适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法与流程

本发明属于电站锅炉辅助系统领域，具体地涉及一种适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法。

背景技术：

1、燃煤电站采用湿法脱硫后烟气提水技术，能够大幅降低缺水地区燃煤电站的外部耗水，甚至可实现全厂正常运行时外部水源零补水，对于缺水地区燃煤电站的节水意义重大。烟气提水技术主要有冷凝法、溶液吸收法及膜法，其中冷凝法是目前工业应用的主流技术。冷凝法按烟气冷凝换热方式分为烟气接触式和烟气间接式换热两种技术路线。

2、空塔喷淋式冷凝塔是接触式换热提水技术的主要设备之一，具有换热效果高、提水量高、阻力小等优势。冷凝塔的结构例如图1所示，冷凝塔为圆筒形结构，高温的湿烟气在冷凝塔内由下至上流动，低温的喷淋水从冷凝塔上部喷入，并经喷嘴雾化，雾化后的液滴由上至下流动，并与湿烟气发生传质换热，喷嘴出口至冷凝塔入口烟气处的垂直高度为换热高度h。冷凝塔设计的重点是计算冷凝塔直径dt和冷凝塔换热高度h。

3、冷凝塔内的换热过程是典型的热烟气流经湿表面的传热传质过程。因为液滴大小和速度的不同，不同液滴的运动过程复杂。为了能全面描述液滴—烟气的换热过程，可建立方程组，包括液滴的运动方程、液滴粒径的变化方程、水质量守恒方程、液体焓的计算方程和换热速率的计算方法，但该计算方法复杂，计算量巨大，并不适合工程应用。

4、目前，工程应用中冷凝塔换热较为常见的计算方法是先根据经验选取冷凝塔的空间换热系数，再根据目标提水量和该换热系数计算换热量和空间换热高度，校核时根据确定的换热高度计算不同循环水量和入口喷淋水温情况下的提水量。该方法简单，虽在一定程度上能够满足工程精度，但不同工程条件和运行条件下的通用性较差，且不适合将其应用于整个提水系统的优化，延展性较差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：提供一种适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法，解决现有计算方法通用性、延展性较差的问题，并避免采用计算量巨大、不适合工程应用的方式，同时实现能够针对不同烟气参数、喷淋水温度、喷淋水流量等条件对冷凝塔换热进行设计计算及校核，为工程实际应用的冷凝塔设计和整个提水系统设计及优化提供支撑和创造条件。

2、依据本发明的技术方案，本发明提供了一种适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法，其用于设计计算工况点下的冷凝塔直径、冷凝塔换热高度以及目标提水量，其包括如下步骤：

3、步骤s1，输入设计工况点下冷凝塔入口烟气参数、冷凝塔入口喷淋水参数以及喷嘴参数；

4、步骤s2，根据步骤s1输入的参数计算冷凝塔直径以及冷凝塔出口烟气参数，并根据结果调整得到适宜的目标提水量；

5、步骤s3，由不同计算方式计算得到冷凝塔换热效率，并根据结果调整冷凝塔换热高度，使不同计算方式计算得到冷凝塔换热效率基本相同；从而最终得到所需的冷凝塔换热高度、冷凝塔换热效率以及目标提水量。

6、进一步地，步骤s1中，冷凝塔入口烟气参数包括冷凝塔入口湿烟气流量、冷凝塔入口湿烟气温度、设计空塔烟气流速、冷凝塔入口湿烟气中氮气体积分数、冷凝塔入口湿烟气中氧气体积分数、冷凝塔入口湿烟气中二氧化碳体积分数、冷凝塔入口湿烟气中二氧化硫体积分数、冷凝塔入口湿烟气中水蒸气体积分数；

7、冷凝塔入口喷淋水参数包括冷凝塔喷淋水流量、冷凝塔入口喷淋水温度；

8、喷嘴参数包括液滴半径、液滴喷射速度。

9、进一步地，步骤s2包括：

10、计算冷凝塔入口湿烟气焓值，计算冷凝塔入口湿烟气密度，计算冷凝塔入口湿烟气导热系数，计算冷凝塔入口湿烟气粘度，计算冷凝塔入口湿烟气定压比热容，计算冷凝塔入口水蒸气含量，根据冷凝塔入口湿烟气温度得到冷凝塔入口水蒸气分压，根据冷凝塔入口喷淋水温度得到冷凝塔入口喷淋水焓值；

