機(jī)械通風(fēng)冷卻塔羽霧的形成機(jī)理及防治措施

王曉靜，馮璟，趙順安

(1.華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市，100120;2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京市，100038)

0 引言

在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔內(nèi)冷空氣冷卻循環(huán)水的過程中，由于冷卻水的蒸發(fā)濕熱空氣帶走大量熱量和水蒸氣，使?jié)駸峥諝鉁囟群蜐穸容^高。在北方寒冷地區(qū)，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔在冬季運行時，濕熱空氣排出塔外與冷空氣混合，由于冷卻和凝縮形成含有許多微小液粒群的霧團(tuán)。因機(jī)械通風(fēng)冷卻塔高度較低，霧團(tuán)飄散影響了周邊居民區(qū)及交通道路的可見度，破壞了城市的景觀，造成下風(fēng)地區(qū)的濕度上升。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔消除羽霧也顯得越來越重要。

1 羽霧形成機(jī)理

濕空氣的飽和含濕量與濕空氣的溫度及壓力有關(guān)，隨著溫度的降低濕空氣的飽和含濕量減小，濕空氣中的水蒸氣發(fā)生凝結(jié)。機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中的濕熱空氣從冷卻塔中排出與大氣混合，此過程的空氣狀態(tài)可用濕空氣含濕圖來表示，如圖1所示(圖中O點為排氣狀態(tài)，A點為大氣狀態(tài)，M點為混合氣體狀態(tài))。塔出口濕熱空氣經(jīng)過與環(huán)境空氣混合，其狀態(tài)漸漸接近于環(huán)境空氣狀態(tài)，即:塔出口空氣狀態(tài)O點和環(huán)境空氣狀態(tài)A點為一直線，即得狀態(tài)線。在塔排氣和大氣的混合狀態(tài)中，無論混合比ω為何值，都落在OA直線上。從O點ω=0，沿直線OA向A方向前進(jìn)，ω隨之變大，一直到達(dá)A點，ω=∞。在OA線上，OA與等焓線hm相交于M點，M點表示混合狀態(tài)，其含濕量為dm，混合狀態(tài)點的溫度為tm。在等焓線上，如果濕飽和空氣溫度為tSAT，當(dāng)tm落在大于tSAT的區(qū)域時，混合狀態(tài)處于不飽和區(qū)，水蒸氣穩(wěn)定存在，不發(fā)生羽霧;當(dāng)tm落在小于tSAT的區(qū)域，混合狀態(tài)為過飽和狀態(tài)，水蒸氣不能穩(wěn)定存在，此時水蒸氣將發(fā)生凝結(jié)，使含濕量減少至dSAT。凝結(jié)熱被氣體所吸收，混合氣體溫度tm與tSAT相等。由于混合過程中部分水蒸氣凝結(jié)成小液滴懸浮在空氣中，于是便形成可見的羽霧。

圖1 濕空氣圖中排氣和大氣的混合狀態(tài)線Fig.1 Mixed state line of exhaust and atmosphere in moisture chart

2 羽霧消除技術(shù)

由羽霧形成的機(jī)理不難看出，在排氣與大氣相混合的過程中，只要不通過濕空氣過飽和區(qū)域和不在濕飽和空氣曲線上的狀態(tài)點時，均不會發(fā)生羽霧;反之，則會發(fā)生可見羽霧。此推論已被實驗證明［1］。濕空氣的狀態(tài)與其溫度、含濕量、相對濕度、比焓、大氣壓力、水蒸氣分壓力及密度有關(guān)。其中溫度、含濕量和大氣壓力為基本參數(shù)，決定了空氣的狀態(tài)，其他參數(shù)可由此計算。大氣壓力作為環(huán)境的外界條件不能改變，但可以通過改變濕空氣的溫度及其含濕量來改變濕空氣的狀態(tài)［2］。由此可以采取以下的措施來減少和消除機(jī)械通風(fēng)冷卻塔出口羽霧。

