1 空冷岛加装喷淋喷雾降温系统的原因

直接空冷机组采用直接空冷技术的主要目的就是节水，它适用于气候干燥或者干旱的地方、煤矿坑口及其他水资源非常有限用水成本极高的地区，也适用于城市内空间有限不能建造湿式冷却塔的地方。现有机组运行效果表明，直接空冷机组比水冷凝器发电机组节水85％甚至更多。经过几十年的运行实践，证明空冷机组还是比较可靠的。但不排除空冷系统在运行中存在种种原因引发的问题，如严寒、酷暑、大风、系统设计不够合理、运行管理不当等。夏季环境气温比较高时，空冷机组会出现真空降低，机组发电效率降低，甚至迫使整个机组降负荷运行。针对此问题，有必要对空冷机组进行改造，加装喷雾降温系统，在夏季对空冷岛进行喷淋降温，提高热交换效率，达到降低机组背压，降低煤耗，使之满负荷工作，在大风风向突变的气象情况下也能起到稳定机组背压的作用，平安度过高负荷的夏季。

空冷岛热交换工作示意图

2喷雾降温系统设计理论基础

2.1加装喷雾降温系统降低背压的理论依据

直接空冷凝气器加装喷雾增湿系统可以降低机组背压和煤耗主要依据以下三个理论：

1）理论 1：环境温度变化对空冷机组背压影响很大；

2）理论 2：向不饱和空气中喷雾增温可以降低空气温度；

3）理论 3：机组背压变化影响煤耗变化，背压升高煤耗升高。

2.2环境温度对空气冷凝汽器背压的影响

现有的空冷系统多采用直接空气冷凝汽器，即使用空气作为冷却介质，空气作为冷却介质比水作为冷却介质冷却能力低很多，换热系数小，比热也小。空冷系统运行期间很容易受到外界因素的影响，尤其是夏季环境温度升高，造成空冷冷却能力急剧降低、背压升高，机组不得不降负荷运行，影响机组出力，同时也增加了煤耗，降低了机组的经济效益，也影响了机组的运行安全。

环境温度变化对背压的影响是实施喷水降温的理论基础。空冷系统设计时一般要选择一个初始端差ITD ，初始端差的定义是：

ITD=tc-ti         (1)

其中，tc为空冷凝气器设计的排气温度，ti为空气侧干球温度，即环境温度。

之所以定义ITD，是因为空冷系统设计中选择不同的ITD将影响空冷散热器管束的面积、迎面风边等关键参数的选择，因此理论上讲一个已经投运机组ITD值为一个已经选定的值：

并且由于设计上的偏差和施工、运行上的不可逆因素，导致实际的ITD一般情况下会比.初设计时选定的ITD大。所以对固定的ITD来讲，环境温度的增高等效于汽轮机排汽温度的增高，但是造成的排汽压力升高却是与排汽压力的水平有关，如表1所示。

从表1从表1可以看出，随着排汽压力的不同，环境温度变化对排汽压力的影响有很大不同，从空冷系统夏季运行时35k Pa到一般湿冷机组的7kPa，环境温度同样变化1℃，但对排汽压力的影响却相差将近5倍。因此说环境温度对空冷机组的影响比温冷机组大得多，空冷机组在夏季环境温变化1℃对背压影响比在冬季大得多，所以在夏季空冷机组往往因为环境温度过高机组出力在恶劣条件下受限，所以可以考虑在不增大空冷管束散热面积的情况下通过增加喷雾增湿降温措施，**机组的出力降低煤耗并在安全背压下运行。目前各电厂一般采用向空气中喷雾降温的方法，降低进入散热管束的空气的初始温度，其依据就是前边提到的环境温度影响机组负荷的原理。

1.1 喷雾降温的工作机理

环境温度变化对背压的影响是实施喷雾增湿降温的理论基础。在空冷器进风口采用喷雾增湿方法可以有效地降低空冷器入口空气的温度，从而提高空冷器的冷却能力。

喷雾增湿降温的工作机理是：水经过喷嘴雾化形成一定粒径的雾滴，雾滴在运动过程中与空气充分混合并迅速蒸发。由于水的汽化潜热较大，水蒸发时会大量吸收空气中的热量，从而降低空气的温度。然后将降温后的湿空气送到空冷散热器，以强化空冷器的换热效果。少量剩余没有汽化的雾滴在风机的作用下流经高温的散热翅片，在高温的作用下，雾滴加速汽化，吸收散热器翅片以及翅片间的空气热量。在一定的雾化强度和喷射角度下，喷雾还会在空冷器的表面形成水膜，水膜的蒸发进一步带走热量，提高空冷器的换热能力，从而提高机组的出力。

