火力發電廠二次循環冷卻水系統節水理論分析

郭銳敏

(中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

火力發電廠是工業用水大戶，根據國家可持續發展的要求，電廠節水已成為一項重要的技術原則。2002年電力規劃設計總院在國產第一個600MW超臨界機組設計中，實現了濕冷機組污廢水零排放，這一節水思想貫徹至今，成為火力發電廠設計的一項常規[1]。

循環冷卻水系統是整個火力發電廠中用水量最大的系統，根據已有工程的水量平衡圖計算，其用水量可占全廠總用水量的70%～90%，機組規模越大，耗水量百分比越大。可見，該系統有著重大的節水意義。

循環冷卻水系統的組成可以簡單地概括為循環水泵、冷卻對象(凝汽器等)、冷卻塔、冷卻水池以及冷卻管道。循環水在流經上述設備或構筑物期間，會產生損耗。水量損失主要來自3個方面：風吹損失、蒸發損失和排污損失。

循環水在冷卻塔內淋灑降落時，會產生風吹損失，按照《火力發電廠水工設計規范》(DL/T 5339-2006)[2]，機械通風冷卻塔損失率為0.1%，自然塔為0.05%。

循環水在冷卻塔內與冷空氣交換時會產生蒸發損失，蒸發損失率受進塔氣溫以及循環水溫差的影響。帶走同等的熱量，循環水量越大，其溫差越小，蒸發損失率越低，但最終的損失水量卻未必減少，反之亦然。蒸發損失水量的判斷，并不直觀。

隨著水量蒸發損失，循環水內的離子濃度將會逐漸升高，過高的離子濃度使得管道設備發生腐蝕損害。為保證設備安全，需要定期對外排放一部分水量，并補入新水，使得水中的離子濃度維持在管道設備可接受的范圍，此為排污損失。排污損失的水量受到蒸發損失和風吹損失的影響(風吹損失也可以看作是一種水量排放)，需要通過上述兩種損失的計算，才能推求其量。

上述3種損失中，除了風吹損失率由規范直接限定，其余兩者均可以由設計人員根據工程情況進行調整優化。在具體工程中繪制水量平衡圖時，設計人員往往是通過水文氣象數據逐一計算出上述水量損失，疊加總和作為循環水系統的補水量。當需要調整水量時，再次重新計算各個分量。如上文所述，各個參數間可能相互制約，無法直觀地判斷其對補水量的影響。已有文章提出提高濃縮倍率是一個節水方向[3]，但主要是根據火電廠的實際運行經驗。基此，筆者嘗試從理論計算出發，探尋各種工況下，對循環冷卻水系統補水量造成影響的因素。

1 理論推導補充水量的影響因素

火力發電廠中，冷卻塔內的冷卻水量主要由兩個部分組成：凝汽器冷卻用水和輔機冷卻用水。為方便后續推導，現將各水量定義如下：

凝汽器的循環冷卻水量為W；

補充水量為Q；

輔機的循環冷卻水量為u，補充水量為q。

根據輔機冷卻水量是進入冷卻塔，還是直接進入冷卻水池，以下分兩種工況進行討論。

1.1 工況一：凝汽器冷卻水進入冷卻塔，輔機冷卻水直接進入冷卻水池(W+0)

輔機冷卻水約為總水量的5%～8%(機組越大，百分比越小)，考慮到其所占總水量百分小且直接融入池內已冷卻的低溫循環水中，認為這部分水量u幾乎無損失。因此，該工況下只有主機凝氣器的冷卻水量W在冷卻塔內發生蒸發、風吹損失，系統所需的補水量為Q+0(此時q=0)。

系統所需的補水量等值于冷卻塔的損失水量。根據《火力發電廠水工設計規范》[2]，有：

Q=Qe+Qw+Qb

(1)

式中：

Qe——蒸發損失水量，m3/h；

Qw——風吹損失水量，m3/h；

Qb——排污損失水量，m3/h。

(1)蒸發損失水量Qe的計算

①蒸發損失率

根據《電力工程水務設計手冊》[4]，凝汽器的熱平衡方程式如下：

Dc(hs-hc)=WcwΔt

(2)

式中：

Dc——凝汽器蒸汽負荷，kg/s；

hs——汽輪機排氣比焓，J/kg；

hc——凝結水比焓，J/kg；

W——凝汽器冷卻水量，kg/s；

cw——冷卻水比熱容，4187J/(kg·℃)；

Δt——冷卻水進、出口溫差，℃。

根據《火力發電廠水工設計規范》[2]，蒸發損失水量的計算公式如下：

Pe=KzfΔt

(3)

式中：

Pe——蒸發損失水率，%；

kzf——系數，根據進塔氣溫確定，1/℃；

Δt——循環冷卻水溫差，℃。

由于在循環冷卻水系統中，凝汽器中水的溫升應與冷卻塔中的溫降相等，因此聯立式(2)及式(3)可得到：

(4)

②蒸發損失水量

(5)

式中：

Qe——蒸發損失水量，m3/h；

K1——系數，對于一個工程，汽輪機參數及電廠地址已確定，其汽輪機工作的排氣比焓hs、凝結水比焓hc，系數Kzf及冷卻水比熱容均可以確定，將其合并為系數K1。

(2)風吹及排污損失水量Qw+Qb的計算

根據《火力發電廠水工設計規范》[2]，排污損失水量的計算公式如下：

經過公式變化可以得到：

(6)

