0 前言

隨著構(gòu)建“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”社會建設(shè)的深入，節(jié)能節(jié)水成為各行各業(yè)面臨的一個共同問題?！吨腥A人民共和國節(jié)能法》指出：節(jié)能是國家發(fā)展經(jīng)濟的一項長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是解決當(dāng)今能源問題的首要途徑。《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》指出：目前我國萬元GDP用水量是世界平均水平的4倍左右，工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量是發(fā)達(dá)國家的5~10倍，冷卻水用量占工業(yè)用水總量的80%左右，節(jié)水潛力很大，提高水的重復(fù)利用率是工業(yè)節(jié)水的首要途徑，應(yīng)大力發(fā)展和推廣工業(yè)用水重復(fù)利用技術(shù)，重點要求大力發(fā)展高效換熱技術(shù)和節(jié)能節(jié)水冷卻設(shè)備。

其中，電力工業(yè)是用水大戶，水資源也直接影響到電力生產(chǎn)。由于缺水，有的電廠建廠時不得不采取“以水定電”，限制電廠規(guī)模?；鹆Πl(fā)電廠和余熱利用本身作為用水與排水大戶，其節(jié)能節(jié)水問題已迫在眉睫。本文主要闡述蒸發(fā)式冷凝器的原理及產(chǎn)品特點，探討采用蒸發(fā)式冷凝器設(shè)備代替余熱發(fā)電系統(tǒng)中凝汽器與冷卻塔的節(jié)能技術(shù)，指出在余熱回收系統(tǒng)采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)有一定的節(jié)能效果, 值得推廣使用此技術(shù)。

1 蒸發(fā)式冷凝器的原理及特點

1.1 蒸發(fā)式冷凝器的原理

蒸發(fā)式冷凝器將水冷式冷凝器和冷卻塔中分開的冷凝過程與水冷卻過程合二為一，它是利用冷卻水在換熱器表面分布成薄膜，水膜與強制流動的空氣直接接觸，被冷卻物料將熱量傳給水膜，水膜發(fā)生非飽和蒸發(fā)并與空氣進行熱質(zhì)交換與傳遞，最后由空氣帶走熱量的過程。它對傳統(tǒng)冷卻方式進行了兩方面改進：一是減去冷卻水從冷凝器到冷卻塔的傳遞過程，直接實現(xiàn)水的重復(fù)利用，節(jié)省水泵功耗；二是改變單相冷卻流體用顯熱溫升來冷卻物料的方式，主要用水的潛熱帶走熱量。其節(jié)能、節(jié)水效果不僅在理論上是明顯的, 而且在實際應(yīng)用中得到很好的證明。

1.2 盤管式蒸發(fā)式冷凝器

盤管式蒸發(fā)式冷凝器（見圖1）是將冷卻水噴淋于管子表面形成水膜，水膜與管內(nèi)介質(zhì)完成換熱后，水直接與管外快速流動的空氣接觸并發(fā)生熱質(zhì)交換，完成換熱過程，并由空氣將熱量及水蒸氣帶走，空氣的流動不僅使換熱過程變得更快，而且由于空氣的快速流動，空氣在速個過程都能保持非飽和狀態(tài)，其傳熱傳質(zhì)推動力也更大。盤管式蒸發(fā)式冷凝器是目前被廣泛應(yīng)用最廣、最多的一種蒸發(fā)式冷凝器。

1.3 板式蒸發(fā)式冷凝器

板式蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，板外為水與空氣的逆流、順流或錯流，板間為冷凝排液區(qū)。

其特點有：在板間可強化表面的凝結(jié)換熱，加速液膜的排泄；同時由于板面的強化傳熱結(jié)構(gòu)（如圖3）可改善流體流動狀況，強化水與空氣之間的傳熱傳質(zhì)過程，大大增強了熱容量及傳熱性能，而且其強化傳熱依靠本身的特殊結(jié)構(gòu)來完成，不需要任何額外的維護。

1.4 立式蒸發(fā)式冷凝器

立式蒸發(fā)式冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，管內(nèi)為水與空氣的逆流或順流，管外大空間為冷凝排液區(qū)。

該冷凝器的特點有：管子采用不銹鋼強化傳熱管（如圖5），不但抗腐蝕性能強，而且換熱性能好、能加速冷凝液膜的排泄，尤其適用于水蒸汽的冷凝。在電力行業(yè)中，凝汽器是汽輪發(fā)電機組的重要輔機之一，它的性能好壞直接影響機組的運行。而它的主要傳熱組件——冷卻管是凝汽器的最重要部分，因此，冷卻管的選材和選型是凝汽器設(shè)計的關(guān)鍵。

