西门子F级燃气电厂大型冷却塔除雾技术优化研究

黄源金，薛青童，金丽华

(上海华电奉贤热电有限公司，上海 201403)

火力发电厂是工业用水的大户，节约用水迫在眉睫。湿式冷却塔出口处的空气为近饱和湿空气，其露点温度比环境空气温度高，容易在冷却塔出口处形成羽雾现象。从某种程度上来说，冷却塔羽雾污染会加重城市雾霾天气，为打造绿色环保电厂，应当应用除雾技术。

奉贤热电厂采用两套西门子SGT5-4000F(4+)级燃气—蒸汽联合循环机组，装机容量2×430 MW，是上海市主力调峰机组。机组采用大型绿色环保冷却塔，在具有循环水冷却功能的同时，还具备除雾、节水的环保功能。两套燃气-蒸汽联合循环机组共配置有14座机力通风冷却塔，并且为了弥补除雾运行状态时循环水泵出力不足，配备一套抽真空系统。

1 冷却水塔除雾技术介绍

雾的形成需要两个条件:其一是空气中水蒸气含量充沛；其二是遇冷。冷却塔出口处空气中水蒸气含量高(接近饱和)且露点温度高于环境温度，因此空气中的水蒸气很容易凝结形成羽雾，除雾节水原理图中(见图1)连线AB所示，外界的环境空气状态点为A，出填料的饱和湿热空气状态点为B，常规的冷却塔中，A-B的连线为出填料的饱和湿热空气与外界干冷空气的状态线，该连接线在饱和焓湿图的上方，故而产生大量的羽雾。要想减少或消除羽雾，需要降低出填料饱和湿热空气的温度和含湿量，使得降低温度和含湿量后的状态点与外界环境空气的状态点的连线在饱和焓湿图的下方即可。基于该理论，在常规塔上部安装换热介质，将外界环境的干冷空气与进塔热水进行换热，并将换热后的环境空气引入塔内，换热后的环境干冷空气状态点由A点变到A’点，然后与出填料的饱和湿热空气混合，混合后的状态点为C点(相对B点，温度和含湿量均下降)，那么混合后的空气与环境干冷空气状态点A点的连线A-C，在饱和焓湿图的下方，即风筒出口无羽雾产生。

同时，由于加入换热器后，进水先经过换热器进行预冷，减少了填料段的进水热负荷，即减少了冷却塔的蒸发损失量，也起到了节水的作用。

图1 除雾节水原理图

2 系统运行状态切换

针对不同季节和工况，通过调节不除雾节水管路阀门和除雾节水管路阀门来实现不除雾节水和除雾节水的切换，控制灵活(见图2)。

考虑到夏季气温偏高，平均气温在30℃以上，与冷却塔出口处的空气露点温度相差不大，故采取不除雾运行方式。具体阀门操作为：开不除雾回水门，关除雾回水门。

而冬季气温偏低，平均气温10℃以下，空气干冷，含湿量低，冷却塔出口处的空气为近饱和湿空气，其露点温度比环境空气温度高，故在冷却塔出口处易出现大量羽雾，所以采用除雾运行方式。具体阀门操作为：开除雾回水门，关不除雾回水门，同时因为循环水泵出力不足，需启动抽真空系统，通过虹吸效应以弥补循环水泵出力不足(见图3)。

图2 机力风机系统图

图3 除雾冷却塔抽真空系统图

3 存在的问题

(1)真空系统中的水环式真空泵在运行一段时间后开关频繁跳闸。系统真空下降，循环水虹吸被破坏，循环水回水困难，导致汽机真空下降，威胁机组安全。

(2)除雾/不除雾阀门只能在控制柜内就地操作，运行人员无法在DCS(集散控制系统)远方操作。发生紧急情况时，不利于事故处理。

(3)个别缓冲罐气动阀频繁动作，拉低整个真空系统的真空度。当多个气动阀同时开启时，真空系统被破坏，导致循环水中断，威胁机组安全。频繁动作也大大缩短了气动电磁阀的使用寿命。

(4)在真空系统被破坏时，系统不能自动将除雾冷却塔切回到不除雾运行状态，导致虹吸破坏，循环水中断，威胁机组安全运行。

4 原因分析

真空系统真空罐和放水罐安置图(见图4)显示，正常运行时，真空罐放水门及真空罐溢流门开启，放水罐放气门及放水罐放水门关闭，在真空系统运行一段时间后，放水罐的液位上升至高液位。此时真空罐放水门及真空罐溢流门关闭，放水罐放气门及放水罐放水门开启，将放水罐内的水放出，延时n秒后，关闭放水罐放气门及放水罐放水门，开启真空罐放水门及真空罐溢流门。

由于放水罐容积过小，短时间内放水罐的水位就会上升至动作水位，导致几个阀门频繁动作，在机组长时间运行后，真空罐放水门卡涩无法动作，真空罐液位上升，水环式真空泵带大量水运行，导致真空泵断路器过负荷跳闸。

图4 真空系统真空罐和放水罐

(1)系统设计是针对机组长期稳定运行的工况，在机组启动前到就地投入除雾系统，之后不需频繁切换运行状态。但实际运行中，发现有远程操作的必要。

(2)缓冲罐气动阀只依据缓冲罐液位信号以判断是否开关，可靠性不足，缓冲罐液位稍有波动，即有可能触动液位信号，开启缓冲罐气动阀。

(3)系统逻辑的设计对象，是针对循环水泵出力充足的情况，若在除雾运行状态下，机组的循泵出力不足，继续使用除雾回水门会导致循环水中断，严重威胁机组安全运行。

5 处理措施

(1)重新计算放水罐储水速度，通过更科学的计算分析，更换合适的放水罐，避免相关气动阀频繁动作，除雾系统工作稳定性得以增强。

(2)增加通信卡件，修改逻辑。在原有设备基础上，增加一块西门子公司的通信卡件，以用于和机组控制系统的通信控制。增加远程操控逻辑，使得远程控制功能得以实现(见图5)。

(3)每个缓冲罐在原有液位信号基础上均增加一个真空度信号，只有在缓冲罐液位低于设定值，同时真空度也低于设定值，才会开启缓冲罐气动阀。通过改造，缓冲罐的气动阀基本不再误动，除雾系统真空能维持稳定运行。

(4)增加机组保护逻辑。在真空系统真空度低于保护定值且持续降低，系统报警并自动开启不除雾回水门，关闭除雾回水门，以确保机组安全稳定运行。

图5 增加远程操作后的逻辑图

6 结语

冷却塔除雾系统作为一项新的节水环保技术，将大规模应用于相关冷却塔。关于冷却塔除雾系统，本文提出了部分威胁机组安全的问题，并提供了解决思路和方案，能有效提高除雾冷却塔的工作效率和可靠性，方案可广泛运用于各大火力发电厂及自备热电厂等企业。当然，也应根据各电厂实际情况，具体问题具体分析。