逆流湿式冷却塔节水技术探讨_刘汝青

第 23 卷第 6 期 电 站 系 统 工 程 Vol 23 No 6 2007 年 11 月 Power System Engineering 47 文章编号 1005 006X 2007 06 0047 03 逆流湿式冷却塔节水技术探讨 山东大学能源与动力工程学院 刘汝青 孙奉仲 陈友良 周 丹 摘 要 逆流湿式冷却塔的节水是火力发电厂节水工作的关键 在对目前针对逆流湿式冷却塔提出的节水方案进行全面总结的基础上 进行分析比较并得出结论 在塔内安装收水器和提高循环水的浓缩倍率是目前火电厂冷却塔常用的节水措施 它们仍将是今后冷却塔节 水改造的主要方向 关键词 逆流湿式冷却塔 节水 收水器 浓缩倍率 降温凝结收水 中图分类号 TK264 1 文献标识码 B Discussion of Technologies on Water saving of Counter flow Wet Cooling Tower LIU Ru qing SUN Feng zhong CHEN You liang ZHOU Dan Abstract Water saving of counter flow wet cooling tower is the key of water saving work for the thermal power plant Based on the summary of present water saving plans put forward for the counter flow wet cooling tower the following conclusions are drawn through analysis and comparison At present assembling water collector in the tower and improving the concentration ratio of circulating cooling water are common water saving measures for the cooling tower in thermal power plant and they are the main directions of water saving transformation for cooling tower in the future Key words counter flow wet cooling tower water saving water collector concentration ratio collecting water by cooling and vapor condensation 1 引 言 我国是一个水资源贫乏的国家 水资源形势日趋严峻 水已经同粮食 石油一起成为了我国的重要战略资源 国家 发展改革委 水利部 建设部联合发布的 节水型社会建设 十一五 规划 中已明确提出 到 2010 年要节水 690 亿 m3 单位工业增加值用水量低于 115 m3 比 2005 年降低 30 以上 全国各省市也因地制宜地纷纷出台了各种供水节水政 策 近期党中央国务院再度提出节约水资源问题 启动了 节 水中国行 行动 节水工作迫在眉睫 大力开展节水技术 尤其是工业节水 势在必行 火力发电厂作为我国八大高耗水行业之一 循环冷却水 是最大的耗水项目 而其中在逆流湿式冷却塔内产生的蒸发 损失 风吹损失以及排污损失占电厂总耗水量约一半以上 尤其是用于冷却循环水而不得不损失掉的蒸发损失占电厂 总水耗的40 左右 同时蒸发损失会在塔顶形成 白烟 污染周围环境 因此在水资源日益紧缺的今天 火力发电厂 的循环冷却水系统 尤其是逆流湿式冷却塔的节水已成为至 关重要的问题 