石成君

中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司

0 工程概況

本工程為印度東北部賈坎德邦（Jharkhand）的某火力發(fā)電廠，建設(shè)2×800MW超超臨界燃煤機組。主廠房為火力發(fā)電廠主體建筑物，汽輪機、除氧器及主要工藝設(shè)備、管道均在主廠房內(nèi)布置，大量熱量散發(fā)在室內(nèi)。由于主廠房內(nèi)根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范及室內(nèi)溫濕度要求，主廠房區(qū)域一般設(shè)置通風系統(tǒng)。根據(jù)本項目當?shù)貙嶋H氣象條件及主廠房內(nèi)設(shè)備和管道散熱量較大的特點，同時考慮設(shè)計方案的經(jīng)濟性和可行性，在傳統(tǒng)自然通風、機械通風和直接蒸發(fā)冷卻通風方案中選擇直接蒸發(fā)冷卻通風的方案，可以有效降低通風系統(tǒng)的通風量及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備容量，并保證廠房內(nèi)的溫濕度要求。

1 直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)

直接蒸發(fā)冷卻是一種水與空氣直接接觸的熱濕交換過程，由于水的蒸發(fā)，空氣不斷地把自身的顯熱傳遞給水，同時空氣中的含濕量增加，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，從而得以降溫。對于空氣，這是一個降溫、加濕的過程，整個熱濕交換過程中空氣的焓值基本不變。目前，直接蒸發(fā)冷卻主要有以下幾種形式：滴水填料式直接蒸發(fā)冷卻，常用有機、無機和金屬填料；噴淋式直接蒸發(fā)冷卻，主要有噴水室直接蒸發(fā)冷卻和高壓噴霧（微霧）直接蒸發(fā)冷卻[1]。

直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛的應用，特別在發(fā)電廠應用領(lǐng)域，已有較多的實際工程案例。馮衛(wèi)東對直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)送風系統(tǒng)在三門核電汽輪機廠房中的設(shè)計進行了闡述，其提出的創(chuàng)新設(shè)計方案有效降低了設(shè)備初投資，減少了系統(tǒng)維護工作量，進一步提升了該系統(tǒng)運行節(jié)能的潛在優(yōu)點[2]。劉曉峰等對某核電站常規(guī)島中的直接蒸發(fā)冷卻空調(diào)機組進行了介紹，分析了金屬不銹鋼304填料比表面積的確定方法和填料段水過濾系統(tǒng)的設(shè)計方案[3]。白志剛等在直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)應用于火力發(fā)電廠汽輪機房通風的方案中，對采用直接蒸發(fā)冷卻和傳統(tǒng)機械制冷方案的經(jīng)濟性進行了比較，得出直接蒸發(fā)冷卻方案運行費用較低，具有較好的經(jīng)濟性[4]。

2 主廠房蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)

2.1 設(shè)計計算

2.1.1 室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)選取

本工程位于印度地區(qū)，通風及空調(diào)設(shè)計室外氣象參數(shù)選自ISHRAE Handbook中當?shù)氐脑O(shè)計參數(shù)。由表1可知，當?shù)氐恼舭l(fā)冷卻室外計算濕球溫度值較高，按照國內(nèi)設(shè)計規(guī)程的劃分，已經(jīng)屬于高濕度地區(qū)。由于當?shù)厝隁鉁鼐^高，40℃以上的高溫天較為常見，且高溫季時，空氣相對濕度較低，保證主廠房內(nèi)的環(huán)境溫度不至于過高，采用常規(guī)的自然或機械通風方式顯然不能滿足要求，因此本項目主廠房采用蒸發(fā)冷卻通風的方式較為合理。

表1 室外設(shè)計參數(shù)表

汽機房和除氧間的設(shè)備散熱數(shù)據(jù)參考《火力發(fā)電廠供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計手冊》表2-48中主廠房設(shè)備和管道的散熱量估算值選取[5]。

