朱漢成，王泉海，盧嘯風(fēng)，范旭宸

(重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400044)

目前，電廠節(jié)能降耗改造主要集中在3大主要設(shè)備及其控制系統(tǒng)，已取得了顯著成效，但對電廠其他輔助設(shè)備的節(jié)能降耗改造，并沒有投入過多關(guān)注。火電機組能量轉(zhuǎn)換過程中汽輪機冷源熱損失是火電機組損失中最大的一項，如超超臨界機組冷源損失超過45%。冷卻塔的冷卻水出口溫度越低，汽輪機背壓越低，冷源損失越低。然而，長期以來電廠對冷卻塔缺乏重視，對冷卻塔維護和節(jié)能優(yōu)化改造投入不多，導(dǎo)致冷卻塔隨著運行時間增加冷卻能力降低，出口水溫增高，從而使凝汽器真空度降低，冷源損失增加，發(fā)電煤耗增加，經(jīng)濟性降低[1-2]。以600 MW機組滿負荷運行為例，冷卻塔出口水溫上升一度，機組熱耗率增加21.09 kJ/(kW·h)，發(fā)電煤耗增加0.8 g/(kW·h)，機組年可利用時間按4 300 h計算，每年標(biāo)準(zhǔn)煤增加2 604 t，僅此經(jīng)濟損失約達104 萬元(煤價按400 元/t)[3]。因此提高冷卻塔性能十分必要。

冷卻塔傳熱傳質(zhì)主要在噴淋區(qū)、填料層和雨區(qū)進行。由于冷卻過程中換熱量的60%～70%在填料層進行[4-5]，所以冷卻塔的性能優(yōu)化改造主要集中在如何增強填料層冷卻能力，提高傳質(zhì)系數(shù)。傳統(tǒng)冷卻塔循環(huán)水冷卻的物理極限是環(huán)境空氣的濕球溫度。國外學(xué)者提出一種基于M循環(huán)原理的新型冷卻塔優(yōu)化技術(shù)，對進入冷卻塔的空氣進行等濕冷卻，濕球溫度隨之降低，從而降低冷卻塔的出口水溫，提高冷卻塔的冷卻能力，理論上能使循環(huán)水冷卻到空氣露點溫度，2016年electric power research institute(EPRI)首先將露點間接冷卻技術(shù)用于冷卻塔實驗，以金屬換熱板作為填料，以實現(xiàn)將循環(huán)水冷卻至更低溫度。EPRI通過實驗研究發(fā)現(xiàn)淋水密度小于4.16 t/(m2·h)時可實現(xiàn)亞濕球溫度的冷卻，其濕球效率大于100%，但填料在淋水密度較大時干濕通道之間會出現(xiàn)水氣泄漏，水分進入干通道使空氣濕度變化導(dǎo)致空氣冷卻能力變差從而無法實現(xiàn)亞濕球溫度冷卻[6]。

1 M循環(huán)原理介紹及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 M循環(huán)原理

2003年，Valeriy M提出Maisotsenko循環(huán)(簡稱M循環(huán))[7]，該循環(huán)無需額外機械制冷，能將被冷卻介質(zhì)溫度降低至空氣濕球溫度以下，理論上的冷卻極限為空氣露點溫度。M循環(huán)原理及溫-濕圖如圖1所示，M循環(huán)由干、濕2種相互隔開的主要通道組成，濕通道的水膜是由布置在濕通道壁面上飽和的吸水材料形成。

圖1 M循環(huán)原理(a)及溫-濕示意圖(b)

首先環(huán)境中進口空氣1流入干通道，由于干濕通道之間存在溫差，干通道中空氣將其顯熱傳遞到濕通道，被等濕冷卻到出口空氣2。干通道出口空氣部分作為產(chǎn)出空氣排出，部分進入濕通道中作為工作空氣。工作空氣與濕通道壁面上水膜直接接觸進行蒸發(fā)換熱，沿著流動方向不斷升溫飽和，工作空氣成為飽和空氣3后排向外界。由于空氣在干通道中被等濕冷卻，工作空氣干球溫度下降，同時濕球溫度下降，濕通道中進行蒸發(fā)冷卻，其冷卻極限溫度為工作空氣的濕球溫度，從而使其突破傳統(tǒng)蒸發(fā)冷卻極限，將空氣冷卻到低于環(huán)境空氣的濕球溫度，理論上極限為環(huán)境空氣的露點溫度[8-13]。