2.1 調(diào)整運行方式

對于北方供熱機(jī)組，冬季運行時因需冷卻的水量較少，可將冷卻水平均分配到冷卻塔中或設(shè)置旁路系統(tǒng)，使用大量空氣，使冷卻塔出口濕空氣的溫度和含濕量減小。圖2為消除羽霧措施的原理圖，圖中O點為濕式冷卻系統(tǒng)排氣狀態(tài);A點為大氣狀態(tài);A'點為干式散熱器排氣狀態(tài);a點為干濕串聯(lián)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔排氣狀態(tài);b點為調(diào)整運行方式后排氣狀態(tài);c點為干濕并聯(lián)機(jī)械通風(fēng)冷卻塔排氣狀態(tài)。由圖2可知，當(dāng)排出的濕空氣狀態(tài)點達(dá)到b點時，此時濕空氣的含濕量為db，此點為AB線與濕空氣飽和曲線的切點，當(dāng)排出的濕空氣由b點達(dá)到大氣狀態(tài)點時不會發(fā)生羽霧。然而，考慮到冷卻塔冬季防凍的問題，濕空氣的狀態(tài)點很難達(dá)到b點，所以只能適當(dāng)減少排氣中的含濕量，減少羽霧的產(chǎn)生。

圖2 消除羽霧措施原理Fig.2 Schematic diagram of plume prevention method

2.2 采用復(fù)合型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔

復(fù)合型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔是將濕式冷卻系統(tǒng)與干式冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的冷卻塔［3］。為了改善冷卻塔排氣狀態(tài)，可將濕式冷卻系統(tǒng)排出的濕空氣等濕加熱。如圖2所示，將濕空氣從O點水平移動，通過AB切線至a點，濕空氣的溫度由to上升到ta，此時排出冷卻塔的濕空氣與大氣混合不會發(fā)生羽霧?？刹捎迷跐袷娇绽渌奶盍蠈由喜考友b干式加熱裝置的方法加熱濕空氣，使空氣從濕式系統(tǒng)串聯(lián)流經(jīng)干式加熱系統(tǒng)裝置后排出。如圖3所示，此串聯(lián)式冷卻塔占地面積小，冷卻系統(tǒng)相對簡單，不存在冷熱空氣混合不均勻問題;缺點是因阻力增加會加大風(fēng)機(jī)功率，濕空氣對干式加熱系統(tǒng)有一定的腐蝕性。

圖3 干濕串聯(lián)冷卻塔Fig.3 Dry-wet cascade cooling tower

另一種改善冷卻塔排氣狀態(tài)的方法是使空氣分別流過冷卻塔中濕式和干式系統(tǒng)裝置，使排氣相混合。如圖2所示，將進(jìn)入冷卻塔的一部分大氣從狀態(tài)點A等濕加熱至A'點，與濕式冷卻系統(tǒng)排出的濕空氣混合后至狀態(tài)點c，混合后的氣體相對濕度較低，混合氣體排出冷卻塔與大氣混合，在此過程中各狀態(tài)點都不通過飽和區(qū)域，因此避免了產(chǎn)生羽霧。如圖4所示，此冷卻塔是將一部分冷卻水經(jīng)濕式系統(tǒng)冷卻，另一部分冷卻水經(jīng)干式系統(tǒng)冷卻，再將分別流經(jīng)干、濕冷卻器的空氣相混合以達(dá)到除霧的目的。2種冷卻方式混合使用的系統(tǒng)較復(fù)雜，干、濕空氣需要一定的空間進(jìn)行混合增加了冷卻塔的占地面積，且干、濕空氣混合時效率偏低，需增加改善空氣混合效率的裝置。

圖4 干濕并聯(lián)冷卻塔Fig.4 Dry-wet parallel connection cooling tower

3 羽霧消除技術(shù)的應(yīng)用

國外針對冷卻塔羽霧的防治比我國起步早，干、濕空氣混合消除羽霧技術(shù)在國外已有應(yīng)用實例，但若完全利用國外技術(shù)及設(shè)備則成本較高，而且此技術(shù)較復(fù)雜，不利于大范圍的推廣應(yīng)用。因此，針對國內(nèi)目前的情況采用串聯(lián)加熱空氣的方法更簡單，也更容易推廣。加熱濕空氣的熱源比較靈活，可以采用汽輪機(jī)抽汽，也可用熱水換熱器等?，F(xiàn)以某電廠為例介紹羽霧消除技術(shù)的實際應(yīng)用［4-7］。