也是火力发电厂节水工作的关键 电站中循环冷却水的节水问题早已引起人们的重视 国 内外学者在冷却塔节水方面也做了大量工作 并取得了显著 成效 尤其是最近有些学者对一直以来没有受到人们足够重 视的冷却塔蒸发损失的回收进行了研究 不少人发明了针对 冷却塔蒸发损失的收水装置专利 本文就是对目前冷却塔的 节水技术作一下详细的介绍 并对它们进行比较 力图为以 收稿日期 2007 07 04 刘汝青 1983 女 硕士研究生 济南 250061 后电厂进行冷却塔节水改造工作提供有益的参考 2 逆流湿式冷却塔节水技术现状 2 1 逆流湿式冷却塔水损失概况 逆流湿式冷却塔是火力发电厂的重要辅助设备 循环水 在其中得到冷却并循环使用 在火力发电厂中 水在锅炉中 被加热成高温 高压的蒸汽 然后进入汽轮机 推动汽轮机 做功使发电机发电 经汽轮机做功后的乏气排入凝汽器 与 冷却水进行热交换而凝结成水 再由凝结水泵打回锅炉循环 使用 而携带废热的冷却水 在冷却塔中与空气进行传热 传质交换 使废热传输给空气并最终散入大气 冷却水温度 降低后 经循环水泵将其送入凝汽器冷却管 循环使用 在逆流湿式冷却塔中 流过水表面的空气与水直接接 触 通过接触传热和蒸发散热 把水中的热量传递给空气 在此过程中 水因蒸发造成损耗 排入到大气中 这部分损 耗称为冷却塔的蒸发损失 此项损失占电厂总损耗的40 左 右 是冷却塔水损失的最主要因素 同时 蒸发又使得循环 冷却水的含盐度增加 为了稳定水质 就必须排掉一部分含 盐度高的水 这部分水损失即为冷却塔的排污损失 从冷却 塔排出的热湿气流中 有一部分小水滴被带出塔外 这部分 损失即为风吹损失 上述3项损失占全厂总耗水量的50 以 上 因此 做好冷却塔的节水工作是火力发电厂节水的关键 2 2 安装高效收水器节水 安装机械式收水器 是减少冷却塔风吹损失的主要措 施 通常未加收水器时 风吹损失约占循环水量的 0 5 而加装机械式收水器后 其损失约为循环水量的 0 1 电 力工业部曾以 80 电技字 61 号文通知 自然通风湿式冷却塔 48 电 站 系 统 工 程 2007 年第 23 卷 内装设除水器 并要求推广使用 火力发电厂设计技术规 程 部标 SDJ1 84 已明确 新建冷却塔应装设除水器 我国目前常用在冷却塔内的收水器多为波纹板式或 八 字式收水器 是利用撞击分离原理来实现液滴回收的 其收水效果可以达到 80 以上 随着节水意识的增强 为了回收更多的风吹损失 文献 1 借鉴旋转流动汽水回收的思想 利用旋转流动收水装置 使平直上升流动的湿空气从基座入口流入 经导流板引导后 改变为旋转上升流动 旋转上升一段时间后 流经整流格栅 整流后 再转变为平直流上升 在湿空气流经收水装置上升 的过程中 一方面利用离心力将气流中的颗粒状水滴直接甩 到塔壁回收 另一方面还可使湿空气基本均能够与壁面接触 并且增大湿空气与壁面的接触时间 在接触旋转流动过程中 使湿空气中的水蒸气尽可能多地凝结成水滴回收 基于这一 思路进行的实验结果表明 旋转流动收水方法能达到比较理 想的收水效果 收水效率相比具有很大程度的提高 通过与 现有波纹板收水器收水性能的实验比较 在其他指标与波纹 收水方法相当情况下 旋转流动收水装置的收水效率可提高 10 20 但高效旋流收水器的压降相对于波纹板式收水 器的压降要大一些 利用高压静电沉降理论对冷却塔塔内汽水损失进行回 收的研究并不是一项新技术 它属于电力沉降除雾法 其操 作原理为 当气流从两个电极间通过时 夹带于其中的每个 粒子都将获得电荷 极化 并被吸引到与其极性相反的电极 上 继而在电极上凝并 排出 此方法适合于分离直径小于 1 m 的粒子 文献 2 利用高电压静电收水装置 依据静电 沉降除雾原理 在自然通风冷却塔塔内进行了节水试验分 析 其试验表明应用此装置可以取得较好的节水效果 应用此装置可替代传统的波纹板式收水器 其回收风吹 