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1、发电厂冷却水处理第一节发电厂冷却水系统1 冷却水系统及设备1.1 冷却水系统用水作冷却介质的系统称为冷却水系统。冷却水系统可分为直流冷却水系统、开式循环冷却水系统、闭式循环冷却水系统三种，如表4-1所示。表4-1 冷却水系统的分类冷却水系统类 型特 点备 注直流冷却水系统湿式冷却冷却水只利用一次采用人工和天然冷却池时，如冷却池容积与循环水量比大于100，可按直流系统对待开式循环冷却水系统湿式冷却冷却水经冷却设备冷却后重复利用闭式循环冷却水系统干式冷却利用空气冷却1.1.1 直流式冷却水系统直流式冷却水系统如图4-1所示。此系统的冷却水直接从河、湖、海洋中抽取，一次通过凝汽器后，即排回天然水体，
2、不循环使用。此系统的特点是：用水量大；水质没有明显的变化。由于此系统必需具备充足的水源，因此在我国长江以南地区及海滨电厂采用较多。1.1.2 开式循环冷却水系统开式循环冷却水系统如图4-2所示。该系统中、冷却水经循环水泵送入凝汽器，进行热交换，被加热的冷却水经冷却塔冷却后，流入冷却塔底部水池，再由循环水泵送入凝汽器循环使用。此循环利用的冷却水则称循环冷却水。此系统的特点是：有CO2散失和盐类浓缩，易产生结垢和腐蚀问题；水中有充足的溶解氧，有光照，再加上温度适宜，有利于微生物的孽生；由于冷却水在冷却塔内洗涤空气，会增加粘泥的生成。 图4-1 直流式冷却水系统1凝汽器；2河流；3循环水泵 图4-2
3、 开式循环冷却水系统1凝汽器；2冷却塔；3循环水泵；PB补充水；PZ蒸发损失；PF吹散及泄漏损失；PP排污损失此系统较直流式系统的主要优点是节水，对一台 300MW的机组，循环水量按3.2104t/h计，如果补充水量为2.5%，则每小时的耗水量仅800t，因此该系统在水资源短缺的我国北方地区被广泛采用。随着今后水资源短缺现象越来越严重，我国将有更多的火电厂采用开式循环冷却水系统。1.1.3 闭式循环冷却水系统闭式循环冷却水系统在火电厂有三种应用场合。一是空冷系统冷却汽轮机的乏汽，如在严重缺水地区建设的空冷机组，多采用此系统，目前，我国大同第二电厂、丰镇电厂的海勒式间接空冷系统已投入运行，如图4
4、-3所示。哈蒙式间接空冷系统也已在太原第二热电厂投入运行。如图4-4所示。二是有些电厂将轴瓦冷却水等组成一个专门的闭式循环冷却系统 （亦称二次冷却系统）。三是装有水内冷发电机的电厂，将内冷水也组成一个闭式循环冷却系统。此系统的特点是：没有蒸发而引起的浓缩，补充水量少，一般都使用除盐水作为补充水。图4-3 闭式循环冷却水系统（海勒间接空冷系统）1汽轮机；2混合式凝汽器；3冷却塔；4空冷元件；5循环水泵图4-4 闭式循环冷却水系统（哈蒙间接空冷系统）1汽轮机；2凝汽器；3冷却塔；4空冷元件；5循环水泵；6凝结水泵1.2 凝汽器在火电厂循环冷却水系统中，其换热设备为凝汽器。凝汽器是用水冷却汽轮机排汽
5、的设备，在火电厂使用的主要是管式表面式凝汽器，如图4-5所示。图4-5 管式表面式凝汽器结构简图1蒸汽入口；2冷却水管；3管板；4冷却水进水管；5冷却水回流水室；6冷却水出水管；7凝结水集水箱（热井），8空气冷却区；9气气冷却区挡板；10主凝结区；11空气抽出口凝汽器由壳体、管板、管子等组成，冷却水在管内流动，蒸汽在管外被凝结成水。凝汽器的壳体和管板一般为碳钢，管子为黄铜，不锈钢或钛管等材质。管与管板的连接为胀接或焊接。凝汽器传热性能的好坏，可由凝汽器的真空度和端差来判断。1.2.1 凝汽器的真空度在正常运行时，凝汽器内会形成一定的真空度，其值一般为0.005MPa。1.2.2 凝汽器的端差
