直接空冷系统中喷雾增湿技术的应用

黄兴晨

摘 要：随着我国各领域对用电量的需求和用电质量的标准越来越高，促使当前发电汽轮机的功率越来越大，与此同时对配套的冷却系统的要求也越来越高，在缺水地区直接空冷系统得到了广泛的应用，但在夏季高温季节由于空气本身温度很高就会导致空冷系统换热效果大大降低，而采用喷雾增湿技术使空冷系统的入口空气温度大大降低，从而促进机组运行的经济性和安全运行。文章介绍了直接空冷系统中喷雾增湿技术的原理，分析了影响喷雾增湿效果的因素，为提高直接空冷系统运行效率提供理论参考。

关键词：直接空冷系统；喷雾增湿；应用；影响因素

前言

随着国民经济的飞速增长，对电的需求量越来越大，随着当前发电汽轮机的功率越来越大，与此同时对于发电机配套的冷却系统的要求也越来越高，传统的冷凝系统普遍采用水冷式，然而在我国北方的缺水地区却无法得到应用，因此在缺水地区采用直接空气冷凝系统是解决水资源缺乏问题的有效措施之一。直接空冷系统是利用外界环境的空气与系统进行热交换的方式带走系统内部的热量，从而达到冷却的目的，而在夏季高温季节由于环境空气的温度本身就很高，会导致系统内部热交换效率极为低下，无法使机组满负荷运转，严重的会导致机组背压超过限制从而使机组停机，影响系统的经济和安全运行，因此应当采取相应的措施降低系统入口空气进气温度。当前专门针对直接空冷系统入口空气降温的方法还未见研究，一般是借助其他行业如化工、水泥等行业的空气降温法，如喷淋降温法、喷雾增湿降温法等等，其中喷雾增湿法具有降温效率高、简便易行的优点。

1 直接空冷系统中喷雾增湿技术原理

直接空冷系统的冷却原理是利用环境空气与机组进行热交换，而机组的运行负荷完全由空冷器的空气干球温度（本文以下所提空气温度均指空气干球温度）决定，空气温度越高则空冷器的工作效率越低，会导致两个方面的问题，一方面由于空气温度高导致空冷器热交换效率低，另一方面空冷器冷却能力不足会导致机组真空的降低，由此就决定了汽轮机排气温度大幅上升，使机组降低负荷运行，不经济，如果长时间运行达到机组背压限值就会使系统停机，可见，汽轮机的排气温度主要由以下关系式表示：

（1）

（2）

其中ta1为空冷器入口空气温度；ITD为初始温差；δtp为汽轮机排汽在排汽管道中压降引起的温度差；Δta为空冷器的空气温升；δt为空冷器传热端差。

图1为直接空冷系统运行的工况示意图，从图1中可以看出，空冷机的初始温差ITD与传热端差δt均随空冷器入口空气温度的升高而增大，而环境空气温度越高则空冷器入口空气的温度也越高，因此空冷系统在较高的环境温度下若想安全地运行就必须要降低机组的负荷，使其在低负荷下持续工作，也因此增加了运行的成本。

根据以上分析可见，可通过降低空冷器入口空气温度以促进高温环境下空冷系统经济、安全运行。要想降低空冷器入口的空气温度，可采用在入口处喷雾增湿的技术，使水在空冷器入口处雾化，而后在高温空气下迅速蒸发，在蒸发的过程中水蒸气就会吸收入口处局部空气的热量，持续的雾化可以使空冷系统不断吸入温度相对较低的空气，以提高空冷岛单位时间热交换量，促进系统热量的排出。

2 影响直接空冷系统中喷雾增湿效果的因素

喷雾增湿对直接空冷系统的安全和经济运行的效果与系统内部空冷岛的热交换程度有关，而空冷岛的热交换量大小与入口空气温度有关，空冷系统空气入口处空气的流速、喷雾的状态、喷嘴的数量和朝向、空气中水与空气的比例等均有可能影响到喷雾增湿的效果，以下选取几个最重要的因素作简要介绍。

