辅机间接空冷机组喷雾装置

时间：2025-01-07

唐贵富，吕艳，马洪发,孙成旭，张春晓，李洋

(沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳 110043)

0 引言

辅机间接空冷机组与外界热交换是采用带机力通风的冷却塔进行冷却的，因此辅机间接空冷机组的热交换效率受环境温度影响较大，在高温微风环境下，辅机间接空冷机组热交换效率低，冷却效果达不到预期，导致主机汽轮机背压升高、燃煤效率低、煤耗升高等情况，严重时直接制约机组安全满发。为解决这个问题，文献[1]介绍了间接空冷凝汽器喷雾降温过程分析与应用，文献[2]介绍了喷雾增湿系统在间接空冷系统中的应用，文献[3]介绍了喷雾增湿对间接空冷机组散热器影响的数值研究，文献[4]介绍了空冷机组喷雾降温系统的设计，文献[5]介绍了直接空冷系统喷雾加湿装置。喷雾可快速降低冷却风的温度，提升散热器热交换效率，降低机组背压，提升机组出力能力，降低煤耗。喷雾降温是保证辅机间冷机组夏季正常运行的有效方法。本文结合陕西某电厂2×1 000 MW辅机间冷系统喷雾项目介绍喷雾装置。

1 喷雾降温原理

间冷系统喷雾降温原理见图1，将雾化的除盐水喷在冷却三角的入口百叶窗后，利用水汽化降低换热器周围空气的温度，增加环境湿度，提高换热效率，从而降低凝结水出水温度。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升华蒸发。由于水的升华汽化潜热较大，水升华汽化时会大量吸收空气中的热量，从而降低空气的温度；部分细水雾由于风机抽力直接作用于散热器表面进行冷却降温。然后将降温后的湿空气送到空冷散热器，以强化空冷器的换热效果。在一定的雾化强度和喷射角下，喷雾还会在空冷器的表面形成水膜，水膜的蒸发进一步带走热量，提高空冷器的换热能力，从而提高汽轮机的出力能力。[1]

图1 喷雾系统PID工艺流程图

2 空气喷水降温过程分析

2.1 汽轮机夏季排汽温度高的影响因素

在夏季高温时段，环境温度(大气温度)高于机组设计温度时，机组真空度较低，导致机组汽轮机背压值升高，排气温度过高。环境温度越低，机组真空度越高，汽轮机背压越低；环境温度越高，机组真空度越低，汽轮机背压越高。

汽轮机排汽温度计算公式：

Tb=Ta+ITD+δT

(1)

式中：Ta为大气温度，℃；Tb为排汽温度，℃；ITD为空冷塔进口循环水温与大气温差，℃；δT为凝汽器温差，℃。

空冷系统的δT，文献[2]提供在3 ℃左右，夏季随着大气温度的增高初始温差也增高，这与湿冷塔的运行结果相反，主要是因为湿冷塔在传热过程中为直接的混合式传热，而空冷塔是表面式间接传热。

空气横掠管束时的换热实验关联式：

Nu=CRem

(2)

式中：Nu为努塞尔数；C、m为经验常数；Re为雷诺数。

计算时采用定性温度t：

t=tw+0.5×(tf-tw)

(3)

式中：tw为壁面温度；tf为流体温度。

随着大气温度的上升，空气的导热系数增加，有利于传热系数的增加，但气温上升后的气体运动黏度增加，总体来说使换热系数减小到原来的94%。由于夏季的气温升高，34 ℃时的空气密度减小到15 ℃时的94%，相当于空气的质量流量减少6%。由于夏季的最高凝汽器背压比冬季增加20 kPa以上，使汽机的冷源损失增加10%以上，也就是空冷塔的散热量增加10%以上。

以上因素的影响，使ITD值增加27%～28%，这样就可使夏季的ITD值达到35 ℃左右。当大气温度为36 ℃时，由式(1)可得排汽温度高达74 ℃，背压达到37 kPa以上，影响到机组的安全经济运行。[2]

为了达到节水指标，该项目技术规范中提出了在不同环境温度情况下，喷雾系统的喷水量要实时调节的要求。当环境气温高于夏季设计温度时，可通过向散热器进风口喷雾化后的细水雾颗粒，降低进风空气温度，使系统在超出夏季工况下正常运行。在不同环境温度下自行调节喷水量、喷水强度、系统配置及冷却效果。喷雾装置的远方控制器，至少包括喷雾水泵的启、停按钮和喷雾泵故障报警。喷雾系统接入DCS进行控制，能够实现远程控制操作。在中控室中能实现喷雾系统的远程启动、停止、调节用水量等工作。系统运行时，水泵出口压力和系统故障信号可及时反馈至中控室，做到运行时无人值守，故障时即时反馈。

不同环境温度、环境湿度、水量条件下喷雾装置运行后的温度见表1。

表1 喷雾装置运行后的数据

2.2 喷雾系统理论分析

2.2.1 空冷塔的排风空气质量流量的计算

空冷塔的排风空气质量流量的计算[3]是根据该地区夏季室外空调设计的气象条件，当干球温度为32.5 ℃时，可计算迎面风速为2.3 m/s的空冷塔进风空气流量。该空冷塔共有20个冷却三角，每个冷却三角迎风面的宽度为L=2 412 mm，高度为16 400 mm。

计算迎风面积A为

A=B·h·n

(4)

式中：A为迎风面积，m2；B为冷却三角迎风部分宽度，m；h为冷却三角高度，m；n为冷却三角数量。

按照式(4)计算：

A=2.412×16.4×20=791.1 m2

20 m进风口处的环境风速为3.1 m/s，计算空冷塔的进风空气质量流量：

G=ρ·(v·A)