6、汽轮机的排汽温度tp与凝汽器冷却水的出口温度t2之差，称为端差，用t表示。它与汽轮机排汽温度和冷却水温度之间有以下关系：tp= t1+t +t （1-1）t = t2t1式中t1冷却水的进口温度，；t2冷却水的出口温度，；正常运行条件下，端差一般为35。如铜管内结垢或附着粘泥，端差甚至可上长升到20以上。此外，汽轮机排汽量的增加和凝汽器中抽汽量的减小，冷却水流量的减少，都会使凝结水温度升高、端差上升或凝汽器内压力升高、真空度降低，影响机组的热经济性。1.2.3 凝汽器的传热设凝汽器的排汽温度为tp，冷却水温度为tw，S为传热面积，K为总传热系数，则可用以下的基本方程式来表示凝汽器的传热过程：
7、Q = KS（tptw）=KStm （1-2）式中 Q传热量，J/h；S传热面积，m2；K总传热系数，W/(m2K)；tm流体间温差的平均值，。在上式中，传热量越大，冷却水的热负荷越高，也越容易发生水垢故障。总传热系数K值愈高，则导热愈佳。总传热系数可按下式求出。 （1-3）式中 1蒸汽侧界膜传热系数，W/（m2K）；2冷却水侧界膜传热系数，W/（m2K）； 1管材的热导率，W/（m2K）；2附着物的热导率，W/（m2K）；1管壁厚度，m；2附着物厚度，m。在凝汽器的运行中，K值随结垢、腐蚀产物和粘泥附着的增长而减小。总传热系数K的倒数称之为总污垢热阻，表示某换热器的污垢程度，亦称污垢系数，可
8、由1-4式计算： （1-4）式中 污垢系数，（m2K）/W；KS运行一定时间后的总传热系数，（m2K）/W；K0运行初期的设计总传热系数，（m2K）/W；。污垢系数还可根据污垢的热导率和厚度，按下式计算：式中 2 污垢厚度，m；2附着物的热导率，W/（mK）。对开式循环冷却系统的年污垢热阻值，我国目前的控制标准是小于3.4410-4（m2 K）/W，约相当于现场监测的3mg/（cm2月）垢附着速度。1.3 冷却设备冷却设备有喷淋冷却水池、机力通风冷却塔、自然通风冷却塔三种。第一种多用于小容量的火力发电机组，第二种多在占地面积小的火电厂中使用。目前应用最多的是自然通风冷却塔。1.3.1 喷淋冷却
9、水池喷淋冷却水池由水池和在冷却水池上面加装的喷水设备（喷水管道和喷嘴）组成，增加喷水设备的目的是为了增加水与空气的接触面积，便于散热。喷淋冷却水池的缺点是占地面积大，冷却效果差，水损失大，且增加了水中悬浮物的含量。此外由于良好的日照，会促进苗、藻类的繁殖。1.3.2 机力通风冷却塔机力通风冷却塔，由于在塔内加装了风扇，进行强力通风，因而可以降低冷却塔的面积和高度，但由于要另外消耗动力，且风扇的维护工作量较大，所以限制了它的使用。1.3.3 自然通风冷却塔自然通风冷却塔一般为双曲线型。它是由通风筒、配水系统、填料，捕水器、集水池组成。自然通风冷却塔是依靠塔内外的空气温度差所形成的压差来抽风的，因
10、此通风筒的外型和高度对气流的影响很大，风筒高度可达100m以上，直径可达6080m。热的循环水送至冷却塔腰部，通过配水系统将水均匀的分布在塔的横截面上，然后进入填料层，以增加水与空气的接触面积和延长接触时间，从而增加水与空气的热交换。以往的填料多为水泥网格板（505050，mm），目前多为PVC制造的点波、斜波等膜式填料。被冷却的水，收集在冷却水池中，经沟道，重新引至循环水泵吸水井。为了降低吹散损失，目前多数冷却塔都装有捕水器，捕水器设置在配水系统上面，它是由弧形除水片组成，当塔内气流夹带细小水滴上升时，撞击到捕水器的弧形片上，在惯性力和重力作用下，水滴从气流中分离出来而被回收。1.3.4 水
