直接蒸发冷却技术在国外某火力发电厂主厂房通风系统中的应用

石成君

中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司

0 工程概况

本工程为印度东北部贾坎德邦（Jharkhand）的某火力发电厂，建设2×800MW超超临界燃煤机组。主厂房为火力发电厂主体建筑物，汽轮机、除氧器及主要工艺设备、管道均在主厂房内布置，大量热量散发在室内。由于主厂房内根据相关设计规范及室内温湿度要求，主厂房区域一般设置通风系统。根据本项目当地实际气象条件及主厂房内设备和管道散热量较大的特点，同时考虑设计方案的经济性和可行性，在传统自然通风、机械通风和直接蒸发冷却通风方案中选择直接蒸发冷却通风的方案，可以有效降低通风系统的通风量及相关系统设备容量，并保证厂房内的温湿度要求。

1 直接蒸发冷却技术

直接蒸发冷却是一种水与空气直接接触的热湿交换过程，由于水的蒸发，空气不断地把自身的显热传递给水，同时空气中的含湿量增加，空气的显热转化为潜热，从而得以降温。对于空气，这是一个降温、加湿的过程，整个热湿交换过程中空气的焓值基本不变。目前，直接蒸发冷却主要有以下几种形式：滴水填料式直接蒸发冷却，常用有机、无机和金属填料；喷淋式直接蒸发冷却，主要有喷水室直接蒸发冷却和高压喷雾（微雾）直接蒸发冷却[1]。

直接蒸发冷却技术在国内外得到了广泛的应用，特别在发电厂应用领域，已有较多的实际工程案例。冯卫东对直接蒸发冷却空调送风系统在三门核电汽轮机厂房中的设计进行了阐述，其提出的创新设计方案有效降低了设备初投资，减少了系统维护工作量，进一步提升了该系统运行节能的潜在优点[2]。刘晓峰等对某核电站常规岛中的直接蒸发冷却空调机组进行了介绍，分析了金属不锈钢304填料比表面积的确定方法和填料段水过滤系统的设计方案[3]。白志刚等在直接蒸发冷却技术应用于火力发电厂汽轮机房通风的方案中，对采用直接蒸发冷却和传统机械制冷方案的经济性进行了比较，得出直接蒸发冷却方案运行费用较低，具有较好的经济性[4]。

2 主厂房蒸发冷却通风系统

2.1 设计计算

2.1.1 室内外设计参数选取

本工程位于印度地区，通风及空调设计室外气象参数选自ISHRAE Handbook中当地的设计参数。由表1可知，当地的蒸发冷却室外计算湿球温度值较高，按照国内设计规程的划分，已经属于高湿度地区。由于当地全年气温均较高，40℃以上的高温天较为常见，且高温季时，空气相对湿度较低，保证主厂房内的环境温度不至于过高，采用常规的自然或机械通风方式显然不能满足要求，因此本项目主厂房采用蒸发冷却通风的方式较为合理。

表1 室外设计参数表

汽机房和除氧间的设备散热数据参考《火力发电厂供暖通风与空气调节设计手册》表2-48中主厂房设备和管道的散热量估算值选取[5]。

表2 室内基本设计参数表

2.1.2 蒸发冷却系统风量计算

其中：L——蒸发冷却送风量（m3/h）；

Q——房间总冷负荷（kW）；

c——空气定压比热容[kJ/(kg·K)]；

ρ——空气密度（kg/m3）。

蒸发冷却系统的送风状态点的干球温度应根据设计确定的空气处理过程和蒸发冷却器的换热效率计算确定。

根据《发电厂蒸发冷却通风空调系统设计规程（DL/T 5515-2016）》，直接蒸发冷却效率的定义为：直接蒸发冷却装置进出口空气干球温度差与进口空气干球温度和湿球温度差之比[6]。

直接蒸发冷却装置的蒸发冷却效率计算如下：

其中：ηDEC——填料式直接蒸发冷却装置的蒸发效率；

tg1——入口空气干球温度（oC）；

tg2——出口送风干球温度（oC）；

ts1——入口空气湿球温度（oC）。

本项目选定直接蒸发冷却效率ηDEC为90%，根据表2的房间负荷以及公式1和公式2，计算得到汽机房和除氧间的设计蒸发冷却送风量分别为2 086 426 m3/h和730 249 m3/h。结合主厂房的布置和相关设备资料，选择相应的蒸发冷却机组和屋顶排风机，其中排风量按照送风量的75%~80%选取，保证室内正压，多余的风量通过厂房门窗、洞口等排至室外。主厂房蒸发冷却通风系统配置见表3。