11、计算冷凝塔直径；

12、假定目标提水量；

13、基于假定的目标提水量，计算冷凝塔出口湿烟气中水蒸气含量，计算冷凝塔出口湿烟气流量，计算冷凝塔出口水蒸气分压；

14、根据冷凝塔出口水蒸气分压得到冷凝塔出口湿烟气温度，计算冷凝塔出口湿烟气焓值，计算冷凝塔出口湿烟气密度，计算冷凝塔出口湿烟气导热系数，计算冷凝塔出口湿烟气粘度，计算冷凝塔出口湿烟气定压比热容；

15、将冷凝塔出口湿烟气温度与冷凝塔入口喷淋水温度相比较，若不满足冷凝塔出口湿烟气温度<冷凝塔入口喷淋水温度，则返回假定目标提水量步骤，修改目标提水量，重复直至满足冷凝塔出口湿烟气温度<冷凝塔入口喷淋水温度。

16、进一步地，步骤s2包括如下步骤：

17、步骤s2.1，根据公式计算冷凝塔入口湿烟气焓值，式中，hs1为冷凝塔入口湿烟气焓值，h1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分焓值，v1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分体积分数，mi为湿烟气中各成分相对分子质量；

18、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气密度，式中，ρs1为冷凝塔入口湿烟气密度，ts1为冷凝塔入口湿烟气温度；pa为当地大气压；

19、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气导热系数，式中，λs1为冷凝塔入口湿烟气导热系数，λ1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分导热系数；

20、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气粘度，式中，μs1为冷凝塔入口湿烟气粘度，μ1,i冷凝塔入口湿烟气中各成分在冷凝塔入口湿烟气温度下的动力粘度；

21、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气定压比热容，式中，cps1为冷凝塔入口湿烟气定压比热容，cp1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分在冷凝塔入口湿烟气温度下的定压比热容；

22、根据公式计算冷凝塔入口水蒸气含量，式中，m1,h2o为冷凝塔入口水蒸气含量，g1为冷凝塔入口湿烟气流量；

23、根据冷凝塔入口湿烟气温度得到冷凝塔入口水蒸气分压；

24、根据冷凝塔入口喷淋水温度得到冷凝塔入口喷淋水焓值；

25、步骤s2.2，根据公式dt＝g1/vs计算冷凝塔直径；式中，dt为冷凝塔直径，g1为冷凝塔入口湿烟气流量，vs为设计空塔烟气流速；

26、步骤s2.3，假定目标提水量mex；

27、步骤s2.4，根据公式计算冷凝塔出口湿烟气中水蒸气含量；式中，m2,h2o为冷凝塔出口湿烟气中水蒸气含量，m1,h2o为冷凝塔入口湿烟气中水蒸气含量，mex为步骤s2.3设定的目标提水量；

28、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气流量，式中，g2为冷凝塔出口湿烟气流量，mh2o为水的相对分子质量；

29、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气中水蒸气体积分数，式中，v2,h2o为冷凝塔出口湿烟气中水蒸气体积分数；

30、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气中其它气体体积分数，式中，v2,i为冷凝塔出口湿烟气中水蒸气外其他各成分体积分数，v1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分体积分数；

31、根据公式计算冷凝塔出口水蒸气分压，式中，p2,h2o为冷凝塔出口水蒸气分压；

32、步骤s2.5，根据冷凝塔出口水蒸气分压得到冷凝塔出口湿烟气温度；

33、进一步根据公式计算冷凝塔出口湿烟气焓值，式中，hs2为冷凝塔出口湿烟气焓值，h2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分焓值，v2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分体积分数，mi为湿烟气中各成分的相对分子质量；

34、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气密度，其中，ρs2为冷凝塔出口湿烟气密度，ts2为冷凝塔出口湿烟气温度，pa为当地大气压；

35、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气导热系数，式中，λs2为冷凝塔出口湿烟气导热系数，λ2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分导热系数；

36、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气粘度，式中，μs2为冷凝塔出口湿烟气粘度，μ2,i冷凝塔入口湿烟气中各成分在冷凝塔入口湿烟气温度下的动力粘度；

