机械通风冷却塔羽雾的形成机理及防治措施

王晓静，冯璟，赵顺安

(1.华北电力设计院工程有限公司，北京市，100120;2.中国水利水电科学研究院，北京市，100038)

0 引言

在机械通风冷却塔内冷空气冷却循环水的过程中，由于冷却水的蒸发湿热空气带走大量热量和水蒸气，使湿热空气温度和湿度较高。在北方寒冷地区，机械通风冷却塔在冬季运行时，湿热空气排出塔外与冷空气混合，由于冷却和凝缩形成含有许多微小液粒群的雾团。因机械通风冷却塔高度较低，雾团飘散影响了周边居民区及交通道路的可见度，破坏了城市的景观，造成下风地区的湿度上升。随着人们对环境保护的日益重视，机械通风冷却塔消除羽雾也显得越来越重要。

1 羽雾形成机理

湿空气的饱和含湿量与湿空气的温度及压力有关，随着温度的降低湿空气的饱和含湿量减小，湿空气中的水蒸气发生凝结。机械通风冷却塔中的湿热空气从冷却塔中排出与大气混合，此过程的空气状态可用湿空气含湿图来表示，如图1所示(图中O点为排气状态，A点为大气状态，M点为混合气体状态)。塔出口湿热空气经过与环境空气混合，其状态渐渐接近于环境空气状态，即:塔出口空气状态O点和环境空气状态A点为一直线，即得状态线。在塔排气和大气的混合状态中，无论混合比ω为何值，都落在OA直线上。从O点ω=0，沿直线OA向A方向前进，ω随之变大，一直到达A点，ω=∞。在OA线上，OA与等焓线hm相交于M点，M点表示混合状态，其含湿量为dm，混合状态点的温度为tm。在等焓线上，如果湿饱和空气温度为tSAT，当tm落在大于tSAT的区域时，混合状态处于不饱和区，水蒸气稳定存在，不发生羽雾;当tm落在小于tSAT的区域，混合状态为过饱和状态，水蒸气不能稳定存在，此时水蒸气将发生凝结，使含湿量减少至dSAT。凝结热被气体所吸收，混合气体温度tm与tSAT相等。由于混合过程中部分水蒸气凝结成小液滴悬浮在空气中，于是便形成可见的羽雾。

图1 湿空气图中排气和大气的混合状态线Fig.1 Mixed state line of exhaust and atmosphere in moisture chart

2 羽雾消除技术

由羽雾形成的机理不难看出，在排气与大气相混合的过程中，只要不通过湿空气过饱和区域和不在湿饱和空气曲线上的状态点时，均不会发生羽雾;反之，则会发生可见羽雾。此推论已被实验证明［1］。湿空气的状态与其温度、含湿量、相对湿度、比焓、大气压力、水蒸气分压力及密度有关。其中温度、含湿量和大气压力为基本参数，决定了空气的状态，其他参数可由此计算。大气压力作为环境的外界条件不能改变，但可以通过改变湿空气的温度及其含湿量来改变湿空气的状态［2］。由此可以采取以下的措施来减少和消除机械通风冷却塔出口羽雾。

2.1 调整运行方式

对于北方供热机组，冬季运行时因需冷却的水量较少，可将冷却水平均分配到冷却塔中或设置旁路系统，使用大量空气，使冷却塔出口湿空气的温度和含湿量减小。图2为消除羽雾措施的原理图，图中O点为湿式冷却系统排气状态;A点为大气状态;A'点为干式散热器排气状态;a点为干湿串联机械通风冷却塔排气状态;b点为调整运行方式后排气状态;c点为干湿并联机械通风冷却塔排气状态。由图2可知，当排出的湿空气状态点达到b点时，此时湿空气的含湿量为db，此点为AB线与湿空气饱和曲线的切点，当排出的湿空气由b点达到大气状态点时不会发生羽雾。然而，考虑到冷却塔冬季防冻的问题，湿空气的状态点很难达到b点，所以只能适当减少排气中的含湿量，减少羽雾的产生。