表2 室內(nèi)基本設(shè)計參數(shù)表

2.1.2 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)風量計算

其中：L——蒸發(fā)冷卻送風量（m3/h）；

Q——房間總冷負荷（kW）；

c——空氣定壓比熱容[kJ/(kg·K)]；

ρ——空氣密度（kg/m3）。

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的送風狀態(tài)點的干球溫度應根據(jù)設(shè)計確定的空氣處理過程和蒸發(fā)冷卻器的換熱效率計算確定。

根據(jù)《發(fā)電廠蒸發(fā)冷卻通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程（DL/T 5515-2016）》，直接蒸發(fā)冷卻效率的定義為：直接蒸發(fā)冷卻裝置進出口空氣干球溫度差與進口空氣干球溫度和濕球溫度差之比[6]。

直接蒸發(fā)冷卻裝置的蒸發(fā)冷卻效率計算如下：

其中：ηDEC——填料式直接蒸發(fā)冷卻裝置的蒸發(fā)效率；

tg1——入口空氣干球溫度（oC）；

tg2——出口送風干球溫度（oC）；

ts1——入口空氣濕球溫度（oC）。

本項目選定直接蒸發(fā)冷卻效率ηDEC為90%，根據(jù)表2的房間負荷以及公式1和公式2，計算得到汽機房和除氧間的設(shè)計蒸發(fā)冷卻送風量分別為2 086 426 m3/h和730 249 m3/h。結(jié)合主廠房的布置和相關(guān)設(shè)備資料，選擇相應的蒸發(fā)冷卻機組和屋頂排風機，其中排風量按照送風量的75%~80%選取，保證室內(nèi)正壓，多余的風量通過廠房門窗、洞口等排至室外。主廠房蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)配置見表3。

表3 主廠房蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)配置表

本項目的蒸發(fā)冷卻機組主要包括以下功能段：進風段、初中效過濾段、蒸發(fā)冷卻段（含濕膜、循環(huán)水泵、電磁閥等）、擋水段、送風機段及電動風閥等。蒸發(fā)冷卻段的濕膜采用300 mm厚度的無機材料濕膜，飽和效率為90%，耐火等級為A1級，吸水率400%，蒸發(fā)冷卻補給水接自廠區(qū)的生活水。

2.2 系統(tǒng)布置

根據(jù)主廠房布置形式，在汽機房0 m層A排柱外側(cè)設(shè)置4個蒸發(fā)冷卻機組設(shè)備間，室外空氣由布置于設(shè)備間外墻的防雨百葉吸入，經(jīng)蒸發(fā)冷卻機組降溫處理后，通過風管系統(tǒng)送入汽機房各層。以5臺蒸發(fā)冷卻設(shè)備為一個送風單元，各臺機組出風通過送風聯(lián)箱匯總后，經(jīng)各送風管道分別送至汽機房0 m、8 m和16 m層，其中為避免與汽機房內(nèi)工藝管道和電纜橋架碰撞，汽機房A排結(jié)構(gòu)采用雙梁的布置形式，豎向送風管道均布置在雙梁間，各層送風口側(cè)向水平送風。另外，在主廠房兩臺機組除氧間中間跨的24.00 m和32.00 m層區(qū)域分別設(shè)置2個蒸發(fā)冷卻機組設(shè)備間，室外空氣由布置于設(shè)備間外墻的防雨百葉吸入，經(jīng)蒸發(fā)冷卻機組降溫處理后的空氣，通過風管系統(tǒng)送入除氧間各層。以4臺蒸發(fā)冷卻設(shè)備為一個送風單元，各臺機組出風經(jīng)送風聯(lián)箱匯總后，經(jīng)各送風管道分別送至除氧間各層，由于除氧間區(qū)域工藝管道布置復雜，室內(nèi)空間相對小，除氧間區(qū)域的豎向送風管道均布置在廠房C排外墻的外側(cè)，各層送風口側(cè)向水平向室內(nèi)送風。主廠房蒸發(fā)冷卻通風風量分配和系統(tǒng)流程見表4和圖1所示。