(5)

式中：G为空冷塔的进风空气质量流量，kg/s；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3；v为环境风速，m/s；A为迎风面积，m2。

按照式(5)计算：

G=1.2×(3.1×791.1)=2 942.9 kg/s

2.2.2 喷雾后热平衡计算

喷雾后热平衡计算[4]按照等焓加湿的原理，由于喷雾热湿交换区域的面积较小，采用该地区夏季设计室外空调的气象参数，环境干球温度t1为38.8 ℃，相对湿度65%，设定空气经过喷雾降温后被等焓加湿的相对湿度80%，相应经过喷雾降温处理后，降低空气温度至t2为32.8 ℃，有热平衡公式为

Cpa·G·(t1-t2)=M·γ

(6)

式中：Cpa为空气比热容，Cpa=1.01 kJ/(kg·℃)；t1为喷雾前空气温度，℃；t2为喷雾后空气温度，℃；M为喷雾水量，kg/s；γ为水的汽化潜热，28 ℃时，γ=2 430 kJ/kg。

根据式(6)代入数据计算喷雾水量M：

1.01×2 942.9×(38.8-32.8)=M×2 430

计算得：M=7.34 kg/s≈26.4 t/h。

3 系统组成

辅机间接空冷机组喷雾系统由离心泵、喷淋装置、控制系统、管路系统等构成。其中喷雾装置安装在百叶窗后面散热器三角内，喷雾喷嘴安装在一根垂直于地面的不锈钢水管上，喷嘴喷射角度80°，喷嘴中心线垂直于三角散热器表面。

3.1 喷雾水泵

离心泵见图2。离心泵具有转速高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。选型依据：流量、扬程、液体性质、管路布置和操作运转条件。间接空冷系统喷雾增湿系统喷淋泵压力一般 >0.6 MPa，根据机组大小选择不同流量。水泵属低压力、大流量泵。理想的是采用D型多级分段式离心水泵。陕西某电厂2×1 000 MW辅机间冷系统喷雾项目，离心泵型号为D80-30×5，泵设计流量为30 t/h，扬程150 m。喷雾泵要求提供15、26、30 t/h 3种流量，本方案通过变频器来实现。

图2 喷雾水泵

3.2 管路系统

管路系统由管路组成件、管路支吊架等组成，用以输送、分配和控制高压水的流动。管路系统分为泵进水管路、泵出水主管路和喷雾支管路部分。管路直径大，在相同流量下，液体流速小，阻力损失小，但价格高。管路直径小，会导致阻力损失聚集增大，配带功率增加，成本和运行费用增加。因此，应从技术和经济角度综合考虑合理选择管路直径。[5]

泵进水管路水的流速按1 m/s、流量30 t/h选择管通径,泵出水管路、喷雾支管路按流速3 m/s、流量1.5 t/h选择管径通径。泵进水管路直径为DN65，泵出水主管路依据喷雾流量变化而变化，DN65-DN50-DN40-DN32。泵的出口处必须安装阀门和逆止阀。阀门的作用是用来调节泵的工况点，逆止阀在液体倒流时可防止泵反转，避免泵受水锤打击。

3.3 喷雾装置

陕西某电厂2×1 000 MW辅机间冷系统喷雾装置冷却三角20个，喷雾装置见图3，每个冷却三角安装1个喷雾管束(见图4)，每个管束有26个喷雾喷嘴，喷嘴喷雾可全覆盖冷却三角，雾化喷头材质316不锈钢，雾化形式分为空心圆锥喷嘴或实心圆锥喷嘴，实心圆锥喷嘴能适合大流量工况，空心圆锥喷嘴适合低流量工况；在同等压力和流量下，空心圆锥喷嘴的液滴雾化效果好，液滴更细，能够加强降温的效果。喷嘴流量0.9 L/min,每个冷却三角用水量23.4 L/min，20个冷却三角用水30 t/h。

图3 喷雾装置

图4 管束

不同环境温度下喷雾管束控制实现方法：30 t/h的水量需要20个冷却三角全部喷雾，在泵的出口安装1个DN65阀门，控制全部给水；26 t/h的水量需要17个冷却三角喷雾，在DN32变DN25大小头后安装1个DN25阀门，距离泵近的17个冷却三角喷雾，后边的3个冷却三角被阀门截止；15 t/h的水量需要10个冷却三角喷雾，在距离泵最近的第10个冷却三角与第11个冷却三角之间安装1个DN50阀门。DN50阀门关闭，距离泵近的10个冷却三角喷雾，后边的被阀门截止。用3个阀门(DN65、DN50、DN25)可实现30 t水、26 t水、15 t水的控制。

3.4 控制装置

控制装置用于控制离心泵的启、停，空冷岛温度检测和喷雾装置自动启动。在喷淋水泵出口处设置流量传感器和压力传感器，实现对系统工作全方位监控和保护，达到全自动智能化控制要求。喷雾系统输出流量可以通过调节出口阀门的开度调节，根据现场实际应用情况开启空冷岛阀门，选择适当的流量，优化系统的运行，做到节约用水。系统可以接受DCS控制，远控操作喷雾作业。

喷淋增湿系统控制一般由电厂DCS完成，中央控制室通过监控和电厂运行参数，决定是否投入喷淋增湿系统。系统运行后，通过控制电动阀门选定喷淋单元，启动离心泵，开始喷淋操作。控制器根据降温效果决定喷淋时间。系统正常运行后，自动停止离心泵，关闭电动阀门。