90 年代初，中國長江動力公司供熱汽輪機研究所與教育部強化傳熱與過程節(jié)能重點實驗室—華南理工大學(xué)化工研究所聯(lián)合，應(yīng)用華南理工大學(xué)螺旋槽管傳熱理論，結(jié)合工程應(yīng)用的具體情況，經(jīng)過大量的理論論證和試驗，優(yōu)化出系列冷卻管型線來適應(yīng)各種不同的場合，這樣，一種比較理想的冷卻管凝汽器—不銹鋼波螺旋槽管凝汽器應(yīng)運而生。從1995 年以來，該種凝汽器已有近30 臺套投入運行，目前運行情況良好。

2 發(fā)電系統(tǒng)凝汽設(shè)備存在的問題

凝汽設(shè)備作為汽輪機機組的重要輔機之一，是電廠熱力循環(huán)過程中重要環(huán)節(jié)，對于整個熱力發(fā)電廠的安全經(jīng)濟運行具有決定性的影響。凝汽設(shè)備包括凝汽器、冷卻水泵、凝結(jié)水泵以及抽氣器，其中凝汽器是最主要的組成部分。經(jīng)由冷卻水泵從冷卻塔抽來的具有一定壓力的冷卻水，流經(jīng)凝汽器的冷卻水管，把蒸汽凝結(jié)成水時放出的熱量帶走，而凝結(jié)水從凝汽器底部通過凝結(jié)水泵抽出，送往鍋爐或蒸汽發(fā)生器使用。在現(xiàn)代大型電站凝汽式汽輪機組的熱力循環(huán)中，凝汽設(shè)備起著冷源的作用，其主要任務(wù)是將汽輪機排汽凝結(jié)成水并且在汽輪機排汽口建立與維持一定的真空度。從設(shè)備的耗水理而言，根據(jù)對濕式冷卻塔的200MW機組的統(tǒng)計，凝汽器用水量占整個電廠的42.8~79.5%。就設(shè)備耗電量而言，整臺機組的輔機約占其發(fā)電量的5~9%，其中循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵和射水泵的耗電量占相當(dāng)大的比重，冷卻水系統(tǒng)中的循環(huán)水泵成為耗電量最大的設(shè)備，約占汽輪發(fā)電機組額定發(fā)電量的1~1.5%。目前國內(nèi)現(xiàn)役火電機組節(jié)能項目和工作方向的確定首先應(yīng)找

到熱力系統(tǒng)中最薄弱、對機組性能影響最大的環(huán)節(jié)開展工作。由上述分析可知凝汽設(shè)備是整個熱力發(fā)電系統(tǒng)中的最耗能耗水的設(shè)備，該設(shè)備的節(jié)能節(jié)水潛力大。

余熱發(fā)電或者火力發(fā)電的冷卻設(shè)備主要有風(fēng)冷、水冷和水冷+風(fēng)冷卻塔等幾種形式，以水冷冷凝器+風(fēng)冷冷卻塔為較常見，如圖6所示。但水冷+風(fēng)冷冷卻塔仍然主要利用水的顯熱完成冷卻過程，其循環(huán)水用量大，飄水率高，導(dǎo)致水耗散量大；另外，空氣容易達(dá)到飽和，因此空氣循環(huán)量大，因此其卻冷水泵和風(fēng)機能耗高。

3 蒸發(fā)式冷凝器在余熱回收節(jié)能中應(yīng)用

3.1 余熱回收中應(yīng)用蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)勢

采用蒸發(fā)式冷凝器代替余熱發(fā)電廠中凝汽器與冷卻塔設(shè)備的工藝原理見圖7 所示，我們從以下幾個方面分析其優(yōu)勢：

①節(jié)能。一方面，蒸發(fā)式冷凝器將水蒸汽的冷凝與水冷卻過程合二為一，省略了冷卻水從冷卻塔到凝汽器的傳遞階段，加之循環(huán)水量僅為水冷式的5%~10%，有效地節(jié)約了冷卻水泵的輸入功率；另一方面，蒸發(fā)式冷凝器冷卻水溫更接近空氣濕球溫度，其相應(yīng)的冷凝溫度可以更低，其冷凝溫度比風(fēng)冷式冷凝系統(tǒng)低8~11℃，比水冷式冷凝系統(tǒng)低3~10℃，進而提高整個余熱發(fā)電系統(tǒng)的效率。

②節(jié)水。冷卻水在凝汽器中的溫升約5~8℃，即1kg水帶走25~35 kJ 的熱量，而蒸發(fā)式冷凝器主要通過冷卻水潛熱來完成換熱的，1kg水吸熱蒸發(fā)可以帶走2450kJ 的熱量，使得蒸發(fā)式冷凝器實際運行中的用水量為原來的5%~15%，節(jié)約了水資源。

③冷換效果好。一方面，由于水的蒸發(fā)潛熱大，單位水的吸熱量大，在換熱器內(nèi)外，水、空氣與冷卻介質(zhì)交錯流動，使傳熱速度更快，傳熱效率增加，從而達(dá)到更好的冷換效果；另一方面，由于其采用強化換熱技術(shù)，可使系統(tǒng)的效率得到大大的提高。

