1 空冷島加裝噴淋?chē)婌F降溫系統(tǒng)的原因

直接空冷機(jī)組采用直接空冷技術(shù)的主要目的就是節(jié)水，它適用于氣候干燥或者干旱的地方、煤礦坑口及其他水資源非常有限用水成本極高的地區(qū)，也適用于城市內(nèi)空間有限不能建造濕式冷卻塔的地方?，F(xiàn)有機(jī)組運(yùn)行效果表明，直接空冷機(jī)組比水冷凝器發(fā)電機(jī)組節(jié)水85％甚至更多。經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行實(shí)踐，證明空冷機(jī)組還是比較可靠的。但不排除空冷系統(tǒng)在運(yùn)行中存在種種原因引發(fā)的問(wèn)題，如嚴(yán)寒、酷暑、大風(fēng)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠合理、運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)?。夏季環(huán)境氣溫比較高時(shí)，空冷機(jī)組會(huì)出現(xiàn)真空降低，機(jī)組發(fā)電效率降低，甚至迫使整個(gè)機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行。針對(duì)此問(wèn)題，有必要對(duì)空冷機(jī)組進(jìn)行改造，加裝噴霧降溫系統(tǒng)，在夏季對(duì)空冷島進(jìn)行噴淋降溫，提高熱交換效率，達(dá)到降低機(jī)組背壓，降低煤耗，使之滿負(fù)荷工作，在大風(fēng)風(fēng)向突變的氣象情況下也能起到穩(wěn)定機(jī)組背壓的作用，平安度過(guò)高負(fù)荷的夏季。

空冷島熱交換工作示意圖

2噴霧降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

2.1加裝噴霧降溫系統(tǒng)降低背壓的理論依據(jù)

直接空冷凝氣器加裝噴霧增濕系統(tǒng)可以降低機(jī)組背壓和煤耗主要依據(jù)以下三個(gè)理論：

1）理論 1：環(huán)境溫度變化對(duì)空冷機(jī)組背壓影響很大；

2）理論 2：向不飽和空氣中噴霧增溫可以降低空氣溫度；

3）理論 3：機(jī)組背壓變化影響煤耗變化，背壓升高煤耗升高。

2.2環(huán)境溫度對(duì)空氣冷凝汽器背壓的影響

現(xiàn)有的空冷系統(tǒng)多采用直接空氣冷凝汽器，即使用空氣作為冷卻介質(zhì)，空氣作為冷卻介質(zhì)比水作為冷卻介質(zhì)冷卻能力低很多，換熱系數(shù)小，比熱也小?？绽湎到y(tǒng)運(yùn)行期間很容易受到外界因素的影響，尤其是夏季環(huán)境溫度升高，造成空冷冷卻能力急劇降低、背壓升高，機(jī)組不得不降負(fù)荷運(yùn)行，影響機(jī)組出力，同時(shí)也增加了煤耗，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，也影響了機(jī)組的運(yùn)行安全。

環(huán)境溫度變化對(duì)背壓的影響是實(shí)施噴水降溫的理論基礎(chǔ)?？绽湎到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般要選擇一個(gè)初始端差I(lǐng)TD ，初始端差的定義是：

ITD=tc-ti         (1)

其中，tc為空冷凝氣器設(shè)計(jì)的排氣溫度，ti為空氣側(cè)干球溫度，即環(huán)境溫度。

之所以定義ITD，是因?yàn)榭绽湎到y(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇不同的ITD將影響空冷散熱器管束的面積、迎面風(fēng)邊等關(guān)鍵參數(shù)的選擇，因此理論上講一個(gè)已經(jīng)投運(yùn)機(jī)組ITD值為一個(gè)已經(jīng)選定的值：

