蒸发冷却在余热回收节能的应用研究

0 前言

随着构建“资源节约型”和“环境友好型”社会建设的深入，节能节水成为各行各业面临的一个共同问题。《中华人民共和国节能法》指出：节能是国家发展经济的一项长远战略方针，也是解决当今能源问题的首要途径。《中国节水技术政策大纲》指出：目前我国万元GDP用水量是世界平均水平的4倍左右，工业万元产值取水量是发达国家的5~10倍，冷却水用量占工业用水总量的80%左右，节水潜力很大，提高水的重复利用率是工业节水的首要途径，应大力发展和推广工业用水重复利用技术，重点要求大力发展高效换热技术和节能节水冷却设备。

其中，电力工业是用水大户，水资源也直接影响到电力生产。由于缺水，有的电厂建厂时不得不采取“以水定电”，限制电厂规模。火力发电厂和余热利用本身作为用水与排水大户，其节能节水问题已迫在眉睫。本文主要阐述蒸发式冷凝器的原理及产品特点，探讨采用蒸发式冷凝器设备代替余热发电系统中凝汽器与冷却塔的节能技术，指出在余热回收系统采用蒸发冷却技术有一定的节能效果, 值得推广使用此技术。

1 蒸发式冷凝器的原理及特点

1.1 蒸发式冷凝器的原理

蒸发式冷凝器将水冷式冷凝器和冷却塔中分开的冷凝过程与水冷却过程合二为一，它是利用冷却水在换热器表面分布成薄膜，水膜与强制流动的空气直接接触，被冷却物料将热量传给水膜，水膜发生非饱和蒸发并与空气进行热质交换与传递，最后由空气带走热量的过程。它对传统冷却方式进行了两方面改进：一是减去冷却水从冷凝器到冷却塔的传递过程，直接实现水的重复利用，节省水泵功耗；二是改变单相冷却流体用显热温升来冷却物料的方式，主要用水的潜热带走热量。其节能、节水效果不仅在理论上是明显的, 而且在实际应用中得到很好的证明。

1.2 盘管式蒸发式冷凝器

盘管式蒸发式冷凝器（见图1）是将冷却水喷淋于管子表面形成水膜，水膜与管内介质完成换热后，水直接与管外快速流动的空气接触并发生热质交换，完成换热过程，并由空气将热量及水蒸气带走，空气的流动不仅使换热过程变得更快，而且由于空气的快速流动，空气在速个过程都能保持非饱和状态，其传热传质推动力也更大。盘管式蒸发式冷凝器是目前被广泛应用最广、最多的一种蒸发式冷凝器。

1.3 板式蒸发式冷凝器

板式蒸发式冷凝器的结构如图2 所示，板外为水与空气的逆流、顺流或错流，板间为冷凝排液区。

其特点有：在板间可强化表面的凝结换热，加速液膜的排泄；同时由于板面的强化传热结构（如图3）可改善流体流动状况，强化水与空气之间的传热传质过程，大大增强了热容量及传热性能，而且其强化传热依靠本身的特殊结构来完成，不需要任何额外的维护。

1.4 立式蒸发式冷凝器

立式蒸发式冷凝器的结构如图4所示，管内为水与空气的逆流或顺流，管外大空间为冷凝排液区。

该冷凝器的特点有：管子采用不锈钢强化传热管（如图5），不但抗腐蚀性能强，而且换热性能好、能加速冷凝液膜的排泄，尤其适用于水蒸汽的冷凝。在电力行业中，凝汽器是汽轮发电机组的重要辅机之一，它的性能好坏直接影响机组的运行。而它的主要传热组件——冷却管是凝汽器的最重要部分，因此，冷却管的选材和选型是凝汽器设计的关键。

