升级版：敞开式循环冷却水系统优化方案

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：以火力发电厂敞开式循环冷却水系统为例，说明各种水量平衡关系。火力发电厂敞开循环式冷却水系统如图2-18所示，冷却水由循环水泵送入凝汽器进行热交换，升温后的冷却水经冷却塔降温，再由循环水泵送入凝汽器循环利用。图2-18 敞开循环式冷却水系统图2-19 循环水的平衡1—凝汽器 2—冷却塔 3—循环水泵循环水在这种流程中，有以下几种水量损失：蒸发、风吹、泄漏和排污等。

冷却水由热交换器中获得的热量，直接在冷却塔或其他设备中散发至大气中，即在水与空气相接触的条件下进行冷却，然后再回至热交换器中，重复其传递热量的过程。这种系统中，循环运行的冷却水是暴露于大气中的，所以称为敞开循环式。

以火力发电厂敞开式循环冷却水系统为例，说明各种水量平衡关系。

火力发电厂敞开循环式冷却水系统如图2-18所示，冷却水由循环水泵送入凝汽器进行热交换，升温后的冷却水经冷却塔降温，再由循环水泵送入凝汽器循环利用。

在敞开式循环冷却水系统中，循环水由凝汽器流出后，通过冷却塔冷却后，用循环水泵打回凝汽器再次利用，如图2-19所示。

图2-18 敞开循环式冷却水系统

图2-19 循环水的平衡

1—凝汽器 2—冷却塔 3—循环水泵

循环水在这种流程中，有以下几种水量损失：蒸发、风吹、泄漏和排污等。为了使循环水保持一定的水量，循环水在运行中不断补充。

当循环水的损失和补充水的量达到平衡时，有：

式中 P_B——补充水量，%

P₁——蒸发损失，%

P₂——风吹泄漏损失，%

P₃——排污损失，%

在敞开式循环冷却水系统中，由于蒸发作用，系统中的水越来越少，而水中各种矿物质和离子含量就会越来越浓。为了使水中含盐量维持在一定的浓度，必须补入新鲜水，排出浓缩水。通常在操作时，用浓缩倍数来控制水中含盐的浓度。设N表示浓缩倍数，则N的含意是指循环水中某物质的浓度与补充水中某物质的浓度之比。

用来计算浓缩倍数的物质的浓度除了随浓缩过程增加外，不受其他外界条件，如加热、沉淀、投加药剂等的干扰。通常选用的物质有Cl^-、SiO₂、K⁺等物质或总溶解固体。但是，若以含盐量表示浓缩倍率的盐类浓度时，因循环水在浓缩过程中有盐类析出，不能代表实际的浓缩情况，所以通常是按不易沉淀的Cl^-估算浓缩倍数，即：

式中 []——循环水中的Cl^-含量，mg/L

[]——补充水中的Cl^-含量，mg/L

浓缩倍数的大小反映水资源复用率的大小，是衡量循环冷却水系统运行情况的一项重要指标。浓缩倍数过小，补充水量和水处理药剂耗量较大，容易因药剂浓度不足而难以控制腐蚀。提高浓缩倍数不但可节约用水，而且也可减少随排污而流失的药剂量，节约了药剂费用。但浓缩倍数过大（N＞5）时，析出结垢和发生腐蚀的可能性增大。究竟选用多大的浓缩倍数合适，必须综合考虑当地水源水质、水处理药剂情况和运行管理条件等。操作时若保持浓缩倍数不变，蒸发量大时，要增大补充水量。若保持水平衡，增大补充水量或排污水量，都会使浓缩倍数下降。因此操作时，不能任意改变补充水量和排污水量。

1.蒸发损失P₁的估算

在循环冷却系统中，由于冷却塔中水的蒸发而发散出的热量，因大气温度的不同而有很大差别。在冬季，这部分热量占冷却系统中发散热量的50%～60%，在夏季为85%～100%。蒸发损失可由热量平衡关系估算：