1.2 露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

基于M循環(huán)原理利用水蒸發(fā)冷卻能將待冷卻介質(zhì)冷卻到接近露點溫度的冷卻技術(shù)稱之為露點間接蒸發(fā)冷卻。國內(nèi)關(guān)于露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究相對較少，還處在研究階段，尚未大規(guī)模應(yīng)用，而國外關(guān)于露點間接蒸發(fā)冷卻的研究相對較早，己經(jīng)有較為成熟的理論計算模型和實驗研究。目前，國內(nèi)外獲取低溫空氣的研究主要集中空調(diào)制冷領(lǐng)域?；诖耍瑢⒙饵c間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應(yīng)用于冷卻塔，進一步降低冷卻循環(huán)水溫。然而，由于用途及結(jié)構(gòu)差異，空調(diào)領(lǐng)域的研究成果不能直接應(yīng)用于冷卻塔，需要對M循環(huán)進行優(yōu)化，應(yīng)用于冷卻塔的露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理圖和溫-濕圖如圖2所示。濕通道的水膜由與空氣逆向流動的循環(huán)水構(gòu)成。進口空氣流入干通道，在干通道等濕冷卻到2點，此時，空氣溫度T2低于空氣濕球溫度Twb，冷卻后空氣全部進入濕通道。循環(huán)水與預(yù)冷后的空氣在濕通道內(nèi)進行蒸發(fā)換熱。

圖2 露點間接蒸發(fā)冷卻塔原理圖(a)和溫-濕示意圖(b)

傳統(tǒng)濕式冷卻塔水冷卻的物理極限是環(huán)境空氣的濕球溫度，而要將水溫繼續(xù)降低，按照傳統(tǒng)理論是無法實現(xiàn)的。露點間接蒸發(fā)冷卻塔因為進入濕通道參與蒸發(fā)換熱的空氣已經(jīng)被預(yù)冷，濕球溫度下降所以冷卻極限下降，可以將循環(huán)水冷卻到環(huán)境空氣濕球溫度以下。

本文采用固定管板作為填料，空氣和冷卻水分別在管束內(nèi)、管束外流動，形成干濕通道，從而形成在填料內(nèi)實現(xiàn)露點間接蒸發(fā)冷卻。實驗驗證該填料在較高淋水密度時能否實現(xiàn)亞濕球溫度冷卻將循環(huán)水冷卻至空氣濕球溫度以下，同時研究氣水比、進口空氣干球溫度、進口空氣相對濕度和進口水溫對冷卻塔濕球效率和出口水溫的影響，為露點間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

2 實驗系統(tǒng)及測量系統(tǒng)

2.1 實驗系統(tǒng)

基于M循環(huán)的露點間接蒸發(fā)冷卻塔實驗系統(tǒng)簡圖如圖3，實驗系統(tǒng)由實驗臺本體、供風(fēng)系統(tǒng)和供水系統(tǒng)組成。實驗臺實物如圖4所示，實驗臺本體采用固定管板作為填料冷卻單元，如圖5所示。固定管板填料由固定板上錯列方式布置的410根管束與固定板構(gòu)成，填料層高為1.5 m，長為0.5 m，寬為0.5 m，為了冷卻塔安裝和拆卸方便，將填料層平分為3個高0.5 m的冷卻單元，固定管板的開孔率為18.5%。固定管板填料具有結(jié)構(gòu)簡單，材質(zhì)適用范圍廣、密封性好、阻力較小的優(yōu)點。

1.燃氣鍋；2.板式換熱器；3.抽水泵；4.蓄水池；5.離心風(fēng)機；6.布水裝置；7.填料；8-12.測點

圖4 實驗臺實物示意圖

圖5 固定管板填料冷卻單元示意圖

填料管間為濕通道，管內(nèi)為干通道，首先，循環(huán)水經(jīng)過實驗臺頂部的布水裝置6均勻噴淋進入濕通道進行流動蒸發(fā)換熱，空氣流程如圖3中虛線所示，其次，空氣依次折返流經(jīng)填料上部和下部干通道并被預(yù)冷，然后從填料底部進入濕通道參與蒸發(fā)換熱，最后從實驗臺頂部排出。