损失的效率几乎能达到 100 但这项节水技术迟迟未得以 应用 笔者认为造成此现状的原因可能为 静电收水的原理 使得此装置只能回收小液滴 即回收塔内看得见的一定尺寸 范围内的雾状小水滴 尽管此装置被认为能全部回收风吹损 失 但对于大多数看不见的 存在于塔内饱和湿空气内的饱 和水蒸气却仍然无法回收 又由于该装置需消耗大量的电 能 操作费用也颇为可观 节水效益不足以抵消投入的费用 专利 3 提出可以将高压静电装置安装于冷却塔顶部来 捕集从塔内向大气扩散的水雾 但文献 4 指出冷却塔出口水 雾的净含量随气候变化较大 一般情况下含水量较低 若用 此方法收水 还有待于结合冷却塔实际运行工况做进一步的 探讨 以上无论哪种收水器 本质上都是通过除雾原理实现收 水的 因此 寻找高效低阻的除雾收水器是以后减少冷却塔 风吹损失的主要方向 2 3 提高浓缩倍率节水 降低排污损失的措施 一般采用提高循环冷却水的浓缩 倍率来实现 就火电厂的实际情况而言 适当提高循环冷却 水的浓缩倍率 是目前火电厂节水的一个主要方向 文献 5 8 针对火电厂通过提高循环冷却水的浓缩倍率来实现节 水目的的问题进行了探讨 多数学者认为适当提高浓缩倍 率 能够大幅度减少补水量和排污水量 从而降低供水费用 排污费用及药剂费用 具有显著的经济和社会效益 但是 浓缩倍率的提高并不是无限的 因为补水量和排污水量随浓 缩倍率的提高而下降的幅度越来越小 并且过高的浓缩倍率 会增加循环水处理的复杂性和难度 引起设备腐蚀或结垢而 造成的损失可能远大于节水所产生的效益 因此 电厂技术 人员应根据实际情况 如 循环水源的水质 循环水药剂选 择以及凝汽器铜管运行情况 确定循环浓缩倍率 目前提高循环水浓缩倍率的主要措施是添加化学药剂 对循环水进行处理 国内早期循环水处理的浓缩倍率不大于 2 5 现在采用有机阻垢剂 缓蚀剂 杀菌灭藻剂手段 用 综合工艺可将循环水浓缩倍率提高到 4 8 对于化学药剂 以及配方的研究一直是人们致力于提高循环水浓缩倍率的 主要内容 然而近几年来 人们开始考虑使用非化学的方法 对循环水进行处理 如磁化处理 电场处理以及超声波处理 技术 文献 9 则从强化传热技术入手 提出通过提高凝汽器 换热管的汽侧换热系数 在保证凝汽器总换热效果不变的前 提下 允许换热管水侧的污垢热阻增大 这就意味着可适当 降低对循环水水质的要求 即提高循环浓缩倍率 从而达到 节水的目的 这种将 节能 和 节水 结合起来考虑的思 想为火电厂的节水开辟了一条新的道路 需要指出的是 国外电厂的循环水浓缩倍率可以达到 10 以上 不可忽视的两点原因是 新药剂的不断研发以及 新材料和新技术在凝汽器换热管中的不断应用 从这点也可 以看出 作为火电厂节水的主要措施 国内对于提高循环水 的浓缩倍率方面跟国外还有很大的距离 同时也有很大的节 水空间 在这种情况下 积极研究新药剂 新配方优化稳定 水质 优化运行方式 将新型换热材料和换热技术应用于凝 汽器换热管是今后浓缩倍率在合理范围内不断提高的关键 2 4 降温凝结收水 有人提出火电厂节水的关键在于 三新 即采用新工 艺 新技术 新设备 以获得少耗水 多发电的效益 不少 人针对冷却塔收水器上方的湿空气流特点 提出了降温凝结 收水这种有别于传统冷却塔节水方法的新技术 对冷却塔收水器上方饱和湿空气降温 可以使得其中的 部分水蒸气凝结 回收这部分凝结水从而能达到收水的目 的 不少人利用此原理研究了一些适用于架设在冷却塔内的 节水装置 以期达到回收部分蒸发损失的目的 专利 10 指出可以应用干冰 液氮等物质作为冷凝剂 通过悬吊或固定在冷却塔塔筒内中部的笛管式播撒器 将其 均匀播撒在闭式循环冷却塔内 使收水器上方向大气中排放 的水蒸气冷凝成水滴 从而达到节水的目的 然而喷洒干冰 这种冷凝剂 虽然可以瞬间吸收水蒸气凝结所释放的大量潜 热 但由于干冰吸热直接升华成二氧化碳气体 