所以

式中 Q_x——循环水流量，t/h

Q₁——循环水蒸发损失量，t/h

t₁——冷却塔循环水出口温度，℃

t₂——冷却塔循环水进口温度，℃

t_P——循环水平均温度（t₁+t₂）/2，℃

c_p——水的质量定压热容，kJ/（kg·℃）

x——冷却系统中因蒸发而散发的热量与全部散发出热量的比值，夏季取1.0，冬季为0.5，春秋季为0.75

h——平均温度下饱和蒸汽的焓，kJ/kg

若以Δt=t₁-t₂，且h以常温下（25℃）饱和蒸汽的焓代入，即h=2545.2kJ/kg，t_P=25℃，c_p=4.187kJ/（kg·℃），故得：

式（2-24）简化为：

2.风吹和泄漏损失P₂的估算

风吹和泄漏损失P₂的估算为0.1%（有收水器）或0.25%～5%（无收水器）。

3.排污水量的估算

从盐类平衡来分析这一问题，如图2-20所示。

图2-20 循环水中盐类平衡

蒸发损失的水中不含Cl^-，但在风吹、泄漏和排污损失的水中，Cl^-的含量就是循环水中Cl^-的含量。所以当由补充水（P_B）引入的Cl^-和由风吹泄漏、排污（P₂、P₃）中损失的Cl^-相等时，循环水中Cl^-的含量不再变化，故得式（2-26）：

或

因此

由式（2-28）可知，如果知道P₁、P₂和N值，就可求出排污水量P₃。在P₁和P₂一定的情况下，N值越高，排污损失水量P₃就越小，P_B也就越小，节水量也就越大。但当N值增加到3.0～4.0时，排污水量已很小，对节水已不起明显作用。

在循环冷却系统中，蒸发作用使盐类浓缩，但风吹、泄漏和排污又使循环水排走一部分盐类，根据物料衡算的概念，系统中盐类的瞬间变化量应该等于进入系统的瞬时量和排出系统的瞬时量的代数和。因此：

盐类的变化量=补充水带进的盐量-风吹泄漏和排污水带出的盐量

设：在dt时间内，由补充水带进循环冷却系统的盐量为（q_B·ρ_B·dt）。其中q_B为补充水流量（m³/h）；ρ_B·dt为补充水的含盐量（mg/L）。

在dt时间内，由风吹泄漏和排污带出的盐量为（q₂·ρ_t·dt）。其中q₂为风吹、泄漏和排污损失水量的总和（m³/h）；ρ_t为在时间t循环水中的含盐量（mg/L）。

因此，在dt时间，循环冷却水中盐类的增量为：

式中 V——循环冷却水系统内的总贮水量（m³）

将式（2-29）分离变量和积分：

得

式中 ρ₀——时间t₀时循环冷却水中的含盐量，mg/L

ρ_t——时间t时循环冷却水中的含盐量，mg/L

当t→∞，式（2-31）中第二项→0，有：

式（2-32）表明，在循环冷却水系统开始投运阶段，水中盐类是随着运行时间的延长而增大的，当t值达到某一时刻，由补充水带进的盐量和由风吹、泄漏和排污带出的盐量相等时，循环水系统中的盐量趋向一个稳定值，浓缩倍数也达到一个最大值。

如以ρ_t对t作图，则系统中盐类的浓度的变化由起始浓度ρ₀逐渐下降，并趋向q_Bρ_B/q₂这个定值，如图2-21所示。

当系统在提高浓缩倍数下运行时，则系统中某离子浓度的变化是由起始浓度ρ₀逐渐升高，随着运转时间的延长，也是趋向q_Bρ_B/q₂这个定值，如图2-22所示。当然，图2-21和图2-22中的q_Bρ_B/q₂的绝对值是不等的。

从图2-21和图2-22可知，不论系统中盐类的初始浓度是多少，随着运行时间的推移，其最终的浓度总是浓缩倍数和补充水中盐类浓度的乘积，即q_Bρ_B/q₂=Nρ_B。由此证明了控制好补水量和排污水量能使系统中盐类浓度稳定在一个定值上。

图2-21 降低浓缩倍数时水中盐类浓缩变化曲线

图2-22 提高浓缩倍数时水中盐类浓缩变化曲线

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