表3 主厂房蒸发冷却通风系统配置表

本项目的蒸发冷却机组主要包括以下功能段：进风段、初中效过滤段、蒸发冷却段（含湿膜、循环水泵、电磁阀等）、挡水段、送风机段及电动风阀等。蒸发冷却段的湿膜采用300 mm厚度的无机材料湿膜，饱和效率为90%，耐火等级为A1级，吸水率400%，蒸发冷却补给水接自厂区的生活水。

2.2 系统布置

根据主厂房布置形式，在汽机房0 m层A排柱外侧设置4个蒸发冷却机组设备间，室外空气由布置于设备间外墙的防雨百叶吸入，经蒸发冷却机组降温处理后，通过风管系统送入汽机房各层。以5台蒸发冷却设备为一个送风单元，各台机组出风通过送风联箱汇总后，经各送风管道分别送至汽机房0 m、8 m和16 m层，其中为避免与汽机房内工艺管道和电缆桥架碰撞，汽机房A排结构采用双梁的布置形式，竖向送风管道均布置在双梁间，各层送风口侧向水平送风。另外，在主厂房两台机组除氧间中间跨的24.00 m和32.00 m层区域分别设置2个蒸发冷却机组设备间，室外空气由布置于设备间外墙的防雨百叶吸入，经蒸发冷却机组降温处理后的空气，通过风管系统送入除氧间各层。以4台蒸发冷却设备为一个送风单元，各台机组出风经送风联箱汇总后，经各送风管道分别送至除氧间各层，由于除氧间区域工艺管道布置复杂，室内空间相对小，除氧间区域的竖向送风管道均布置在厂房C排外墙的外侧，各层送风口侧向水平向室内送风。主厂房蒸发冷却通风风量分配和系统流程见表4和图1所示。

图1 主厂房蒸发冷却通风系统流程图

表4 主厂房蒸发冷却通风风量分配表

蒸发冷却机组处理送入主厂房的空气，经热湿交换后，经各楼层布置的通风格栅区域，由布置于汽机房和除氧间屋面的屋顶风机排至室外。

本项目对主厂房的蒸发冷却通风系统采用Revit软件进行了三维建模，图2展示了汽机房和除氧间区域蒸发冷却设备及相关风管的布置，该模型将导入本工程三维模型中进行碰撞检查和管道布置配合。

图2 主厂房蒸发冷却通风系统设备和管道三维布置图

2.3 系统运行模式

根据本工程当地的夏季高温干燥，雨季潮湿闷热，全年气温均较高的气象条件，将本项目的主厂房蒸发冷却机组运行分为夏季运行工况、雨季运行工况和其余季节工况，计算了各工况下的加湿量需求，并根据实际气象条件调节机组运行。

其中：Wz——蒸发水量kg/h；

G——通风量kg/h；

d1——蒸发冷却器进口空气含湿量g/kg(干空气)

d2——蒸发冷却器出口空气含湿量g/kg(干空气)

主厂房蒸发冷却系统运行工况计算表见表5。

雨季时，室外空气湿球温度较高，本项目蒸发冷却系统设计工况下的室外气象参数即根据雨季工况选取。同时，对夏季高温干燥工况的条件进行了验算，由表5可知，在同一加湿效率的条件下，蒸发冷却系统的送风温度为28.36℃，低于设计工况的送风温度，其降温能力约为雨季工况的1.2倍，因此该系统可以满足夏季运行工况的要求。但由于夏季高温时，干湿球温差较大，系统加湿量较大，约为雨季工况的2倍左右。在其余季节工况，当室外温度低于30℃，可以停止蒸发冷却机组的加湿装置，仅用室外新风降温即可。

表5 主厂房蒸发冷却系统运行工况计算表

3 结论

相比单纯的机械通风系统，蒸发冷却通风系统设计通风量小，机组运行能耗低；相比常规空调系统，无制冷压缩机做功，消耗一定量的生活水和风机用电，达到降温的目的。因此，蒸发冷却技术在本工程所在的印度地区火力发电厂主厂房通风系统中，具有较好的应用效果。

主厂房区域的蒸发冷却设备机房以及风管系统的布置是整个系统设计的难点，需要土建和工艺专业紧密配合。在A排外和除氧间中间跨设立设备机房，通过送风管道竖向送至厂房内各楼层的布置方案较为合理，不仅节省设备占地空间，同时保证了良好的送风气流组织。

对于整个主厂房蒸发冷却通风系统，可通过控制机组运行台数的方式控制运行策略；对于蒸发冷却机组，可以控制湿膜加湿器淋水装置的启停，或者通过湿膜淋水面积的大小来调节加湿量；在室外气温较低，低于30℃或者空气相对湿度较大，大于90%以上时，可停用加湿装置。根据实际室内外空气温湿度，通过灵活调节机组运行工况，可以进一步节能、节水，获得更好的经济性和节能效果。