1.2 喷雾降温的理论过程分析

喷雾增湿降温过程是一个同时存在流动、传热和相变传质等多个传递过程相互耦合并相互影响的复杂的不可逆热力过程。空气喷雾降温的理论主要是温空气的理论，这里涉及到干球温度、湿球温度和绝热饱和温度的概念。绝热饱和温度是指喷入空气中的水与空气进行充分换热使不饱和温空气达到饱和温空气时的温度，因为这里只考虑喷雾与其周围空气的热交换，因此把喷雾和其周围的空气作为热力系看待，则该热力系统相对于外界来讲是绝热的热力系统，向空气中通过喷雾增温是一个绝热的加湿过程，喷雾增湿降温过程如图1所示。

    

图1：喷雾增湿降温过程图

当在空冷单元内喷入适量的水雾后，雾滴弥漫整个空冷单元与空气充分接触混合，空气与水滴表面的饱和空气层之间存在着温差和水蒸气分压力差，因而水滴蒸发，利用水的蒸发潜热较大的特点，水雾滴蒸发时大量吸收空气中的热量，使空气温度降低，同时空气的含湿量增加，相对湿度增加，而湿空气的焓值不变，从而达到降低空气温度的目的。雾滴与空气的热湿交换如图2所示。喷雾增湿法属于直接蒸发冷却方法，其处理方法在h-d图上属于空气的等焓加湿过程，过程线如图3所示，图中1点为喷雾前的空气状态，2点为喷雾后的空气状态，φ为相对湿度（即空气中水分饱和程度）。

图2：雾滴与空气的热湿交换示意图

图3：喷雾增湿前后空气的h-d变化图

喷雾系统中的水雾是由许多不同粒径的离散小水滴群所构成的，水雾滴粒径很小，在空气流的拖曳下悬浮在空气中，能迅速蒸发而不浸湿地面。另外由于气流的湍流脉动而引起的不规则运动有可能使少量小水滴相互碰撞聚并为较大水滴，这些较大水滴被风机送到高温的散热翅片，在高温的作用下迅速汽化并达到降温的目的，因此雾化水滴在增湿单元中的蒸发过程是非常复杂的物理过程，它涉及到动量、热量和质量的传递及输运等复杂过程。

1.1 喷雾降温后t2的理论计算

对图1和图3的喷雾加温降温过程的热力系列出热平衡方程，整理后得到方程：

h1+(d2-d1)×h1=h2    （2）

注：式2中h1为喷雾前空气的焓值，h2为喷雾后空气的焓值，d1为喷雾前空气的含湿量，d2为喷雾后空气的含湿量。

由于上式中（d2 - d1) h1与h 1、h2相比可以忽略，因此上式可近似简化为h1≈h2。所以在h-d图上该绝热喷雾加温过程可近似看成等焓过程，如图3中1 - 2过程所示。空气的绝热饱和温度有两种计算办法，一种是通过查找h-d图可以近似得到，如图4所示。

图图4：h-d对应

第二种就是通过理论计算求得绝热饱和温度，并且可以得出比较..的结果。

空气的比焓经验计算公式为：

h= 1. 005 t + d1(2501 + 1.86t) kj/kg   (3)

或h= (1.005+1.86d)t+2500d kj/kg     (3’)

式中：t—空气温度℃

d —空气的含湿量kg/kg干空气

1.01 —干空气的平均定压比热 kj/(kg.K)

1.84 —水蒸气的平均定压比热kj/(kg.K)

2500 —0℃时水的汽化潜热 kj/kg

因此公式（2）中的h1和h2分别为：

h1 = 1. 005 t1 + d1 (2501 + 1.86t1)    (4)

h2 = 1. 005 t2 + d2 (2501 + 1.86t2)    (5)

空气中的含湿量d计算公式：

因此公式（2）中的d1和d2分别为：

4.2 间接喷淋（喷雾降温方案）