37、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气定压比热容，式中，cps2为冷凝塔出口湿烟气定压比热容，cp2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分定压比热容；

38、步骤s2.6，将步骤s2.5计算的冷凝塔出口湿烟气温度和步骤s1输入的冷凝塔入口喷淋水温度带入下式进行检验：

39、ts2＜tw1

40、若不满足上式，则返回步骤s2.3中降低目标提水量，再继续进行步骤s2.4至步骤s2.6，重复直至步骤s2.6中检验满足上式关系。

41、进一步地，步骤s3包括如下步骤：

42、步骤s3.1，根据公式计算得到冷凝塔换热量，式中，q为冷凝塔换热量，g1为冷凝塔入口湿烟气流量，hs1为冷凝塔入口湿烟气焓值，ρs1为冷凝塔入口湿烟气密度，g2为冷凝塔出口湿烟气流量，hs2为冷凝塔出口湿烟气焓值，ρs2为冷凝塔出口湿烟气密度，mex为步骤s2最终确定的目标提水量，h1,h2o为冷凝塔入口喷淋水焓值；

43、以及根据公式计算得到第一冷凝塔换热效率，式中，e’为第一冷凝塔换热效率，ts1为冷凝塔入口湿烟气温度，tw1为冷凝塔入口喷淋水温度，ts2为冷凝塔出口湿烟气温度；

44、步骤3.2，根据公式计算得到雷诺数，式中，red为雷诺数，ρs2为冷凝塔出口湿烟气密度，vw为液滴喷射速度；dw为液滴直径，为液滴半径的2倍；μs2为冷凝塔出口湿烟气粘度；

45、以及根据公式计算得到普朗特数，式中，prd为普朗特数，cps2为冷凝塔出口湿烟气定压比热容，μs2为冷凝塔出口湿烟气粘度，λs2为冷凝塔出口湿烟气导热系数；

46、进一步由公式计算得到努塞尔数，式中，nud为努塞尔数；

47、步骤s3.3，假定冷凝塔换热高度；

48、步骤s3.4，根据以下公式计算得到第二冷凝塔换热效率，

49、

50、

51、

52、

53、式中，e”为第二冷凝塔换热效率，cps为烟气定压比热容，min(cps1,cps2)≤cps≤max(cps1,cps2)，cps1为冷凝塔入口湿烟气定压比热容，cps2为冷凝塔出口湿烟气定压比热容；r为水的汽化潜热；m为喷淋塔回收水量，等于目标提水量；l为冷凝塔喷淋水流量，cpw为水的比热容，g为烟气流量，min(g1,g2)≤g≤max(g1,g2)；λs为，湿烟气导热系数，min(λs1,λs2)≤λs≤max(λs1,λs2)；h为设定的冷凝塔换热高度，ρw为水的密度，rw为液滴半径，vw为液滴喷射速度；

54、步骤s3.5，将步骤s3.1计算的第一冷凝塔换热效率和步骤s3.4计算的第二冷凝塔换热效率带入下式进行检验：

55、|e′-e″|≤0.001

56、若不满足上式，返回步骤s3.3中调整冷凝塔换热高度，再继续进行步骤s3.4至步骤s3.5，重复直至步骤s3.5中检验满足上式关系；冷凝塔换热效率取值范围为min(e’,e”)≤e≤max(e’,e”)。

57、进一步地，步骤s3最后还包括：输出最终确定的参数值，包括冷凝塔换热高度、冷凝塔换热效率、目标提水量和冷凝塔换热量中的至少一项。

58、进一步地，还包括步骤s4，用于在已确定的冷凝塔直径和换热高度基础上，改变输入的冷凝塔入口烟气参数和/或喷淋水参数，计算变工况下的目标提水量和变工况下的冷凝塔出口烟气参数。

59、进一步地，步骤s4包括如下步骤：

60、步骤s4.1，按步骤s1输入变化后的冷凝塔入口烟气参数以及变化后的喷淋水参数，未变化的部分沿用之前步骤s1已输入的参数；

61、步骤s4.2，按步骤s2.1公式计算冷凝塔入口湿烟气焓值、冷凝塔入口湿烟气密度、冷凝塔入口湿烟气导热系数、冷凝塔入口湿烟气粘度、冷凝塔入口湿烟气定压比热容、冷凝塔入口水蒸气分压、冷凝塔入口水蒸气含量，以及冷凝塔入口冷凝塔入口喷淋水焓值；