90 年代初，中国长江动力公司供热汽轮机研究所与教育部强化传热与过程节能重点实验室—华南理工大学化工研究所联合，应用华南理工大学螺旋槽管传热理论，结合工程应用的具体情况，经过大量的理论论证和试验，优化出系列冷却管型线来适应各种不同的场合，这样，一种比较理想的冷却管凝汽器—不锈钢波螺旋槽管凝汽器应运而生。从1995 年以来，该种凝汽器已有近30 台套投入运行，目前运行情况良好。

2 发电系统凝汽设备存在的问题

凝汽设备作为汽轮机机组的重要辅机之一，是电厂热力循环过程中重要环节，对于整个热力发电厂的安全经济运行具有决定性的影响。凝汽设备包括凝汽器、冷却水泵、凝结水泵以及抽气器，其中凝汽器是最主要的组成部分。经由冷却水泵从冷却塔抽来的具有一定压力的冷却水，流经凝汽器的冷却水管，把蒸汽凝结成水时放出的热量带走，而凝结水从凝汽器底部通过凝结水泵抽出，送往锅炉或蒸汽发生器使用。在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽设备起着冷源的作用，其主要任务是将汽轮机排汽凝结成水并且在汽轮机排汽口建立与维持一定的真空度。从设备的耗水理而言，根据对湿式冷却塔的200MW机组的统计，凝汽器用水量占整个电厂的42.8~79.5%。就设备耗电量而言，整台机组的辅机约占其发电量的5~9%，其中循环水泵、凝结水泵和射水泵的耗电量占相当大的比重，冷却水系统中的循环水泵成为耗电量最大的设备，约占汽轮发电机组额定发电量的1~1.5%。目前国内现役火电机组节能项目和工作方向的确定首先应找

到热力系统中最薄弱、对机组性能影响最大的环节开展工作。由上述分析可知凝汽设备是整个热力发电系统中的最耗能耗水的设备，该设备的节能节水潜力大。

余热发电或者火力发电的冷却设备主要有风冷、水冷和水冷+风冷却塔等几种形式，以水冷冷凝器+风冷冷却塔为较常见，如图6所示。但水冷+风冷冷却塔仍然主要利用水的显热完成冷却过程，其循环水用量大，飘水率高，导致水耗散量大；另外，空气容易达到饱和，因此空气循环量大，因此其却冷水泵和风机能耗高。

3 蒸发式冷凝器在余热回收节能中应用

3.1 余热回收中应用蒸发式冷凝器的优势

采用蒸发式冷凝器代替余热发电厂中凝汽器与冷却塔设备的工艺原理见图7 所示，我们从以下几个方面分析其优势：

①节能。一方面，蒸发式冷凝器将水蒸汽的冷凝与水冷却过程合二为一，省略了冷却水从冷却塔到凝汽器的传递阶段，加之循环水量仅为水冷式的5%~10%，有效地节约了冷却水泵的输入功率；另一方面，蒸发式冷凝器冷却水温更接近空气湿球温度，其相应的冷凝温度可以更低，其冷凝温度比风冷式冷凝系统低8~11℃，比水冷式冷凝系统低3~10℃，进而提高整个余热发电系统的效率。

②节水。冷却水在凝汽器中的温升约5~8℃，即1kg水带走25~35 kJ 的热量，而蒸发式冷凝器主要通过冷却水潜热来完成换热的，1kg水吸热蒸发可以带走2450kJ 的热量，使得蒸发式冷凝器实际运行中的用水量为原来的5%~15%，节约了水资源。

③冷换效果好。一方面，由于水的蒸发潜热大，单位水的吸热量大，在换热器内外，水、空气与冷却介质交错流动，使传热速度更快，传热效率增加，从而达到更好的冷换效果；另一方面，由于其采用强化换热技术，可使系统的效率得到大大的提高。

④占地面积小。蒸发式冷凝器把凝汽器与冷却水的冷却过程进行一体化，使空气和水进行强制热湿交换，换热效率高，使热量交换和移除的过程可在很小的空间内完成，而且蒸发式冷凝器结构十分紧凑，因此其占地面积仅相当于凝汽器与冷却塔的总占地面积的30%~60%，在土地资源日益紧张的今天，有特别重要的意义。

