西門子F級燃氣電廠大型冷卻塔除霧技術優化研究

黃源金，薛青童，金麗華

(上海華電奉賢熱電有限公司，上海 201403)

火力發電廠是工業用水的大戶，節約用水迫在眉睫。濕式冷卻塔出口處的空氣為近飽和濕空氣，其露點溫度比環境空氣溫度高，容易在冷卻塔出口處形成羽霧現象。從某種程度上來說，冷卻塔羽霧污染會加重城市霧霾天氣，為打造綠色環保電廠，應當應用除霧技術。

奉賢熱電廠采用兩套西門子SGT5-4000F(4+)級燃氣—蒸汽聯合循環機組，裝機容量2×430 MW，是上海市主力調峰機組。機組采用大型綠色環保冷卻塔，在具有循環水冷卻功能的同時，還具備除霧、節水的環保功能。兩套燃氣-蒸汽聯合循環機組共配置有14座機力通風冷卻塔，并且為了彌補除霧運行狀態時循環水泵出力不足，配備一套抽真空系統。

1 冷卻水塔除霧技術介紹

霧的形成需要兩個條件:其一是空氣中水蒸氣含量充沛；其二是遇冷。冷卻塔出口處空氣中水蒸氣含量高(接近飽和)且露點溫度高于環境溫度，因此空氣中的水蒸氣很容易凝結形成羽霧，除霧節水原理圖中(見圖1)連線AB所示，外界的環境空氣狀態點為A，出填料的飽和濕熱空氣狀態點為B，常規的冷卻塔中，A-B的連線為出填料的飽和濕熱空氣與外界干冷空氣的狀態線，該連接線在飽和焓濕圖的上方，故而產生大量的羽霧。要想減少或消除羽霧，需要降低出填料飽和濕熱空氣的溫度和含濕量，使得降低溫度和含濕量后的狀態點與外界環境空氣的狀態點的連線在飽和焓濕圖的下方即可。基于該理論，在常規塔上部安裝換熱介質，將外界環境的干冷空氣與進塔熱水進行換熱，并將換熱后的環境空氣引入塔內，換熱后的環境干冷空氣狀態點由A點變到A’點，然后與出填料的飽和濕熱空氣混合，混合后的狀態點為C點(相對B點，溫度和含濕量均下降)，那么混合后的空氣與環境干冷空氣狀態點A點的連線A-C，在飽和焓濕圖的下方，即風筒出口無羽霧產生。

同時，由于加入換熱器后，進水先經過換熱器進行預冷，減少了填料段的進水熱負荷，即減少了冷卻塔的蒸發損失量，也起到了節水的作用。

圖1 除霧節水原理圖

2 系統運行狀態切換

針對不同季節和工況，通過調節不除霧節水管路閥門和除霧節水管路閥門來實現不除霧節水和除霧節水的切換，控制靈活(見圖2)。

考慮到夏季氣溫偏高，平均氣溫在30℃以上，與冷卻塔出口處的空氣露點溫度相差不大，故采取不除霧運行方式。具體閥門操作為：開不除霧回水門，關除霧回水門。

而冬季氣溫偏低，平均氣溫10℃以下，空氣干冷，含濕量低，冷卻塔出口處的空氣為近飽和濕空氣，其露點溫度比環境空氣溫度高，故在冷卻塔出口處易出現大量羽霧，所以采用除霧運行方式。具體閥門操作為：開除霧回水門，關不除霧回水門，同時因為循環水泵出力不足，需啟動抽真空系統，通過虹吸效應以彌補循環水泵出力不足(見圖3)。

圖2 機力風機系統圖

圖3 除霧冷卻塔抽真空系統圖

3 存在的問題

(1)真空系統中的水環式真空泵在運行一段時間后開關頻繁跳閘。系統真空下降，循環水虹吸被破壞，循環水回水困難，導致汽機真空下降，威脅機組安全。

(2)除霧/不除霧閥門只能在控制柜內就地操作，運行人員無法在DCS(集散控制系統)遠方操作。發生緊急情況時，不利于事故處理。

(3)個別緩沖罐氣動閥頻繁動作，拉低整個真空系統的真空度。當多個氣動閥同時開啟時，真空系統被破壞，導致循環水中斷，威脅機組安全。頻繁動作也大大縮短了氣動電磁閥的使用壽命。

(4)在真空系統被破壞時，系統不能自動將除霧冷卻塔切回到不除霧運行狀態，導致虹吸破壞，循環水中斷，威脅機組安全運行。

4 原因分析

真空系統真空罐和放水罐安置圖(見圖4)顯示，正常運行時，真空罐放水門及真空罐溢流門開啟，放水罐放氣門及放水罐放水門關閉，在真空系統運行一段時間后，放水罐的液位上升至高液位。此時真空罐放水門及真空罐溢流門關閉，放水罐放氣門及放水罐放水門開啟，將放水罐內的水放出，延時n秒后，關閉放水罐放氣門及放水罐放水門，開啟真空罐放水門及真空罐溢流門。

由于放水罐容積過小，短時間內放水罐的水位就會上升至動作水位，導致幾個閥門頻繁動作，在機組長時間運行后，真空罐放水門卡澀無法動作，真空罐液位上升，水環式真空泵帶大量水運行，導致真空泵斷路器過負荷跳閘。

圖4 真空系統真空罐和放水罐

(1)系統設計是針對機組長期穩定運行的工況，在機組啟動前到就地投入除霧系統，之后不需頻繁切換運行狀態。但實際運行中，發現有遠程操作的必要。

(2)緩沖罐氣動閥只依據緩沖罐液位信號以判斷是否開關，可靠性不足，緩沖罐液位稍有波動，即有可能觸動液位信號，開啟緩沖罐氣動閥。

(3)系統邏輯的設計對象，是針對循環水泵出力充足的情況，若在除霧運行狀態下，機組的循泵出力不足，繼續使用除霧回水門會導致循環水中斷，嚴重威脅機組安全運行。

5 處理措施

(1)重新計算放水罐儲水速度，通過更科學的計算分析，更換合適的放水罐，避免相關氣動閥頻繁動作，除霧系統工作穩定性得以增強。

(2)增加通信卡件，修改邏輯。在原有設備基礎上，增加一塊西門子公司的通信卡件，以用于和機組控制系統的通信控制。增加遠程操控邏輯，使得遠程控制功能得以實現(見圖5)。

(3)每個緩沖罐在原有液位信號基礎上均增加一個真空度信號，只有在緩沖罐液位低于設定值，同時真空度也低于設定值，才會開啟緩沖罐氣動閥。通過改造，緩沖罐的氣動閥基本不再誤動，除霧系統真空能維持穩定運行。

(4)增加機組保護邏輯。在真空系統真空度低于保護定值且持續降低，系統報警并自動開啟不除霧回水門，關閉除霧回水門，以確保機組安全穩定運行。

圖5 增加遠程操作后的邏輯圖

6 結語

冷卻塔除霧系統作為一項新的節水環保技術，將大規模應用于相關冷卻塔。關于冷卻塔除霧系統，本文提出了部分威脅機組安全的問題，并提供了解決思路和方案，能有效提高除霧冷卻塔的工作效率和可靠性，方案可廣泛運用于各大火力發電廠及自備熱電廠等企業。當然，也應根據各電廠實際情況，具體問題具體分析。