式中：

Qb——排污損失水量，m3/h；

Qe——蒸發損失水量，m3/h；

Qw——風吹損失水量，m3/h；

N——循環濃縮倍率。

(3)工況一系統補水量Q

聯立式(1)、式(5)及式(6)可得到：

(7)

式中：

Q——主機凝汽器的冷卻水補給量，m3/h；

其余各符號同前。

對于一個工程項目，K1為一個定值，汽輪機的工況排氣量Dc也已經確定。因此，從式(7)可以推知：工況一(W+0)時，循環冷卻水系統所需的補給水量Q，僅受濃縮倍率的影響，濃縮倍率越大，所需補充水量越少。

1.2 工況二：凝汽器冷卻水、輔機冷卻水均進入冷卻塔(W+u)

該工況下凝氣器與輔機的冷卻水量W+u共同在冷卻塔內發生蒸發、風吹損失，系統所需的補水量為Q+q。

(1)主機凝汽器冷卻水補給量Q

該部分計算同工況一式(7)，為

(2)輔機冷卻水補給量q

對于輔機冷卻循環水補給水量q，由于該部分水量未經過凝汽器，溫升無法單獨通過式(2)直接判斷。應按所設計的冷卻塔溫差Δt(由凝汽器的水量通過式(2)推導得出)，然后根據《火力發電廠水工設計規范》分別計算出蒸發、風吹、排污三部分損失數值。仿式(7)有：

(8)

式中：

q——輔機部分的冷卻水補給水量，m3/h；

u——輔機冷卻循環水量， m3/h；

其余各符號同前。

(3)工況二下的系統補水量Q+q

聯立式(7)及式(8)，有：

(9)

對于一個工程項目，K1為一個定值，汽輪機的工況排氣量Dc也已經確定，輔機冷卻水量u由設備廠家作為設計輸入提供，一般不作為循環水系統的優化對象。因此，從式(9)可以推知：工況二(W+u)時，循環冷卻水系統所需的補給水量Q，受濃縮倍率和凝汽器冷卻水量的影響。濃縮倍率越大，所需補充水量越少；凝汽器冷卻水量越大，所需補充水量越少。

2 各因素的影響程度及工程意義

2.1 循環水量對補充水量的影響

對于工況一(W+0)，從式(7)可以知道，改變循環水量對循環水系統的補水量并沒有影響；而對于工況二(W+u)，增大循環倍率理論上可以起到降低補水量的作用。

以孟加拉某400MV的燃氣電廠為例，采用F級燃機單軸配置，凝汽器的蒸汽量為367.56m3/h，輔機用水量為2200m3/h，進塔干球溫度按35℃，濃縮倍率按3.5計算，則各冷卻倍率下的補充水量如表1所示。

表1 冷卻倍率與補水量關系表

補水增量為該項補給水量與60倍時補給水量的差值；

補水差值為該項補給水量與上一項補給水量的差值。

從表1可以看到，冷卻倍率的增加可以使補充水量下降，但即使循環倍率從60倍增大至80倍，補充水量也僅減少10.5m3/h，且其減少的幅度(補水差值)逐漸減少，80倍與75倍循環倍率兩者間的補水差值僅有2.1m3/h。

節水的主要目的是節能降耗，降低運營成本。循環倍率從60倍增大至80倍，循環水量增大7351.2m3/h，相應的循環水泵流量、循環流道尺寸等都明顯需要增加，從而增大投資費用。對于實際工程而言，增加循環倍率以求減少補充水量的思路節水效果甚微，不宜采用。

2.2 濃縮倍率對補充水量的影響

由式(7)和式(9)可以看出，無論輔機冷卻水是否直接進入冷卻塔，增加濃縮倍率都可減少補充水量。

仍以孟加拉某400MV的燃氣電廠為例，采用F級燃機單軸配置，凝汽器的蒸汽量為367.56m3/h，輔機用水量為2200m3/h(不進入冷卻塔)，進塔干球溫度按35℃，冷卻倍率按70倍計算，則各濃縮倍率下的補充水量如表2所示。

表2 濃縮倍率與補水量關系表

補水差值為該項補給水量與上一項補給水量的差值。

從表2中可以看到，隨著濃縮倍率的增加，補給水量明顯下降。2～4倍范圍內，提高濃縮倍率所得到節水效果顯著。大于5倍之后，節水效果已經不太理想。

高濃縮倍率下，水中離子濃度大，管道及設備有被腐蝕的風險。隨著材料制備成本的降低以及防腐措施的發展，對于實際的工程而言，提高濃縮倍率所產生的節水收益具有很大的潛力。

3 結論

循環冷卻水系統是火力發電廠中用水量最大的系統，其節水意義重大。本文通過對現有循環水系統計算公式的推導，得出了兩種工況下的理論補水影響因素：循環水量及濃縮倍率。相比于提升循環水量而引起的土建費用上升，增加濃縮倍率所獲得的節水收益，更具有實際的環保經濟意義。通過推導的最終公式，可以利用循環水量和濃縮倍率直觀快速地判別補水量的變化。