2.1 空冷器入口处空气流速

众所周知，在正常环境下空气流速越快则热交换的速度也越快，在直接空冷系统中，空冷器入口处空气流动速度的大小也直接影响空冷岛热交换的效果，当外界空气与雾化的水滴接触时由于空气温度和质量的改变通常会改变空气的流速，这种改变直接影响着空冷器内部热交换，一般用空气的质量流速来表示，质量流速越大，则会相应增加雾化了的水滴与空气之间的扰动，这种现象会在一定程度上增加空冷岛热交换效率，因此可在实际工作中采取相应措施适当增加空气质量流速，以促进空冷系统热交换。然而并不是质量流速越大越好，过大的流速会导致冷空气与空冷岛来不及充分热交换就被排出系统之外，降低了热交换效率的同时增加了系统运行的费用。

2.2 水气比

水气比就是雾化水滴与空气的混合体中水分与空气质量的比值，理论上来说，水气比越大越容易增加雾化水滴与空气间的热交换效率，月有利于直接空冷系统的运行，然而在实践中也要注意，过大的水气比可能会导致水的浪费，增加系统的能耗，因此必须经过充分的运算和实验，得出最佳水气比。

2.3 喷雾系统结构

喷雾系统的结构对雾化效果、系统能耗等都有一定程度的影响，因此影响直接空冷系统的热交换，喷雾系统的结构包括喷嘴数量、喷嘴朝向、喷孔的形状及大小、喷嘴的布置形式等，一般来讲，喷嘴数量越多、布置的密度越大系统的热交换效率也就越大，这是因为密集且数量众多的喷嘴喷射出的水雾会形成一个相对密闭的“帷幕”，增加内部水与空气热交换效率，但同时喷嘴数量过多就可增加每个喷嘴喷出的水雾液滴之间碰撞的几率，使部分雾化的液滴变大而影响喷雾效果。

而喷嘴采用逆喷形式比顺喷的效果要好，这是因为雾化的液滴会由于重力的作用下落，如果采用逆喷就可使液滴处在上升-下落的过程中，使水与空气的接触时间增加，从而促进热交换。

喷嘴直径越小越易于水的雾化，同时雾化的液滴也越小，同时重量越小，容易增进雾滴与空气的接触面积，热湿交换效果较好，但如果喷嘴直径过小会增加堵塞的几率。

3 结束语

通过喷雾增湿技术可降低空冷器入口处空气的温度，从而提高空冷系统中空冷岛的热交换效率，在环境空气温度较高的情况下可有效提高机组的经济性和安全运行，具有一定的实际意义和推广价值。

参考文献

[1]付玉玲，胡三高，徐鸿.直接空冷系统初始温差值的优化分析[J].动力工程，2006.

[2]赵文升，王松岭，荆有印.喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用[J].动力工程，2008.

[3]李春光，张旭.喷雾增湿在直接空冷中的应用效果及影响因素分析[J].流体机械，2012.endprint

摘 要：随着我国各领域对用电量的需求和用电质量的标准越来越高，促使当前发电汽轮机的功率越来越大，与此同时对配套的冷却系统的要求也越来越高，在缺水地区直接空冷系统得到了广泛的应用，但在夏季高温季节由于空气本身温度很高就会导致空冷系统换热效果大大降低，而采用喷雾增湿技术使空冷系统的入口空气温度大大降低，从而促进机组运行的经济性和安全运行。文章介绍了直接空冷系统中喷雾增湿技术的原理，分析了影响喷雾增湿效果的因素，为提高直接空冷系统运行效率提供理论参考。

关键词：直接空冷系统；喷雾增湿；应用；影响因素

前言

随着国民经济的飞速增长，对电的需求量越来越大，随着当前发电汽轮机的功率越来越大，与此同时对于发电机配套的冷却系统的要求也越来越高，传统的冷凝系统普遍采用水冷式，然而在我国北方的缺水地区却无法得到应用，因此在缺水地区采用直接空气冷凝系统是解决水资源缺乏问题的有效措施之一。直接空冷系统是利用外界环境的空气与系统进行热交换的方式带走系统内部的热量，从而达到冷却的目的，而在夏季高温季节由于环境空气的温度本身就很高，会导致系统内部热交换效率极为低下，无法使机组满负荷运转，严重的会导致机组背压超过限制从而使机组停机，影响系统的经济和安全运行，因此应当采取相应的措施降低系统入口空气进气温度。当前专门针对直接空冷系统入口空气降温的方法还未见研究，一般是借助其他行业如化工、水泥等行业的空气降温法，如喷淋降温法、喷雾增湿降温法等等，其中喷雾增湿法具有降温效率高、简便易行的优点。