⑤结构紧凑，容易安装维护。因为传热传质两个过程在蒸发式冷凝器内一次完成，因而不需要冷却塔，相对于余热系统中的冷却塔冷换设备，结构更加紧凑，而且制造时更容易形成整体，这样给安装带来了极大的方便，出现故障时，维修也变得容易，减少了工程实施的难度和费用。

⑥运行费用低。在运行中，除如上所述的节能节水效果外，蒸发式冷凝器还排除了冷却塔系统中因大量用水而产生的水处理问题，使运行费用大大降低。凝汽器和冷却塔的综合初投资，实际上高于蒸发式冷凝器。

由上述可知采用蒸发式冷凝器代替余热发电厂中凝汽器与冷却塔设备，不仅可以达到节能节水的目标，而且可以对余热发电厂安全经济运行以及实现可持续发展有着重要意义，同时为蒸发冷却设备开辟一条崭新的道路，在能源紧缺的今天值得大力推广应用。

3.2 实际应用过程中可能存在的一些问题

（1）结垢问题。由于蒸发式冷凝器结构紧凑，换热效率高，结垢对其传热性能影响相当大。在蒸发式冷凝器中，当水蒸发时，原来存在的杂质还在水中，水中溶解的固体的浓度也会不断提高，如果这些杂质和污物不能有效控制，会引起结垢、腐蚀和泥浆积聚，从而降低传热效率。为了达到蒸发式冷凝器应用的水质要求，使用单位必须根据当地的实际情况采取相应的水处理措施。为了最佳的传热效率和最长的使用寿命，应该控制循环水使用周期，通过排污来控制杂质的积聚。较先进的冷凝器都采用了防结垢技术, 如电子防垢除垢装置, 这些除垢装置基本能控制水垢的生成。但即使采用了防结垢技术，也必须时刻注意结垢情况，随时采取除垢措施，这样不仅可以提高冷凝器的传热效率，还可以延长蒸发式冷凝器的使用寿命。

（2）腐蚀问题，蒸发式冷凝器外壳由于常年处于水与空气的潮湿环境下，易于腐蚀，需要热浸锌处理或采用不锈钢材质，用镀锌钢的周期性钝化来防止“白锈”，白锈就是积聚在镀锌钢表面上的白色、蜡状和破坏锌层的腐蚀物。由于浸锌不均匀或厚度不够，部分地方腐蚀严重影响产品寿命。蒸发式冷凝器的换热管也存在同样问题。因此热浸锌或不锈钢板质量要把好关。

（3）检漏问题。就循环效率而言，凝汽器真空的优劣，即汽轮机组终参数的高低，堆循环效率产生的影响与机组初参数的影响同等重要。例如，国产高压200MW 机组，如果凝汽器真空下降0.98KPa，则机组热耗上升63KJ/(kW·h)，而机组初压下降490KPa，机组热耗才上升20.93 KJ/(kW·h)。针对循环效率，非常有必要维持理想凝汽器参数，但是蒸发式冷凝器由于工艺的原因，会产生很多的焊缝，因此，完善的检测设备必须配备。

4 结论

在高耗能行业中如电力、钢铁、化工等行业，大部分由于工艺的要求产生大量的低参数饱和蒸汽，利用这些低参数饱和蒸汽进行余热利用的项目需求是非常巨大的，采用立式蒸发式冷凝器代替余热发电机组中的耗电耗水设备—凝汽器与冷却

塔，不但可以达到节能节水的目标，而且对于电厂安全经济运行以及实现可持续发展有着重要意义，还可以促进有关蒸发式冷凝器的研究和进一步的推广应用，对我国经济和社会的发展也将起到重要的推动作用，因而该技术具有良好的推广前景。