一种基于空气冷凝调控的冷却塔喷雾回收节水技术

摘要：今年来火电能源使用占比依旧偏高，其需水量大，而我国水资源匮乏。针对这一问题，本文提出一种以优化火电厂冷却塔中空气冷凝器的方式降低需水量的方案。首先，本文分析了空气冷凝器原理及其未能投入大规模使用的原因。然后通过研究对其冬季结冰问题、灰尘堵塞气道问题进行优化和解决，并尝试提升其效率。最后，分析其推广前景与经济效益，验证方案可行性。

关键词：冷却塔；空气冷凝器；智能调控；节水

0引言

近年来，虽然新能源不断高速发展，但传统能源依然占据了大部分比例，起到无可替代的作用。在能源的使用中，形成了以火电为主，融合水电、风电、核电为辅的格局[1]。

我国水资源十分匮乏，经调查表明，我国是十四个最缺乏水资源的国家和地区之一。火电厂作为城市能源输出的核心，其用水量与水资源消耗量是巨大，是名副其实的“耗水大户”，占工业用水的40%。

通过空气冷凝器节水的方案并不是首次被提出，在火电厂外部加装节水装置，可以在保证冷却塔的气动外形的前提下，实现节水的要求。该装置一直未被大规模采纳，原因如下：1、高速流动的空气会裹挟杂质进入气道内，长时间会堵塞气道，而人工清理难度大；2、在冬季，冷凝器表面易结冰，影响运行的安全性和高效性。

一、空气冷凝器的国内外研究现状和发展趋势

对于提升火电厂的效能方向的研究在世界范围内，都引起了足够高的重视。在节水方面也展开了多方向的研究。火电厂冷却塔的冷却循环水的损失主要包括冷却塔内流动的空气与冷却水进行热交换过程中产生的风吹损失、蒸发损失与排污损失三部分[5]。诸多学者对以上三部分损失展开了批量的研究。

针对风吹损失，学者提出如下几种方法：安装机械式收水器、利用高压静电对水损失进行回收、利用虹吸效应来对水进行回收[2，3]。这些方法的本质都是都是通过除雾原理来实现收水的。

国外火电机组节能降耗方面的技术较为先进。有以下技术：1、空冷/湿冷复合冷却技术。该技术中汽轮机排气分为两路，一路进入空冷岛冷却，一路进入湿冷凝汽器冷却[4]。经计算，该系统可以节约20%-30%的冷却水；2、冷却塔注整齐节能技术。风力作为冷却效果的主要因素，增大通风量则水温越低。美国能源电力研究中心依据这一原理，从汽轮机当中抽出一股蒸汽，送至冷却塔填料层上部，加大空气的密度差，提高通风量降低水温[5]。

二、空气冷凝器的作用原理

空气冷凝器的作用原理主要采用除湿原理，其主要是将温度降到露点温度以下，使其中的水蒸气冷凝成小水珠。在火电厂冷却塔中，塔内经过与循环水交换后的湿热空气中的水蒸气含量通常是达到饱和的，空气中的含湿量与温度的关系如下图（2）所示：

如图5可见，1状态点在高温下湿度达到饱和，如果此时温度下降到2，由于空气湿度含量不能超过100%，空气中的湿度会沿饱和曲线下降到2，多余的水蒸气会发生冷凝，重新聚集成小水滴。如果换热介质为空气，但两者没有接触，如上图3-4过程，此时空气湿度没有任何变换，但可以实现降温，让湿热空气的温度低于露点温度，达到除湿的效果。

空气冷凝器以塔外的空气为冷源，并利用轴流风机提供动力，依靠冷却空气与冷的壁面进行热交换来降低壁面的温度[6]。当水蒸气遇到低于其露点温度的冷却表面时，紧靠冷却表面的水蒸气会发生凝结，形成液膜或液滴。

在空气冷凝器翅管处的冷凝形成的小水滴在聚集足够多之后，受自身重力的影响，冷凝水会回落到配水区，减少了蒸发损失，达到节水的目的。 为了不影响冷却塔的整体气动性能，影响冷却塔内部的散热系统工作，需要将空气冷凝器安装在冷却塔外围。

三、通过滤网减少灰尘进入气体通道

空气中有大量的悬浮灰尘颗粒，被风机吹入风道之中，时间长后积灰易造成风道的堵塞，影响空气冷凝器的正常运转工作。因此我们可以在风机的入口处加装一个空气滤网，类似于空调上保护蒸发器的装置[7]，阻隔空气中的灰尘进入风道之中

滤网的规格，及滤网的目数对滤网的阻拦效果有显著的影响。根据之前新疆图木舒克市东湖纺织有限公司的实验表明[8]，将滤网规格由40目/cm2换位60目/cm2，其对短绒进入风道的阻隔作用十分的明显。因此选取合适的滤网规格，在保证进气量的同时，尽可能多的增加目数是减少空气中的尘埃进入气道的有效方法。因此在实际情况中，需要对比不同目数的滤网对空气中尘埃的阻隔效果，并且测量进气量，选取最佳目数。