供風(fēng)系統(tǒng)由額定風(fēng)量2 500 m3/h的變頻離心式風(fēng)機送風(fēng)。供水系統(tǒng)由熱水供應(yīng)系統(tǒng)、變頻水泵、布水系統(tǒng)、蓄水池組成。額定功率為320 kW 的燃氣熱水鍋爐通過板式換熱器預(yù)熱循環(huán)水，后經(jīng)布水系統(tǒng)均勻進入實驗臺本體進行冷卻，冷卻后的水下降并積蓄在蓄水池內(nèi)，由水泵經(jīng)板式換熱器輸送至實驗臺頂部布水系統(tǒng)構(gòu)成閉式循環(huán)。布水系統(tǒng)由“工”字型分水管組成，噴頭安裝在其4個端點處，通過調(diào)整噴頭的方向及角度幫助噴淋布水均勻，布水系統(tǒng)噴頭采用TF型噴頭如圖6所示。

圖6 噴頭實物圖

2.2 測量系統(tǒng)

實驗測量參數(shù)包括循環(huán)水量、進出口水溫、進口空氣參數(shù)和風(fēng)量。測點位置如圖3所示，在冷卻塔旁送水垂直管道上測點8處安裝 LZB-50轉(zhuǎn)子流量計測量循環(huán)水量，在測點9、12插入T 分度防水鎧裝熱電偶測量進出口水溫，在測點10插入電容式濕度探頭和NTC溫度探頭測量進口空氣參數(shù)，在送風(fēng)水平鋼管上測點11采用熱線風(fēng)速儀通過多測點等截面法測量風(fēng)速。測量儀器參數(shù)如表1所示。

表1 測量儀器參數(shù)

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)定義

淋水密度Г為：

(1)

式中：Q為冷卻塔淋水體積流量(m3·h-1)；St為填料橫截面管內(nèi)面積(m2)。

氣水比λ為：

(2)

式中：G為總通風(fēng)量(t/(m2·h))；ρ為空氣密度(kg/m3)。

冷卻塔蒸發(fā)冷卻過程中循環(huán)水被冷卻的程度以空氣濕球溫度為基準(zhǔn)，用濕球效率ηw表示計算公式為：

(3)

式中：Twi為冷卻塔進口水溫(℃)；Two為冷卻塔出口水溫(℃)；Twb為進口空氣濕球溫度(℃)。

3.2 氣水比對冷卻塔冷卻效果影響

為研究氣水比對冷卻塔冷卻效果的影響，分別在淋水密度為6.5、8.8、9.8 t/(m2·h)時，保持進口空氣干球溫度、進口空氣濕球溫度、進口水溫實驗參數(shù)不變，通過改變冷卻塔進風(fēng)量調(diào)節(jié)氣水比，實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 氣水比對實驗影響的對比曲線

在保持冷卻塔進口水溫和進口空氣參數(shù)不變的情況下，隨著氣水比的增加，濕球效率逐漸提高，出口水溫逐漸降低，如在淋水密度為6.5 t/(m2·h)，空氣干、濕球溫度分別為37.0、24.0 ℃，進口水溫為26.5 ℃時，隨著氣水比從0.84升至2.05，出口水溫從25.6 ℃降低至22.9 ℃，冷卻塔的濕球效率從13.61%增加到177.13%。其主要原因有2方面：一是在干通道中空氣進行預(yù)冷換熱，氣水比增加，在淋水密度不變的情況下，通風(fēng)量增加，增強其擾動使換熱量增加，等濕預(yù)冷階段焓降增加，干通道出口處空氣狀態(tài)點2點向左平移，空氣干球溫度和濕球溫度下降，出口水溫降低；二是通風(fēng)量增加，濕通道中風(fēng)速增加，增強了氣液兩相交接面的擾動，減小了兩相的傳質(zhì)阻力，吸收更多潛熱，蒸發(fā)更多水分，從而使出口水溫下降，濕球效率增加。