某供熱機(jī)組采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，冬季運行工況下循環(huán)冷卻水量為5 300m3/h。本地區(qū)多年1月份平均氣壓為0.100 7 MPa;多年1月份平均相對濕度為43.9%;大氣干球溫度為5℃。冷卻塔尺寸(長×寬×高)為19m×20m×23.10m。風(fēng)機(jī)直徑為9.75m;風(fēng)機(jī)風(fēng)量為867m3/s;進(jìn)塔水溫為38.855℃。經(jīng)計算冬季工況運行一格機(jī)械通風(fēng)冷卻塔即可滿足冷卻要求［8-10］。冷卻塔出口空氣特性如表1所示。

為消除冷卻塔出口的羽霧，在冷卻塔填料的上層加裝光管換熱器，光管中通過300℃的過熱蒸汽，如圖5所示。

?

圖6顯示了一格塔運行時冷卻塔的工作點，由此可知，當(dāng)排出冷卻塔的濕空氣溫度達(dá)到48℃時不會產(chǎn)生羽霧。經(jīng)計算得一格塔運行時光管換熱器數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出，當(dāng)采用一格冷卻塔運行時加熱濕空氣所需的蒸汽量很大且空氣阻力增加也較大，不利于技術(shù)措施的實現(xiàn)。

圖6 一格塔運行時冷卻塔的工作點Fig.6 The operating point of cooling tower for one grid tower operation

表2 冷卻塔運行時光管換熱器面積、蒸汽量Tab.2 Required area and quality of steam of the bare-tube heat exchanger for cooing tower

如果冬季采用二格冷卻塔運行，二格冷卻塔的出口空氣特性如表1所示，此時冷卻塔的工作點如圖7所示。當(dāng)排出冷卻塔的溫度達(dá)到23℃時不會產(chǎn)生羽霧。經(jīng)計算，二格塔運行光管換熱器數(shù)據(jù)如表2所示。

圖7 二格塔運行時冷卻塔的工作點Fig.7 The operating point of cooling tower for two grids tower operation

由以上計算可以看出，采用空氣串聯(lián)干、濕聯(lián)合冷卻塔可有效地消除羽霧，當(dāng)采用二格冷卻塔時，冷卻塔出口排氣的含濕量有所降低，除霧所需換熱器的面積及蒸汽量也明顯減少。

4 結(jié)語

通過對羽霧防治技術(shù)原理及工程應(yīng)用的可行性研究，采用干、濕聯(lián)合冷卻塔是消除機(jī)械通風(fēng)冷卻塔羽霧的有效途徑之一。針對國內(nèi)情況，空氣串聯(lián)干、濕聯(lián)合冷卻塔因其結(jié)構(gòu)簡單更便于推廣應(yīng)用。然而此類冷卻塔的換熱器經(jīng)常處于濕熱環(huán)境中，對換熱器的防腐要求高，冷卻塔的阻力有所增加，因此有必要對換熱器的形式及布置作進(jìn)一步的優(yōu)化。

［1］盧洪發(fā).日本防止冷卻塔發(fā)生羽煙的技術(shù)措施［J］.東方電氣評論，1994，8(2):117-122.

［2］黃素逸，林秀城，葉志謹(jǐn).采暖空調(diào)制冷手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］唐韻，夏再忠，王如竹.冷卻塔白煙防止技術(shù)［C］//東南大學(xué)，江蘇省制冷學(xué)會.第四屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會論文集.南京:東南大學(xué)，江蘇省制冷學(xué)會，2006:480-483.

［4］劉乃玲，李楠，李偉.干濕兩用冷卻塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.制冷，2010，29(3):23-27.

［5］沙戰(zhàn)，周亞素.干濕冷卻塔研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.能源研究與信息，2009，25(4):192-197.

［6］楊昭，郁文紅，吳志光.火力發(fā)電廠冷卻塔除霧收水的熱力學(xué)分析［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2004，37(9):774-777.

［7］錢頌文.換熱器設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［8］顧文卿.最新冷卻塔設(shè)計、施工新工藝新技術(shù)與運行維護(hù)檢修及質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實用手冊［M］.北京:中國科技文化出版社，2007.

［9］田德允，翁志剛.濕空氣含濕量的解析計算［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1999，17(2):149-151.

［10］西北電力設(shè)計院.電力工程水務(wù)設(shè)計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2005.