气温下，随空冷器热负荷的升高，空冷器的压力上升，机组真空恶化．当环境温度升高时，随空冷器热负荷的增加，空冷器压力上升加快，即真空恶化加速．图６中表明在不同的环境温度下，随着迎面风速的提高，空冷器的压力下降，热负荷上升．但当环境温度较高时，即使增大迎面风速也较难达到额定负荷．由此可以看出，环境温度、空冷器的热负荷和迎面风速是影响空冷器真空的重要因素．当热负荷处于较高水平时，机组的真空更易受到环境温度的影响而产生波动；环境温度越高，风速的变化对机组的真空影响越大．在夏季高温时段，空冷风机已经全速运行，迎面风速已达极限
第１期赵文升，等：喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用
值，若要维持较低的机组真空，只有降低空冷器入口空气温度，才能保证机组维持高负荷运行，同时也降低了机组受环境大风的影响导致背压大幅波动而停机的危险．喷雾增湿系统的降温作用正好满足了机组在夏季高温期的运行要求，它不仅能提高机组的真空而使机组保持满发，而且还有利于机组的安全运行．所以，在直接空冷系统中采用喷雾增湿来降低空冷器人口温度的方法，无论是从提高机组的经济性还是安全性上考虑都是可行的．
图５真空随空冷器热负荷的变化规律
Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｖａｃｕｕｍｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｌｏａｄｏｆｔｈｅ
ａｉｒｃｏｏｌｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
图６真空随空冷器迎面风速和环境温度变化的规律Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｖａｃｕｕｍｖａｒｙｉｎｇｗｉｔｈｉｎｌｅｔｗｉｎｄｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅ
ａｉｒ－ｃｏｏｌｅｒｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
以上述２００ＭＷ直接空冷机组为例，夏季工况的设计气温为３４℃，相应的机组背压为３７．２７ｋＰａ，出力为２００ＭＷ．但实际上在夏季当环境温度达到２８℃以上，汽轮机的背压高于报警值（４５ｋＰａ），导致机组负荷由２００ＭＷ被迫降至１９０ＭＷ．如果温度继续升高，机组的负荷会被限制在更低的范围内，在极端炎热的夏天，机组有可能因排汽温度过高而停机．采用喷雾增湿降温系统后，在可接受的喷水强度下，可以将空冷器人口温度降低４℃左右，汽轮机的背压可下降５ｋＰａ左右．经计算：如果仅考虑因真空提高所得收益约为７万元／年（扣除化学水的成本）；如果考虑因真空提高而使机组满发的因素，其负荷提高１０ＭＷ的收益约为５０万元／年（已扣除相应增加的燃煤成本）．２项合计约为５７万元／年，估计２年左右可收回投资成本，可见采用本技术后，经济效益是相当可观的．喷雾增湿降温系统采用电厂除盐水作为喷雾增湿系统的水源．喷雾增湿虽然需要消耗一定量的除盐水和增加一些投资及运行费用，但经过成本核算可知，相对于机组出力提高所带来的经济效益和社会效益而言，其费用的增加相对较小，经济效益比较可观．另外，由于喷雾使用的是除盐水且相对水量较小，因而不会对空冷器造成结垢和冲刷的危害．
另外，空冷机组的空冷系统一次性投资很大，如果要保证在较高的气温机组也能够满发，则需进一步加大空冷系统的换热面积，导致空冷系统的投资进一步增加．而在其它季节特别是冬季，由于环境气温低导致空冷系统设备利用率较低．采用喷雾增湿降温方案，只需少量的水、电就可以缓解机组夏季出力的矛盾．
４结论
采用喷雾增湿降温法，通过增加空冷器入口空气的湿度，达到降低空气温度的目的，从而提高空冷器的散热效率，提高机组的真空，可使直接空冷机组在炎热的夏季也可以满发．这不仅有效地缓解了夏季机组出力受阻的矛盾，而且也提高了机组的经济性和安全性．本方案在理论上和工程实践上都是可行的，环境温度越高，喷雾增湿降温效果越明显，因而该方法对直接空冷机组具有很高的工程推广价值．
参考文献：
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