其密度远大 于塔内湿空气密度 阻力会增加很多 影响塔内通风状况 进而影响冷却塔的冷却效果 喷洒液氮这种冷凝剂 液氮吸 热汽化成氮气 虽然其密度对塔内湿空气密度影响不大 但 价格较贵的液氮汽化后不能得以循环利用 下转第 51 页 第 6 期 刘宝玲等 火电厂汽包水位预警及故障诊断系统应用研究 51 出 以提醒相关人员注意 5 故障结果导出 将用户感兴趣的诊断结果导出到 EXCEL 表中 6 故障结果报表制定与打印 按照要求制定一定时间 段内的诊断结果报表 并打印 7 报警分级显示 不同的故障 不同的故障级别可以 用不同的背景颜色 字体 颜色显示 图 3 故障诊断客户端界面 客户端的用户界面如图 3 所示 界面中 实时故障 列表框中列出的是实时故障信息 故障序号 列表框中列 出的是按故障发生次数排列的故障原因 需要注意设备信 息 则是最高发故障部件信息 4 结 论 本文开发了一个基于 SIS 平台的汽包水位预警及故障 诊断系统 该系统将 SIS 中丰富的现场实时数据与故障诊断 技术相结合 提供了一条电厂运行故障诊断系统实用化的途 径 实践结果证明系统的实用性 可在此基础上开发出覆盖 电厂整个生产过程的故障诊断系统 由于系统中的诊断知识 基于专家的经验知识和电厂运行规程 其诊断知识库规则 参数诊断阈值等都需在以后的实际应用中不断加以改进 参 考 文 献 1 候子良 刘吉川 锅炉汽包水位测量系统 M 北京 中国电力出 版社 2005 37 39 2 刘宝 王君红 一种自动保护报警系统的设计与应用 J 化工自动 化及仪表 2002 30 1 58 59 3 张世峰 范国伟 热电厂故障检测与诊断系统设计 J 自动化与仪 器仪表 2002 2 19 21 4 戴维红 集散报警控制系统 J 自动化与仪表 2002 2 35 37 编辑 巨 川 上接第 48 页 成本太高 因此综合来看 要在冷却塔内 通过长期喷洒此类冷凝剂来实现冷却塔节水暂时还是有一 定困难的 冷水可以看作是最经济的冷凝剂 针对抽风式逆流湿式 冷却塔 有学者提出利用安装在塔内的自动冷凝装置 产生 空心形状的喷射器 均匀地把集水池内的冷水这种冷凝剂喷 淋成雾状的细小水滴与水蒸气接触 使其遇冷凝结成水 凝 结水和冷凝剂在下降过程中不与冷却过程的热水接触 而是 沿着冷却塔内壁直接落入集水池内 冷却过程和冷凝过程所 传递的热量均由风机送出塔外 然而此方案目前还仅限于理 论分析 具体涉及到饱和湿空气降低多少温度 需要喷洒多 少冷水 需要提高多大的风压 增加多少抽风量 抽风量的 增大又会将多少喷洒的冷水滴带出塔外 增加多少风吹损失 等等方面并没有具体试验数据的支持 因此该方法带来的综 合效益难以比较 文献 11 提出将热管技术应用于冷却塔节水的思路 将 热管的蒸发段置于冷却塔内的饱和高温湿空气中 蒸发段吸 收高温饱和湿空气的热量 利用工质在热管内不断地汽化来 实现吸热降温 将冷凝段置于塔外 其与塔外冷空气进行热 交换 利用工质凝结相变放热而将热量传输给外界大气 冷 却的同时加设喷射装置喷射 促使水蒸气凝结的凝结核达到 水蒸气凝结的条件 在冷却塔塔顶出口处 架设聚丙烯网的 回收冷凝水装置 进行冷凝水的回收 这项节水技术目前也 只限于理论分析 昂贵的热管费用 复杂的喷射装置以及高 空布置回收冷凝水装置 使此项技术的工程可行性还有待商 榷 通过对塔内湿空气降温 虽然可以取得凝结回收水蒸气 的目的 但此方案对冷却塔性能的影响还有待进一步研究 同时 若要实现此方案在工程上的可行性 寻找合适的冷凝 剂 设计相应的回收装置等问题还需要在今后的研究中得以 解决 3 结 论 目前逆流湿式冷却塔的节水技术 比较成熟并实际应用 的是安装收水器以及提高浓缩倍率这两种方案 针对减少风 吹损失 研究高效低阻力收水器 针对提高浓缩倍率减少排 污损失 研发新药剂 新配方 应用新材料和新技术于凝汽 器换热管仍是以后冷却塔