图2 消除羽雾措施原理Fig.2 Schematic diagram of plume prevention method

2.2 采用复合型机械通风冷却塔

复合型机械通风冷却塔是将湿式冷却系统与干式冷却系统相结合的冷却塔［3］。为了改善冷却塔排气状态，可将湿式冷却系统排出的湿空气等湿加热。如图2所示，将湿空气从O点水平移动，通过AB切线至a点，湿空气的温度由to上升到ta，此时排出冷却塔的湿空气与大气混合不会发生羽雾。可采用在湿式空冷塔的填料层上部加装干式加热装置的方法加热湿空气，使空气从湿式系统串联流经干式加热系统装置后排出。如图3所示，此串联式冷却塔占地面积小，冷却系统相对简单，不存在冷热空气混合不均匀问题;缺点是因阻力增加会加大风机功率，湿空气对干式加热系统有一定的腐蚀性。

图3 干湿串联冷却塔Fig.3 Dry-wet cascade cooling tower

另一种改善冷却塔排气状态的方法是使空气分别流过冷却塔中湿式和干式系统装置，使排气相混合。如图2所示，将进入冷却塔的一部分大气从状态点A等湿加热至A'点，与湿式冷却系统排出的湿空气混合后至状态点c，混合后的气体相对湿度较低，混合气体排出冷却塔与大气混合，在此过程中各状态点都不通过饱和区域，因此避免了产生羽雾。如图4所示，此冷却塔是将一部分冷却水经湿式系统冷却，另一部分冷却水经干式系统冷却，再将分别流经干、湿冷却器的空气相混合以达到除雾的目的。2种冷却方式混合使用的系统较复杂，干、湿空气需要一定的空间进行混合增加了冷却塔的占地面积，且干、湿空气混合时效率偏低，需增加改善空气混合效率的装置。

图4 干湿并联冷却塔Fig.4 Dry-wet parallel connection cooling tower

3 羽雾消除技术的应用

国外针对冷却塔羽雾的防治比我国起步早，干、湿空气混合消除羽雾技术在国外已有应用实例，但若完全利用国外技术及设备则成本较高，而且此技术较复杂，不利于大范围的推广应用。因此，针对国内目前的情况采用串联加热空气的方法更简单，也更容易推广。加热湿空气的热源比较灵活，可以采用汽轮机抽汽，也可用热水换热器等。现以某电厂为例介绍羽雾消除技术的实际应用［4-7］。

某供热机组采用机械通风冷却塔，冬季运行工况下循环冷却水量为5 300m3/h。本地区多年1月份平均气压为0.100 7 MPa;多年1月份平均相对湿度为43.9%;大气干球温度为5℃。冷却塔尺寸(长×宽×高)为19m×20m×23.10m。风机直径为9.75m;风机风量为867m3/s;进塔水温为38.855℃。经计算冬季工况运行一格机械通风冷却塔即可满足冷却要求［8-10］。冷却塔出口空气特性如表1所示。

为消除冷却塔出口的羽雾，在冷却塔填料的上层加装光管换热器，光管中通过300℃的过热蒸汽，如图5所示。

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图6显示了一格塔运行时冷却塔的工作点，由此可知，当排出冷却塔的湿空气温度达到48℃时不会产生羽雾。经计算得一格塔运行时光管换热器数据如表2所示。由表2可以看出，当采用一格冷却塔运行时加热湿空气所需的蒸汽量很大且空气阻力增加也较大，不利于技术措施的实现。

图6 一格塔运行时冷却塔的工作点Fig.6 The operating point of cooling tower for one grid tower operation

表2 冷却塔运行时光管换热器面积、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却塔运行，二格冷却塔的出口空气特性如表1所示，此时冷却塔的工作点如图7所示。当排出冷却塔的温度达到23℃时不会产生羽雾。经计算，二格塔运行光管换热器数据如表2所示。

图7 二格塔运行时冷却塔的工作点Fig.7 The operating point of cooling tower for two grids tower operation

由以上计算可以看出，采用空气串联干、湿联合冷却塔可有效地消除羽雾，当采用二格冷却塔时，冷却塔出口排气的含湿量有所降低，除雾所需换热器的面积及蒸汽量也明显减少。

4 结语

通过对羽雾防治技术原理及工程应用的可行性研究，采用干、湿联合冷却塔是消除机械通风冷却塔羽雾的有效途径之一。针对国内情况，空气串联干、湿联合冷却塔因其结构简单更便于推广应用。然而此类冷却塔的换热器经常处于湿热环境中，对换热器的防腐要求高，冷却塔的阻力有所增加，因此有必要对换热器的形式及布置作进一步的优化。

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