并且由于設(shè)計(jì)上的偏差和施工、運(yùn)行上的不可逆因素，導(dǎo)致實(shí)際的ITD一般情況下會(huì)比.初設(shè)計(jì)時(shí)選定的ITD大。所以對(duì)固定的ITD來(lái)講，環(huán)境溫度的增高等效于汽輪機(jī)排汽溫度的增高，但是造成的排汽壓力升高卻是與排汽壓力的水平有關(guān)，如表1所示。

從表1從表1可以看出，隨著排汽壓力的不同，環(huán)境溫度變化對(duì)排汽壓力的影響有很大不同，從空冷系統(tǒng)夏季運(yùn)行時(shí)35k Pa到一般濕冷機(jī)組的7kPa，環(huán)境溫度同樣變化1℃，但對(duì)排汽壓力的影響卻相差將近5倍。因此說(shuō)環(huán)境溫度對(duì)空冷機(jī)組的影響比溫冷機(jī)組大得多，空冷機(jī)組在夏季環(huán)境溫變化1℃對(duì)背壓影響比在冬季大得多，所以在夏季空冷機(jī)組往往因?yàn)榄h(huán)境溫度過(guò)高機(jī)組出力在惡劣條件下受限，所以可以考慮在不增大空冷管束散熱面積的情況下通過(guò)增加噴霧增濕降溫措施，**機(jī)組的出力降低煤耗并在安全背壓下運(yùn)行。目前各電廠一般采用向空氣中噴霧降溫的方法，降低進(jìn)入散熱管束的空氣的初始溫度，其依據(jù)就是前邊提到的環(huán)境溫度影響機(jī)組負(fù)荷的原理。

1.1 噴霧降溫的工作機(jī)理

環(huán)境溫度變化對(duì)背壓的影響是實(shí)施噴霧增濕降溫的理論基礎(chǔ)。在空冷器進(jìn)風(fēng)口采用噴霧增濕方法可以有效地降低空冷器入口空氣的溫度，從而提高空冷器的冷卻能力。

噴霧增濕降溫的工作機(jī)理是：水經(jīng)過(guò)噴嘴霧化形成一定粒徑的霧滴，霧滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與空氣充分混合并迅速蒸發(fā)。由于水的汽化潛熱較大，水蒸發(fā)時(shí)會(huì)大量吸收空氣中的熱量，從而降低空氣的溫度。然后將降溫后的濕空氣送到空冷散熱器，以強(qiáng)化空冷器的換熱效果。少量剩余沒(méi)有汽化的霧滴在風(fēng)機(jī)的作用下流經(jīng)高溫的散熱翅片，在高溫的作用下，霧滴加速汽化，吸收散熱器翅片以及翅片間的空氣熱量。在一定的霧化強(qiáng)度和噴射角度下，噴霧還會(huì)在空冷器的表面形成水膜，水膜的蒸發(fā)進(jìn)一步帶走熱量，提高空冷器的換熱能力，從而提高機(jī)組的出力。

1.2 噴霧降溫的理論過(guò)程分析

噴霧增濕降溫過(guò)程是一個(gè)同時(shí)存在流動(dòng)、傳熱和相變傳質(zhì)等多個(gè)傳遞過(guò)程相互耦合并相互影響的復(fù)雜的不可逆熱力過(guò)程?？諝鈬婌F降溫的理論主要是溫空氣的理論，這里涉及到干球溫度、濕球溫度和絕熱飽和溫度的概念。絕熱飽和溫度是指噴入空氣中的水與空氣進(jìn)行充分換熱使不飽和溫空氣達(dá)到飽和溫空氣時(shí)的溫度，因?yàn)檫@里只考慮噴霧與其周?chē)諝獾臒峤粨Q，因此把噴霧和其周?chē)目諝庾鳛闊崃ο悼创?，則該熱力系統(tǒng)相對(duì)于外界來(lái)講是絕熱的熱力系統(tǒng)，向空氣中通過(guò)噴霧增溫是一個(gè)絕熱的加濕過(guò)程，噴霧增濕降溫過(guò)程如圖1所示。

    