11、的冷却原理在冷却塔中，循环水的冷却是通过水和空气接触，由蒸发散热、接触散热和辐射散热三个过程共同作用的结果。借传导和对流散热，称为接触散热，较高温度的水与较低温度的空气接触，由于温差使热水中的热量传到空气中去，水温得到降低。因水的蒸发而消耗的热量，称为蒸发散热，进入冷却塔的空气，湿分含量一般均低于饱和状态，而在水汽界面上的空气已达饱和状态，这种含湿量的差别，使水、汽不断扩散到空气中去，随着水汽的扩散，界面上的水分就不断蒸发，把热量传给空气。所以水的蒸发冷却，可使水温低于空气的温度。假如冷却塔进水温度为35，则蒸发1kg水大约要吸收24094J的热量，带走的这些热量大约可以使576kg的水降低1
12、。除冷却池外，辐射散热对其他各型冷却构筑物的影响不大，一般可忽略不计。这三种散热过程在水冷却中所起的作用，随空气的物理性质不同而异，春、夏、秋三季，室外气温较高，表面蒸发起主要作用，以蒸发散热为主。夏季的蒸发散热量占总散热量的90%以上，冬季、由于气温低，接触散热为主，可以从夏季的10% 20%增加至 50%，严寒天气甚至可增至70%。2 循环冷却系统的运行参数循环冷却系统的运行操作参数包括：循环水量；系统水容积；水滞留时间；凝汽器出水最高水温；冷却塔进、出水温差；蒸发损失；吹散及泄漏损失；排污损失；补充水量、凝汽器管中水的流速等。2.1 循环水量一般冷却1kg蒸汽用5080kg水是经济的。通
13、常用50kg水冷却1kg蒸汽来估算循环水量。如果气温偏冷，循环水量的设计值还可以再降低。如北方某电厂2600MW机组，锅炉额定蒸发量为 2008t/h，凝结水流量1548 t/h，设计循环水量仅为72000t/h，即冷却1kg蒸汽用46.5kg冷却水。2.2 系统水容积火电厂冷却系统的水容积一般选择的比其他工业大。GB50050工业企业循环冷却水处理设计规范中规定，循环冷却系统的水容积（V）与循环水量（q）的比，一般选用 ，而我国火电厂由于多数采用大直径的自然通风塔，塔底集水池的容积较大，所以多数电厂的此比值在之间。V/q比值越小，系统浓缩得越快，即达到某一浓缩倍率的时间就比较短，可参见表4-
14、2。此外，冷却系统的水容积对冷却系统中水的滞留时间（算术平均时间）及药剂在冷却系统中的停留时间（药龄）有影响。表4-2 V/q对达到某一浓缩倍率时所需时间浓缩倍率时间（h）V/q11/21/31/51.111.95.953.972.381.223.811.97.934.761.559.529.819.811.92.011959.539.723.82.517989.359.535.73.023811979.347.64.035717911971.45.047623815995.4注：计算条件为PZ=0.84%，PF+PP=0.2%，冷却塔温差t=7。2.3 水滞留时间水的滞留时间表示水在冷却系统中的停留时间，也可表示冷却水系统中水的轮换程度，滞留时间可用下式计算： （1-6）式中 tR滞留时间，h；V系统水容积，m3；PF吹散及泄漏损失，m3/h；PP排污损失，m3/h。显然，系统水容积大，水的滞留时间长，排污量少，滞留时间长。2.4 凝汽器出口最高水温当冷却塔和凝汽器正常工作