1 直接空冷系统中喷雾增湿技术原理

直接空冷系统的冷却原理是利用环境空气与机组进行热交换，而机组的运行负荷完全由空冷器的空气干球温度（本文以下所提空气温度均指空气干球温度）决定，空气温度越高则空冷器的工作效率越低，会导致两个方面的问题，一方面由于空气温度高导致空冷器热交换效率低，另一方面空冷器冷却能力不足会导致机组真空的降低，由此就决定了汽轮机排气温度大幅上升，使机组降低负荷运行，不经济，如果长时间运行达到机组背压限值就会使系统停机，可见，汽轮机的排气温度主要由以下关系式表示：

（1）

（2）

其中ta1为空冷器入口空气温度；ITD为初始温差；δtp为汽轮机排汽在排汽管道中压降引起的温度差；Δta为空冷器的空气温升；δt为空冷器传热端差。

图1为直接空冷系统运行的工况示意图，从图1中可以看出，空冷机的初始温差ITD与传热端差δt均随空冷器入口空气温度的升高而增大，而环境空气温度越高则空冷器入口空气的温度也越高，因此空冷系统在较高的环境温度下若想安全地运行就必须要降低机组的负荷，使其在低负荷下持续工作，也因此增加了运行的成本。

根据以上分析可见，可通过降低空冷器入口空气温度以促进高温环境下空冷系统经济、安全运行。要想降低空冷器入口的空气温度，可采用在入口处喷雾增湿的技术，使水在空冷器入口处雾化，而后在高温空气下迅速蒸发，在蒸发的过程中水蒸气就会吸收入口处局部空气的热量，持续的雾化可以使空冷系统不断吸入温度相对较低的空气，以提高空冷岛单位时间热交换量，促进系统热量的排出。

2 影响直接空冷系统中喷雾增湿效果的因素

喷雾增湿对直接空冷系统的安全和经济运行的效果与系统内部空冷岛的热交换程度有关，而空冷岛的热交换量大小与入口空气温度有关，空冷系统空气入口处空气的流速、喷雾的状态、喷嘴的数量和朝向、空气中水与空气的比例等均有可能影响到喷雾增湿的效果，以下选取几个最重要的因素作简要介绍。

2.1 空冷器入口处空气流速

众所周知，在正常环境下空气流速越快则热交换的速度也越快，在直接空冷系统中，空冷器入口处空气流动速度的大小也直接影响空冷岛热交换的效果，当外界空气与雾化的水滴接触时由于空气温度和质量的改变通常会改变空气的流速，这种改变直接影响着空冷器内部热交换，一般用空气的质量流速来表示，质量流速越大，则会相应增加雾化了的水滴与空气之间的扰动，这种现象会在一定程度上增加空冷岛热交换效率，因此可在实际工作中采取相应措施适当增加空气质量流速，以促进空冷系统热交换。然而并不是质量流速越大越好，过大的流速会导致冷空气与空冷岛来不及充分热交换就被排出系统之外，降低了热交换效率的同时增加了系统运行的费用。

2.2 水气比

水气比就是雾化水滴与空气的混合体中水分与空气质量的比值，理论上来说，水气比越大越容易增加雾化水滴与空气间的热交换效率，月有利于直接空冷系统的运行，然而在实践中也要注意，过大的水气比可能会导致水的浪费，增加系统的能耗，因此必须经过充分的运算和实验，得出最佳水气比。

2.3 喷雾系统结构

喷雾系统的结构对雾化效果、系统能耗等都有一定程度的影响，因此影响直接空冷系统的热交换，喷雾系统的结构包括喷嘴数量、喷嘴朝向、喷孔的形状及大小、喷嘴的布置形式等，一般来讲，喷嘴数量越多、布置的密度越大系统的热交换效率也就越大，这是因为密集且数量众多的喷嘴喷射出的水雾会形成一个相对密闭的“帷幕”，增加内部水与空气热交换效率，但同时喷嘴数量过多就可增加每个喷嘴喷出的水雾液滴之间碰撞的几率，使部分雾化的液滴变大而影响喷雾效果。