3.3 進口空氣干球溫度對冷卻塔效率

為研究進口空氣干球溫度對冷卻塔冷卻效果的影響，保持淋水密度為9.2 t/(m2·h)，氣水比為0.95，進口水溫為26.0 ℃，空氣濕球溫度為23.0 ℃，改變進口空氣的干球溫度，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 進口空氣干球溫度對實驗影響曲線

從圖8中可以看出：在其他條件不變的情況下，進口空氣濕球溫度為23.0 ℃時，隨著進口空氣干球溫度上升，濕球效率逐漸降低，出口水溫逐漸上升，如空氣干球溫度從33.1 ℃增加到37.6 ℃時，濕球效率從108.12%降低到37.64%。這是由于空氣干球溫度上升，空氣進口初始點1點向右平移，在濕通道換熱量沒有增加的情況下，2點向右平移，出口處濕球溫度上升，同時由于干通道進口空氣溫度高于濕通道進口水溫，當(dāng)干通道進口空氣溫度上升時，干通道空氣對濕通道的傳熱量增加，濕通道對入口空氣的預(yù)冷效果變差，干通道空氣出口溫度上升，從而使出口水溫上升，濕球效率下降。

3.4 進口空氣相對濕度對冷卻塔效率影響

為研究進口空氣相對溫度對冷卻塔冷卻效果的影響，保持淋水密度為7.7 t/(m2·h)，氣水比為0.7，進口水溫為26.5 ℃，空氣干球溫度為37.0 ℃，改變進口空氣相對濕度，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 進口空氣相對濕度對實驗影響曲線

從圖9中可以看出：在其他條件不變的情況下，進口空氣干球溫度為37.0 ℃時，隨著進口空氣相對濕度的增加，濕球效率逐漸提高，出口水溫略有提高，如空氣相對濕度從31.0%增加到41.1%時，濕球效率從96.40%增加到240.00%，此時達到了實驗的最大濕球效率，出口水溫從23.2 ℃到23.7 ℃。其主要原因有2方面：一方面，空氣相對濕度增加初始空氣狀態(tài)點1點向上平移，空氣出口處狀態(tài)點2點右上平移，空氣出口濕球溫度上升，空氣中初始水分濃度升高，管內(nèi)蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)阻力增加，導(dǎo)致?lián)Q熱量減小，出口水溫上升；另一方面，由于該工況下，相對濕度增加時，空氣濕球溫度上升幅度比出口水溫的上幅度大，因此濕球效率上升。

3.5 進口水溫對冷卻塔效率的影響

為研究進口水溫對冷卻塔冷卻效果的影響，保持淋水密度為8 t/(m2·h)，氣水比為1.25，進口空氣干球溫度為29.5 ℃，進口空氣濕球溫度為21.5 ℃，改變冷卻器濕通道進口水溫，實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 進口水溫對實驗影響曲線

從圖10中可以看出：隨著進口水溫的增加，冷卻塔出口水溫逐漸增加，濕球效率逐漸降低。當(dāng)進口水溫從23.0 ℃增加到27.0 ℃時，冷卻塔出口水溫從21.0 ℃增加到24.7 ℃，濕球效率從153.82%降低到53.49%。這主要是因為進口水溫增加，將其降低至相同溫度所需換熱量增加，出口水溫上升，同時濕通道中水膜的平均溫度上升，使干通道中空氣的預(yù)冷效果變差，干通道空氣出口溫度上升，從而使出口水溫上升，濕球效率下降。

4 結(jié)論

1) 保持進口水溫、淋水密度和空氣參數(shù)不變，隨著氣水比的增加，濕球效率逐漸提高，出口水溫逐漸降低。

2) 保持進口水溫、淋水密度和氣水比不變，隨著空氣進口干球溫度增加，濕球效率逐漸降低，出口水溫逐漸增加。

3) 保持進口水溫、淋水密度和氣水比不變，隨著空氣相對濕度增加，濕球效率逐漸提高，而出口水溫略有增加。

4) 保持淋水密度、氣水比和進口空氣參數(shù)不變，隨著進口水溫增加，濕球效率逐漸降低，出口水溫逐漸增加。

本技術(shù)主要適用于環(huán)境空氣濕度較低的地區(qū)，若在濕度較大的地區(qū)使用，需要用除濕設(shè)備對入口空氣進行預(yù)處理，才能實現(xiàn)亞濕球溫度冷卻，會增加投資和運行成本。