62、步骤s4.3，根据公式v′s＝g1/dt计算冷凝塔烟气流速，式中，vs’为冷凝塔烟气流速，g1为步骤s4.1中的冷凝塔入口湿烟气流量，dt为之前已确定的冷凝塔直径；

63、步骤s4.4，假定变工况下的目标提水量；

64、步骤s4.5，按步骤s2.4至步骤s3.4进行，其中冷凝塔换热高度取为已确定的值；

65、步骤s4.6，将步骤s4.5的计算结果带入下式进行检验：

66、|e′-e″|≤0.001

67、若不满足上式，则返回步骤s4.4中调整变工况下的目标提水量，继续进行步骤s4.5、步骤s4.6，重复直至步骤s4.6检验满足上式关系；最后输出变工况下的目标提水量和变工况下的冷凝塔出口烟气参数。

68、本发明还提供一种适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法，其为根据已确定的冷凝塔直径和冷凝塔换热高度，计算变工况下的目标提水量；其包括如下步骤：

69、输入冷凝塔入口烟气参数、冷凝塔入口喷淋水参数、喷嘴参数，以及已确定的冷凝塔直径和冷凝塔换热高度；

70、计算冷凝塔烟气流速；

71、假定变工况下的目标提水量；

72、由不同计算方式计算得到冷凝塔换热效率，并根据结果调整冷凝塔换热高度，使不同计算方式计算得到冷凝塔换热效率基本相同，从而确定变工况下的目标提水量。

73、进一步地，其包括如下步骤：

74、步骤s4.1，输入冷凝塔尺寸参数、冷凝塔入口烟气参数、冷凝塔入口喷淋水参数以及喷嘴参数；其中，冷凝塔尺寸参数包括冷凝塔直径和冷凝塔换热高度；冷凝塔入口烟气参数包括冷凝塔入口湿烟气流量、冷凝塔入口湿烟气温度、冷凝塔入口湿烟气中氮气体积分数、冷凝塔入口湿烟气中氧气体积分数、冷凝塔入口湿烟气中二氧化碳体积分数、冷凝塔入口湿烟气中二氧化硫体积分数、冷凝塔入口湿烟气中水蒸气体积分数；冷凝塔入口喷淋水参数包括冷凝塔喷淋水流量、冷凝塔入口喷淋水温度；喷嘴参数包括液滴半径、液滴喷射速度；

75、步骤s4.2，根据公式计算冷凝塔入口湿烟气焓值，式中，hs1为冷凝塔入口湿烟气焓值，h1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分焓值，v1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分体积分数，mi为湿烟气中各成分相对分子质量；

76、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气密度，式中，ρs1为冷凝塔入口湿烟气密度，ts1为冷凝塔入口湿烟气温度；pa为当地大气压；

77、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气导热系数，式中，λs1为冷凝塔入口湿烟气导热系数，λ1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分导热系数；

78、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气粘度，式中，μs1为冷凝塔入口湿烟气粘度，μ1,i冷凝塔入口湿烟气中各成分在冷凝塔入口湿烟气温度下的动力粘度；

79、根据公式计算冷凝塔入口湿烟气定压比热容，式中，cps1为冷凝塔入口湿烟气定压比热容，cp1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分在冷凝塔入口湿烟气温度下的定压比热容；

80、根据公式计算冷凝塔入口水蒸气含量，式中，m1,h2o为冷凝塔入口水蒸气含量，g1为冷凝塔入口湿烟气流量；

81、根据冷凝塔入口湿烟气温度得到冷凝塔入口水蒸气分压；

82、根据冷凝塔入口喷淋水温度得到冷凝塔入口喷淋水焓值；

83、步骤s4.3，根据公式v′s＝g1/dt计算冷凝塔烟气流速，式中，vs’为冷凝塔烟气流速，g1为冷凝塔入口湿烟气流量，dt为冷凝塔直径；

84、步骤s4.4，假定变工况下的目标提水量；

85、步骤s4.5，根据公式计算冷凝塔出口湿烟气中水蒸气含量；式中，m2,h2o为冷凝塔出口湿烟气中水蒸气含量，m1,h2o为冷凝塔入口湿烟气中水蒸气含量，mex为步骤s4.4设定的变工况下的目标提水量；