圖1：噴霧增濕降溫過(guò)程圖

當(dāng)在空冷單元內(nèi)噴入適量的水霧后，霧滴彌漫整個(gè)空冷單元與空氣充分接觸混合，空氣與水滴表面的飽和空氣層之間存在著溫差和水蒸氣分壓力差，因而水滴蒸發(fā)，利用水的蒸發(fā)潛熱較大的特點(diǎn)，水霧滴蒸發(fā)時(shí)大量吸收空氣中的熱量，使空氣溫度降低，同時(shí)空氣的含濕量增加，相對(duì)濕度增加，而濕空氣的焓值不變，從而達(dá)到降低空氣溫度的目的。霧滴與空氣的熱濕交換如圖2所示。噴霧增濕法屬于直接蒸發(fā)冷卻方法，其處理方法在h-d圖上屬于空氣的等焓加濕過(guò)程，過(guò)程線如圖3所示，圖中1點(diǎn)為噴霧前的空氣狀態(tài)，2點(diǎn)為噴霧后的空氣狀態(tài)，φ為相對(duì)濕度（即空氣中水分飽和程度）。

圖2：霧滴與空氣的熱濕交換示意圖

圖3：噴霧增濕前后空氣的h-d變化圖

噴霧系統(tǒng)中的水霧是由許多不同粒徑的離散小水滴群所構(gòu)成的，水霧滴粒徑很小，在空氣流的拖曳下懸浮在空氣中，能迅速蒸發(fā)而不浸濕地面。另外由于氣流的湍流脈動(dòng)而引起的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)有可能使少量小水滴相互碰撞聚并為較大水滴，這些較大水滴被風(fēng)機(jī)送到高溫的散熱翅片，在高溫的作用下迅速汽化并達(dá)到降溫的目的，因此霧化水滴在增濕單元中的蒸發(fā)過(guò)程是非常復(fù)雜的物理過(guò)程，它涉及到動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的傳遞及輸運(yùn)等復(fù)雜過(guò)程。

1.1 噴霧降溫后t2的理論計(jì)算

對(duì)圖1和圖3的噴霧加溫降溫過(guò)程的熱力系列出熱平衡方程，整理后得到方程：

h1+(d2-d1)×h1=h2    （2）

注：式2中h1為噴霧前空氣的焓值，h2為噴霧后空氣的焓值，d1為噴霧前空氣的含濕量，d2為噴霧后空氣的含濕量。

由于上式中（d2 - d1) h1與h 1、h2相比可以忽略，因此上式可近似簡(jiǎn)化為h1≈h2。所以在h-d圖上該絕熱噴霧加溫過(guò)程可近似看成等焓過(guò)程，如圖3中1 - 2過(guò)程所示?？諝獾慕^熱飽和溫度有兩種計(jì)算辦法，一種是通過(guò)查找h-d圖可以近似得到，如圖4所示。

圖圖4：h-d對(duì)應(yīng)

第二種就是通過(guò)理論計(jì)算求得絕熱飽和溫度，并且可以得出比較..的結(jié)果。

空氣的比焓經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

h= 1. 005 t + d1(2501 + 1.86t) kj/kg   (3)

或h= (1.005+1.86d)t+2500d kj/kg     (3’)

式中：t—空氣溫度℃

d —空氣的含濕量kg/kg干空氣

1.01 —干空氣的平均定壓比熱 kj/(kg.K)

1.84 —水蒸氣的平均定壓比熱kj/(kg.K)

2500 —0℃時(shí)水的汽化潛熱 kj/kg

因此公式（2）中的h1和h2分別為：

h1 = 1. 005 t1 + d1 (2501 + 1.86t1)    (4)

h2 = 1. 005 t2 + d2 (2501 + 1.86t2)    (5)

空氣中的含濕量d計(jì)算公式：

因此公式（2）中的d1和d2分別為：

4.2 間接噴淋（噴霧降溫方案）