机力通风冷却塔消雾控制系统分析与设计

2023-07-04崔喆，孙漾

仪器仪表用户 2023年8期

崔喆，孙漾

（中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063）

0 引言

冷却塔是将系统中循环水进行冷却的一种装置，吸收热量的水在冷却塔中与流过的空气进行热交换，降低水温以循环使用。冷却塔广泛应用于空调冷却、冷冻、电力、冶金、化工等行业[1,2]。在电力行业中，目前国内投产和在建的大容量火电机组的冷却系统多采用直流冷却和二次循环冷却，而对于处于湿热地区的二次循环机组的冷却构筑物普遍采用机力通风冷却塔[3]。

常规冷却塔在冬季、雨季以及湿度较大的季节，其风筒顶部会出现云雾袅绕的现象。冷却塔飘出的雾气实际上是冷却塔内部经过换热后的湿热空气与风筒外部的冷空气相遇，湿热空气冷凝成的羽雾。在常温情况下，羽雾会凝结成水滴，导致冷却塔周边建筑物及马路常年潮湿。冬季的羽雾冷凝成水滴后，还会在周边建筑物及马路上形成结冰，严重影响了工厂周边地区的交通和可见度状况，不仅造成环境光污染，而且影响当地气候[4]。同时，由于蒸发离开冷却塔的水处于纯净蒸汽状态，羽雾现象会导致系统中水的浓度升高。为了确保系统及冷却塔的正常运转，必须添加新水补充因蒸发而损失的水，使循环水冷却过程消耗大量水资源，造成水资源的浪费[5]。

本文首先研究探讨了冷却塔羽雾形成的机理，并在此基础上结合上海某燃气-蒸汽联合循环热电联产机组工程，根据实际情况采取了合理的消雾节水措施，设计了消雾控制系统避免产生羽雾，减少了蒸发损失，节约了水资源。

1 羽雾形成机理

空气的饱和含湿量与空气的温度和压力有关，在压力不变的情况下，空气的饱和含湿量随着温度的降低而降低。在常压情况下，冷却塔中的空气与高温循环水换热后已经接近饱和状态，此时如果将高温高湿空气直接排放，湿热空气与环境中的冷空气混合，温度降低，空气饱和含湿量降低，大量的水分会从空气中冷凝产生很多液滴，形成羽雾[6]。此过程可以由冷却塔排气与大气混合状态图表示，如图1 所示。A 点为大气状态，B 点为冷却塔排气状态，M点为两者混合气体状态。随着冷却塔出口的湿热空气与环境大气的慢慢混合，其状态渐渐接近大气状态，即混合状态M 点沿着AB 直线从排气状态B 点逐渐向大气状态A 点移动。直线AB 与等焓线hM相交于M 点，其温度为tM，含湿量为dM。等焓线hM上的饱和空气温度为t0，含湿量为d0。混合状态M 为过饱和状态，混合气体中的水蒸气将发生凝结，直到空气含湿量由dM降为饱和含湿量d0为止。此过程中的凝结热被气体吸收，混合气体温度由tM升为t0，混合气体沿着等焓线hM由M 点移动至M0点。在气体混合过程中，M 点经过过饱和区，湿热空气中的部分水蒸气会凝结成小液滴，产生羽雾现象。

图1 冷却塔排气与大气混合状态图Fig.1 Mixed state of cooling tower exhaust and atmosphere

2 工程应用

2.1 工程概况

本燃气-蒸汽联合循环热电联产机组对外进行供热，并可参与调峰运行。厂区共设置14 台环保型机力通风冷却塔供两台机组使用，单台机组7 台冷却塔。厂区内大气压力为100.13kPa，设计单塔冷却水量3870m3/h，进出塔水温差8.8℃，风机直径9.75m，风机风量614m3/s。

2.2 羽雾消除技术

通过对羽雾形成机理的分析，冷却塔排气与大气的混合过程落入过饱和区，产生羽雾现象。为了消除羽雾，可以改变大气状态A 或者冷却塔排气状态B。在整个混合过程中，由于气体压力以及大气状态A 的温度、含湿量等参数作为外界环境因素无法改变，所以只能通过改变冷却塔排气状态B 的温度和含湿量来消除羽雾。

考虑在机力通风冷却塔塔体部分的气室层安装露点调节装置，利用风机抽力，将环境的冷空气引入塔内。首先与高温循环水进行换热，经过换热后的热空气与出填料层的饱和湿热空气混合，然后再一同排入大气。羽雾消除原理图如图2 所示。进入塔内的一部分空气与高温循环水进行换热，从状态A 被等湿加热到状态A'，然后再将空气A'与出填料层的饱和湿热空气B 混合后排出冷却塔。此时，冷却塔风筒出口排气状态为升温空气A'与饱和湿热空气B的混合状态C，相对于湿热空气B，不饱和空气状态C 的温度与含湿量均大幅度下降。最终冷却塔排气C 与大气A混合的变化线AC 处在不饱和区，无羽雾产生。