④占地面積小。蒸發(fā)式冷凝器把凝汽器與冷卻水的冷卻過程進行一體化，使空氣和水進行強制熱濕交換，換熱效率高，使熱量交換和移除的過程可在很小的空間內(nèi)完成，而且蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此其占地面積僅相當(dāng)于凝汽器與冷卻塔的總占地面積的30%~60%，在土地資源日益緊張的今天，有特別重要的意義。

⑤結(jié)構(gòu)緊湊，容易安裝維護。因為傳熱傳質(zhì)兩個過程在蒸發(fā)式冷凝器內(nèi)一次完成，因而不需要冷卻塔，相對于余熱系統(tǒng)中的冷卻塔冷換設(shè)備，結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且制造時更容易形成整體，這樣給安裝帶來了極大的方便，出現(xiàn)故障時，維修也變得容易，減少了工程實施的難度和費用。

⑥運行費用低。在運行中，除如上所述的節(jié)能節(jié)水效果外，蒸發(fā)式冷凝器還排除了冷卻塔系統(tǒng)中因大量用水而產(chǎn)生的水處理問題，使運行費用大大降低。凝汽器和冷卻塔的綜合初投資，實際上高于蒸發(fā)式冷凝器。

由上述可知采用蒸發(fā)式冷凝器代替余熱發(fā)電廠中凝汽器與冷卻塔設(shè)備，不僅可以達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目標(biāo)，而且可以對余熱發(fā)電廠安全經(jīng)濟運行以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，同時為蒸發(fā)冷卻設(shè)備開辟一條嶄新的道路，在能源緊缺的今天值得大力推廣應(yīng)用。

3.2 實際應(yīng)用過程中可能存在的一些問題

（1）結(jié)垢問題。由于蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高，結(jié)垢對其傳熱性能影響相當(dāng)大。在蒸發(fā)式冷凝器中，當(dāng)水蒸發(fā)時，原來存在的雜質(zhì)還在水中，水中溶解的固體的濃度也會不斷提高，如果這些雜質(zhì)和污物不能有效控制，會引起結(jié)垢、腐蝕和泥漿積聚，從而降低傳熱效率。為了達(dá)到蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用的水質(zhì)要求，使用單位必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況采取相應(yīng)的水處理措施。為了最佳的傳熱效率和最長的使用壽命，應(yīng)該控制循環(huán)水使用周期，通過排污來控制雜質(zhì)的積聚。較先進的冷凝器都采用了防結(jié)垢技術(shù), 如電子防垢除垢裝置, 這些除垢裝置基本能控制水垢的生成。但即使采用了防結(jié)垢技術(shù)，也必須時刻注意結(jié)垢情況，隨時采取除垢措施，這樣不僅可以提高冷凝器的傳熱效率，還可以延長蒸發(fā)式冷凝器的使用壽命。

（2）腐蝕問題，蒸發(fā)式冷凝器外殼由于常年處于水與空氣的潮濕環(huán)境下，易于腐蝕，需要熱浸鋅處理或采用不銹鋼材質(zhì)，用鍍鋅鋼的周期性鈍化來防止“白銹”，白銹就是積聚在鍍鋅鋼表面上的白色、蠟狀和破壞鋅層的腐蝕物。由于浸鋅不均勻或厚度不夠，部分地方腐蝕嚴(yán)重影響產(chǎn)品壽命。蒸發(fā)式冷凝器的換熱管也存在同樣問題。因此熱浸鋅或不銹鋼板質(zhì)量要把好關(guān)。

（3）檢漏問題。就循環(huán)效率而言，凝汽器真空的優(yōu)劣，即汽輪機組終參數(shù)的高低，堆循環(huán)效率產(chǎn)生的影響與機組初參數(shù)的影響同等重要。例如，國產(chǎn)高壓200MW 機組，如果凝汽器真空下降0.98KPa，則機組熱耗上升63KJ/(kW·h)，而機組初壓下降490KPa，機組熱耗才上升20.93 KJ/(kW·h)。針對循環(huán)效率，非常有必要維持理想凝汽器參數(shù)，但是蒸發(fā)式冷凝器由于工藝的原因，會產(chǎn)生很多的焊縫，因此，完善的檢測設(shè)備必須配備。

4 結(jié)論

在高耗能行業(yè)中如電力、鋼鐵、化工等行業(yè)，大部分由于工藝的要求產(chǎn)生大量的低參數(shù)飽和蒸汽，利用這些低參數(shù)飽和蒸汽進行余熱利用的項目需求是非常巨大的，采用立式蒸發(fā)式冷凝器代替余熱發(fā)電機組中的耗電耗水設(shè)備—凝汽器與冷卻

塔，不但可以達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目標(biāo)，而且對于電廠安全經(jīng)濟運行以及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義，還可以促進有關(guān)蒸發(fā)式冷凝器的研究和進一步的推廣應(yīng)用，對我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展也將起到重要的推動作用，因而該技術(shù)具有良好的推廣前景。

本文標(biāo)題：蒸發(fā)冷卻在余熱回收節(jié)能的應(yīng)用研究

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