而喷嘴采用逆喷形式比顺喷的效果要好，这是因为雾化的液滴会由于重力的作用下落，如果采用逆喷就可使液滴处在上升-下落的过程中，使水与空气的接触时间增加，从而促进热交换。

喷嘴直径越小越易于水的雾化，同时雾化的液滴也越小，同时重量越小，容易增进雾滴与空气的接触面积，热湿交换效果较好，但如果喷嘴直径过小会增加堵塞的几率。

3 结束语

通过喷雾增湿技术可降低空冷器入口处空气的温度，从而提高空冷系统中空冷岛的热交换效率，在环境空气温度较高的情况下可有效提高机组的经济性和安全运行，具有一定的实际意义和推广价值。

参考文献

[1]付玉玲，胡三高，徐鸿.直接空冷系统初始温差值的优化分析[J].动力工程，2006.

[2]赵文升，王松岭，荆有印.喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用[J].动力工程，2008.

[3]李春光，张旭.喷雾增湿在直接空冷中的应用效果及影响因素分析[J].流体机械，2012.endprint

摘 要：随着我国各领域对用电量的需求和用电质量的标准越来越高，促使当前发电汽轮机的功率越来越大，与此同时对配套的冷却系统的要求也越来越高，在缺水地区直接空冷系统得到了广泛的应用，但在夏季高温季节由于空气本身温度很高就会导致空冷系统换热效果大大降低，而采用喷雾增湿技术使空冷系统的入口空气温度大大降低，从而促进机组运行的经济性和安全运行。文章介绍了直接空冷系统中喷雾增湿技术的原理，分析了影响喷雾增湿效果的因素，为提高直接空冷系统运行效率提供理论参考。

关键词：直接空冷系统；喷雾增湿；应用；影响因素

前言

随着国民经济的飞速增长，对电的需求量越来越大，随着当前发电汽轮机的功率越来越大，与此同时对于发电机配套的冷却系统的要求也越来越高，传统的冷凝系统普遍采用水冷式，然而在我国北方的缺水地区却无法得到应用，因此在缺水地区采用直接空气冷凝系统是解决水资源缺乏问题的有效措施之一。直接空冷系统是利用外界环境的空气与系统进行热交换的方式带走系统内部的热量，从而达到冷却的目的，而在夏季高温季节由于环境空气的温度本身就很高，会导致系统内部热交换效率极为低下，无法使机组满负荷运转，严重的会导致机组背压超过限制从而使机组停机，影响系统的经济和安全运行，因此应当采取相应的措施降低系统入口空气进气温度。当前专门针对直接空冷系统入口空气降温的方法还未见研究，一般是借助其他行业如化工、水泥等行业的空气降温法，如喷淋降温法、喷雾增湿降温法等等，其中喷雾增湿法具有降温效率高、简便易行的优点。

1 直接空冷系统中喷雾增湿技术原理

直接空冷系统的冷却原理是利用环境空气与机组进行热交换，而机组的运行负荷完全由空冷器的空气干球温度（本文以下所提空气温度均指空气干球温度）决定，空气温度越高则空冷器的工作效率越低，会导致两个方面的问题，一方面由于空气温度高导致空冷器热交换效率低，另一方面空冷器冷却能力不足会导致机组真空的降低，由此就决定了汽轮机排气温度大幅上升，使机组降低负荷运行，不经济，如果长时间运行达到机组背压限值就会使系统停机，可见，汽轮机的排气温度主要由以下关系式表示：

（1）

（2）

其中ta1为空冷器入口空气温度；ITD为初始温差；δtp为汽轮机排汽在排汽管道中压降引起的温度差；Δta为空冷器的空气温升；δt为空冷器传热端差。

图1为直接空冷系统运行的工况示意图，从图1中可以看出，空冷机的初始温差ITD与传热端差δt均随空冷器入口空气温度的升高而增大，而环境空气温度越高则空冷器入口空气的温度也越高，因此空冷系统在较高的环境温度下若想安全地运行就必须要降低机组的负荷，使其在低负荷下持续工作，也因此增加了运行的成本。