四、智能化调控空气冷凝器内气体流速

在空气冷凝器的流道中，气体的流速与其热交换能力有关。气体流速的变换会导致固体流体与固体表面之间的传热方式发生变化，从而影响传热系数。总而言之，流速较低时，气体对固体表面的传热效果会降低，因为气体无法迅速带走热量。流速过高时，气体会变得不稳定，增加了流体与固体之间的阻力，导致传热效果下降[9]。

此外流速还会影响流体流动的稳定性。当空气流速较低时，流体流动较为平稳，流线较为整齐，流动阻力小。随着流速的不断增加，流体流动变得不稳定出现湍流现象，流线变得十分的复杂，流动阻力增加。湍流对传热的影响是十分复杂的，一方面，湍流使流体与固体表面之间的传热区域增大，换热系数增大，换热效果增加；另一方面，湍流会带走更多的热量，使传热系数略微降低。

以上理论基于牛顿换热公式：

q=h A（Ts-Tf）        （1）

式中q是单位时间的换热量，单位为W；h'是对流换热系数，单位为W；A是换热面积，单位为m2；Ts是固体的表面温度，单位为K；Tf是流体的温度，单位为K。

如何平衡流体流速和换热能力需要做大量的实验来获取数据，并且随着外部的温度和湿度不断的变化，情况依然无法确定。所以依靠人做实验得结论，时间和经济成本巨大。如果依靠AI，让AI通过温度传感器，进行机器学习[10]。依照现实情况调整空气冷凝器中的气体流速进行学习，自我调整，提升空气冷凝器的性能。

在气道入口、出口和空气冷凝器表面分别放置温度传感器，监测气体和固体表面的温度变换，基于数学公式（5）算出所交换的热量。并根据水的比热容公式：

Q=cmΔt             （2）

计算出凝结水的量，通过比较进行强化学习，计算出每一种状态下流速的最佳值。

在冷却塔与冷凝器接触的部分，防止测量干湿温度的传感器，数据模型获得干湿温度的数值计算绝对湿度来判断空气冷凝器回收大部分水蒸气所需要的交换的热量，控制流量，达到节约的目的。空气绝对湿度的计算公式如下：

ρw = （em） / [（Rw） × （TV）]  （3）

其中，e表示蒸汽压（单位：帕斯卡），Rw表示水的气体常数（461.52J/（kg K）），T表示温度（单位：开尔文），m表示在空气中溶解的水的质量（单位：克），V表示空气的体积（单位：立方米）。

五、结论

基于空气冷凝调控的冷却塔喷雾回收节水技术前景广阔。在政策层面，“双碳” 目标促使各国重视节能减排，节水技术契合政策导向，能获政策支持，利于项目推广。市场上，水资源价格上涨，能源行业快速发展，冷却塔运行效率和节水性能问题凸显，此技术可解决冬季结冰、空气尘埃堵塞等问题，提高运行效率、降低用水量，加上设备更新和改造的需求，市场潜力巨大。从资源分布看，煤和水资源分配不均，工业用水及冷却塔水损耗占比高，推广该技术可有效节水，缓解资源分配不均。技术本身采用先进原理和设计，技术含量高，随着技术成熟和成本降低，市场接受度会不断提高。而且该技术投资回报周期短，长期经济效益显著，还有望获政策支持降低成本。总之，在多方因素推动下，该技术有望成为冷却行业节水减排关键方案 。

参考文献

[1]唐健.上海市外高桥火力发电厂的用水分析与节水潜力挖掘[J].水资源开发与管理，2024，10（04）：21-27.

[2]吕扬. 冷却塔水损失变化规律及节水方法的研究[D].山东大学，2010.

[3]梁双印，胡三高，周少祥，张保衡.湿式冷却塔水损失的高压静电回收实验分析[J].现代电力，1996，（04）：59-64.

[4]宁康红，侯铁信，舒乃秋，等.基于高压电场的降低蒸发水水耗的方法[J].电力建设，2003，（05）：59-60+63.

[5]王睿.湿式冷却塔热虹吸蒸发预冷与节水系统研究[D].导师：孙奉仲.山东大学，2023.

[6]崔育奎， 刘网扣. 国外火电机组汽轮机冷端节能降耗先进技术[J]. 热力透平， 2015， 44 （01）： 35-38.

[7]董立.空调滤网的作用及清理[J].大众用电，2022，37（09）：74.

[8]成卫东.集聚纺负压风机滤网目数的优化效果[J].棉纺织技术，2022，50（01）：63.

[9]成英超. 分布式流数据分析与实时机器学习理论与应用研究[D]. 导师：郝志峰. 广东工业大学， 2020.

作者简介：闫哲锟（2004—），男，汉族，山西孝义人，江苏大学本科生，研究方向：动力工程及工程热物理

艾琳（2005—），女，汉族，黑龙江鸡西人，江苏大学本科生，研究方向：动力工程及工程热物理

陈育涛（2004—），男，汉族，广东潮州人，江苏大学本科生，研究方向：动力工程及工程热物理