图2 羽雾消除原理图Fig.2 Schematic diagram of anti-mist

2.3 消雾节水措施

根据上述羽雾消除技术，在收水器上层的进风窗立面增设露点调节装置5，并在塔内收水器上面的气室增设空气混合器1，既能保证冷热空气的充分混合，提高混合效率，又能保证整体气流流场的均匀性，增强消雾效果。在露点调节装置中安装抽真空设备，一方面弥补进水泵扬程不足，确保进水能够顺利输送到冷却塔露点调节装置内，另一方面用于排空翅片管束中的积气，防止发生气堵，影响翅片管内的配水。当系统处于环保型消雾节水冷却塔状态时，冷却塔的进水先通过翅片管换热器，与外界冷空气进行热交换，将进水水温降低到一定温度后，再通过布水器2 喷洒在填料层3 上，与下部进塔空气进行充分接触，通过接触散热和蒸发散热，将水温降低到设计要求。在进水的第一次换热过程中，冷却塔塔体上部的冷空气通过翅片换热器换热温度升高。在第二次换热过程中，下部的进塔空气变为饱和湿热空气。完成换热后的两种空气在空气混合器1 中充分混合，混合后的空气变为不饱和湿热空气，最后在出风筒与外界空气混合。冷却塔排气由原来的饱和状态变为现在的不饱和状态，与外界冷空气混合后，其露点温度比原来要小得多，可以基本消除冷却塔出口羽雾现象。另外，由于加入了露点调节装置5，进水首先经过露点调节装置进行预冷，降低了填料段的进水热负荷，减少了冷却塔的蒸发损失量，起到了节水作用。环保型机力通风冷却塔如图3 所示。

图3 环保型机力通风冷却塔Fig.3 Environment-friendly mechanical-draft cooling tower

2.4 消雾控制系统

两台机组独立设置冷却塔消雾控制系统，包含1 台DCS 控制柜和1 台就地PLC 控制柜，每套控制柜控制本机组的7 台机力通风冷却塔。就地PLC 控制柜内采用冗余控制模式，分别安装2 个CPU 和1 套I/O 模块，互为备用。DCS 给就地PLC 消雾指令，控制冷却塔是否进入消雾状态，PLC 给DCS 返回一个就地/远程状态信号，切换就地和远程控制方式。同时，PLC 通过MODBUS 通信协议接口将现场故障状态、抽真空系统及冷却塔运行状态等信息反馈给DCS。在消雾工况下，由就地PLC 进行控制，包括对不消雾进水阀门8 和消雾进水阀门9 的控制，以及对抽真空系统的控制；在不消雾工况下，直接由DCS 对不消雾进水阀门8 和消雾进水阀门9 进行控制。

在每台机力通风冷却塔中安装1 套三位一体仪表，用于测量减速机油位、油温和振动，并为每台电机的轴承提供两个Pt100 测温点，将测量信号反馈给DCS，对系统进行实时监测，异常时发出报警甚至停机信号，保障系统安全稳定运行。对于抽真空系统中的真空罐压力、真空罐液位、水箱水位等信号送入就地PLC 控制柜，辅助PLC 对抽真空系统的控制。在设备现场设置少量就地显示仪表，方便现场巡视人员的工作。同时，每台机组提供一路380VAC三相四线制电源至就地电动蝶阀电源箱，为相关电动蝶阀供电。整个冷却塔消雾系统流程图如图4 所示。

图4 冷却塔消雾系统流程图Fig.4 Flow diagram of cooling tower anti-mist system

冷却塔消雾控制系统包括冷却塔进水控制系统、抽真空控制系统和压缩空气控制系统。冷却塔进水控制系统通过对上塔进水管路（不消雾进水管路6，消雾进水管路7）的控制，使上塔热水既可以先通过露点调节装置再进入主配水管，也可以直接进入主配水管。进水方式可根据不同季节工况通过控制阀门进行调节，从而实现常规机力通风冷却塔与环保型消雾节水冷却塔的运行切换。

设计消雾点为干球温度5℃，相对湿度78%（冬季12月、1 月、2 月最冷3 个月的平均温度和湿度），当环境温度小于18℃时运行消雾状态。根据当地气象参数，全年5月～10 月份平均温度大于18℃，11 月～4 月份平均温度小于18℃。则热季（5 月～10 月）时，打开不消雾进水阀门8 和调风百叶窗4，关闭消雾进水阀门9 和露点调节装置5，上塔热水直接进入主配水管，系统处于常规机力通风冷却塔状态；冷季（11 月～4 月）时，调节不消雾进水阀门8 和消雾进水阀门9，打开露点调节装置5，调节干冷和湿冷部分的进风量配比，系统处于环保型消雾节水冷却塔状态。

同时，就地PLC 控制柜通过硬接线传递故障信号至DCS，大大增强了系统的可靠性。当冷却塔进水控制系统的就地控制出现故障时，控制切换到远程状态，直接由DCS 控制进水阀门，当故障消除后切换回就地PLC 控制。

抽真空控制系统包含对抽真空管路和补水排水管路的控制，且只在环境温度小于18℃，冷却塔进入消雾节水状态时启动。抽真空系统控制逻辑图如图5 所示，控制系统首先启动补水泵，打开补水阀；待补水罐液位正常时关闭补水泵和补水阀；打开消雾电动蝶阀和所有抽真空气动球阀，启动两台真空泵；直到冷却塔真空罐液位上行至高位时，关闭此塔的抽真空气动球阀；待所有冷却塔抽真空气动球阀都已关闭时，停用两台真空泵；当系统真空降低至中位时，启动主真空泵；如果系统真空继续降低至低位，则启动副真空泵。当系统退出消雾状态时，关闭消雾电动蝶阀和所有抽真空气动球阀，停用两台真空泵。