根据以上分析可见，可通过降低空冷器入口空气温度以促进高温环境下空冷系统经济、安全运行。要想降低空冷器入口的空气温度，可采用在入口处喷雾增湿的技术，使水在空冷器入口处雾化，而后在高温空气下迅速蒸发，在蒸发的过程中水蒸气就会吸收入口处局部空气的热量，持续的雾化可以使空冷系统不断吸入温度相对较低的空气，以提高空冷岛单位时间热交换量，促进系统热量的排出。

2 影响直接空冷系统中喷雾增湿效果的因素

喷雾增湿对直接空冷系统的安全和经济运行的效果与系统内部空冷岛的热交换程度有关，而空冷岛的热交换量大小与入口空气温度有关，空冷系统空气入口处空气的流速、喷雾的状态、喷嘴的数量和朝向、空气中水与空气的比例等均有可能影响到喷雾增湿的效果，以下选取几个最重要的因素作简要介绍。

2.1 空冷器入口处空气流速

众所周知，在正常环境下空气流速越快则热交换的速度也越快，在直接空冷系统中，空冷器入口处空气流动速度的大小也直接影响空冷岛热交换的效果，当外界空气与雾化的水滴接触时由于空气温度和质量的改变通常会改变空气的流速，这种改变直接影响着空冷器内部热交换，一般用空气的质量流速来表示，质量流速越大，则会相应增加雾化了的水滴与空气之间的扰动，这种现象会在一定程度上增加空冷岛热交换效率，因此可在实际工作中采取相应措施适当增加空气质量流速，以促进空冷系统热交换。然而并不是质量流速越大越好，过大的流速会导致冷空气与空冷岛来不及充分热交换就被排出系统之外，降低了热交换效率的同时增加了系统运行的费用。

2.2 水气比

水气比就是雾化水滴与空气的混合体中水分与空气质量的比值，理论上来说，水气比越大越容易增加雾化水滴与空气间的热交换效率，月有利于直接空冷系统的运行，然而在实践中也要注意，过大的水气比可能会导致水的浪费，增加系统的能耗，因此必须经过充分的运算和实验，得出最佳水气比。

2.3 喷雾系统结构

喷雾系统的结构对雾化效果、系统能耗等都有一定程度的影响，因此影响直接空冷系统的热交换，喷雾系统的结构包括喷嘴数量、喷嘴朝向、喷孔的形状及大小、喷嘴的布置形式等，一般来讲，喷嘴数量越多、布置的密度越大系统的热交换效率也就越大，这是因为密集且数量众多的喷嘴喷射出的水雾会形成一个相对密闭的“帷幕”，增加内部水与空气热交换效率，但同时喷嘴数量过多就可增加每个喷嘴喷出的水雾液滴之间碰撞的几率，使部分雾化的液滴变大而影响喷雾效果。

而喷嘴采用逆喷形式比顺喷的效果要好，这是因为雾化的液滴会由于重力的作用下落，如果采用逆喷就可使液滴处在上升-下落的过程中，使水与空气的接触时间增加，从而促进热交换。

喷嘴直径越小越易于水的雾化，同时雾化的液滴也越小，同时重量越小，容易增进雾滴与空气的接触面积，热湿交换效果较好，但如果喷嘴直径过小会增加堵塞的几率。

3 结束语

通过喷雾增湿技术可降低空冷器入口处空气的温度，从而提高空冷系统中空冷岛的热交换效率，在环境空气温度较高的情况下可有效提高机组的经济性和安全运行，具有一定的实际意义和推广价值。

参考文献

[1]付玉玲，胡三高，徐鸿.直接空冷系统初始温差值的优化分析[J].动力工程，2006.

[2]赵文升，王松岭，荆有印.喷雾增湿法在直接空冷系统中的应用[J].动力工程，2008.

[3]李春光，张旭.喷雾增湿在直接空冷中的应用效果及影响因素分析[J].流体机械，2012.endprint