圖1 主廠房蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)流程圖

表4 主廠房蒸發(fā)冷卻通風風量分配表

蒸發(fā)冷卻機組處理送入主廠房的空氣，經(jīng)熱濕交換后，經(jīng)各樓層布置的通風格柵區(qū)域，由布置于汽機房和除氧間屋面的屋頂風機排至室外。

本項目對主廠房的蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)采用Revit軟件進行了三維建模，圖2展示了汽機房和除氧間區(qū)域蒸發(fā)冷卻設(shè)備及相關(guān)風管的布置，該模型將導入本工程三維模型中進行碰撞檢查和管道布置配合。

圖2 主廠房蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)設(shè)備和管道三維布置圖

2.3 系統(tǒng)運行模式

根據(jù)本工程當?shù)氐南募靖邷馗稍铮昙境睗駩灍?，全年氣溫均較高的氣象條件，將本項目的主廠房蒸發(fā)冷卻機組運行分為夏季運行工況、雨季運行工況和其余季節(jié)工況，計算了各工況下的加濕量需求，并根據(jù)實際氣象條件調(diào)節(jié)機組運行。

其中：Wz——蒸發(fā)水量kg/h；

G——通風量kg/h；

d1——蒸發(fā)冷卻器進口空氣含濕量g/kg(干空氣)

d2——蒸發(fā)冷卻器出口空氣含濕量g/kg(干空氣)

主廠房蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運行工況計算表見表5。

雨季時，室外空氣濕球溫度較高，本項目蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)設(shè)計工況下的室外氣象參數(shù)即根據(jù)雨季工況選取。同時，對夏季高溫干燥工況的條件進行了驗算，由表5可知，在同一加濕效率的條件下，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的送風溫度為28.36℃，低于設(shè)計工況的送風溫度，其降溫能力約為雨季工況的1.2倍，因此該系統(tǒng)可以滿足夏季運行工況的要求。但由于夏季高溫時，干濕球溫差較大，系統(tǒng)加濕量較大，約為雨季工況的2倍左右。在其余季節(jié)工況，當室外溫度低于30℃，可以停止蒸發(fā)冷卻機組的加濕裝置，僅用室外新風降溫即可。

表5 主廠房蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運行工況計算表

3 結(jié)論

相比單純的機械通風系統(tǒng)，蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)設(shè)計通風量小，機組運行能耗低；相比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，無制冷壓縮機做功，消耗一定量的生活水和風機用電，達到降溫的目的。因此，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在本工程所在的印度地區(qū)火力發(fā)電廠主廠房通風系統(tǒng)中，具有較好的應用效果。

主廠房區(qū)域的蒸發(fā)冷卻設(shè)備機房以及風管系統(tǒng)的布置是整個系統(tǒng)設(shè)計的難點，需要土建和工藝專業(yè)緊密配合。在A排外和除氧間中間跨設(shè)立設(shè)備機房，通過送風管道豎向送至廠房內(nèi)各樓層的布置方案較為合理，不僅節(jié)省設(shè)備占地空間，同時保證了良好的送風氣流組織。

對于整個主廠房蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)，可通過控制機組運行臺數(shù)的方式控制運行策略；對于蒸發(fā)冷卻機組，可以控制濕膜加濕器淋水裝置的啟停，或者通過濕膜淋水面積的大小來調(diào)節(jié)加濕量；在室外氣溫較低，低于30℃或者空氣相對濕度較大，大于90%以上時，可停用加濕裝置。根據(jù)實際室內(nèi)外空氣溫濕度，通過靈活調(diào)節(jié)機組運行工況，可以進一步節(jié)能、節(jié)水，獲得更好的經(jīng)濟性和節(jié)能效果。