86、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气流量，式中，g2为冷凝塔出口湿烟气流量，mh2o为水的相对分子质量；

87、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气中水蒸气体积分数，式中，v2,h2o为冷凝塔出口湿烟气中水蒸气体积分数；

88、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气中其它气体体积分数，式中，v2,i为冷凝塔出口湿烟气中水蒸气外其他各成分体积分数，v1,i为冷凝塔入口湿烟气中各成分体积分数；

89、根据公式计算冷凝塔出口水蒸气分压，式中，p2,h2o为冷凝塔出口水蒸气分压；

90、根据冷凝塔出口水蒸气分压得到冷凝塔出口湿烟气温度；

91、进一步根据公式计算冷凝塔出口湿烟气焓值，式中，hs2为冷凝塔出口湿烟气焓值，h2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分焓值，v2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分体积分数，mi为湿烟气中各成分的相对分子质量；

92、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气密度，其中，ρs2为冷凝塔出口湿烟气密度，ts2为冷凝塔出口湿烟气温度，pa为当地大气压；

93、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气导热系数，式中，λs2为冷凝塔出口湿烟气导热系数，λ2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分导热系数；

94、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气粘度，式中，μs2为冷凝塔出口湿烟气粘度，μ2,i冷凝塔入口湿烟气中各成分在冷凝塔入口湿烟气温度下的动力粘度；

95、根据公式计算冷凝塔出口湿烟气定压比热容，式中，cps2为冷凝塔出口湿烟气定压比热容，cp2,i为冷凝塔出口湿烟气中各成分定压比热容；

96、步骤s4.5.1，将冷凝塔出口湿烟气温度和冷凝塔入口喷淋水温度带入下式进行检验：

97、ts2＜tw1

98、若不满足上式，则返回步骤s4.4中降低变工况下的目标提水量，再继续进行，重复直至步骤s4.5.1检验满足上式关系，然后继续进行步骤s4.5.2；

99、步骤s4.5.2，根据公式计算得到冷凝塔换热量，式中，q为冷凝塔换热量，g1为冷凝塔入口湿烟气流量，hs1为冷凝塔入口湿烟气焓值，ρs1为冷凝塔入口湿烟气密度，g2为冷凝塔出口湿烟气流量，hs2为冷凝塔出口湿烟气焓值，ρs2为冷凝塔出口湿烟气密度，mex为步骤s4.5.1确定的变工况下的目标提水量，h1,h2o为冷凝塔入口喷淋水焓值；

100、根据公式计算得到第一冷凝塔换热效率，式中，e’为第一冷凝塔换热效率，ts1为冷凝塔入口湿烟气温度，tw1为冷凝塔入口喷淋水温度，ts2为冷凝塔出口湿烟气温度；

101、根据公式计算得到雷诺数，式中，red为雷诺数，ρs2为冷凝塔出口湿烟气密度，vw为液滴喷射速度；dw为液滴直径，为液滴半径的2倍；μs2为冷凝塔出口湿烟气粘度；

102、根据公式计算得到普朗特数，式中，prd为普朗特数，cps2为冷凝塔出口湿烟气定压比热容，μs2为冷凝塔出口湿烟气粘度，λs2为冷凝塔出口湿烟气导热系数；

103、根据公式计算得到努塞尔数，式中，nud为努塞尔数；

104、根据以下公式计算得到第二冷凝塔换热效率，

105、

106、

107、

108、

109、式中，e”为第二冷凝塔换热效率，cps为烟气定压比热容，min(cps1,cps2)≤cps≤max(cps1,cps2)，cps1为冷凝塔入口湿烟气定压比热容，cps2为冷凝塔出口湿烟气定压比热容；r为水的汽化潜热；m为喷淋塔回收水量，等于变工况下的目标提水量；l为冷凝塔喷淋水流量，cpw为水的比热容，g为烟气流量，min(g1,g2)≤g≤max(g1,g2)；λs为，湿烟气导热系数，min(λs1,λs2)≤λs≤max(λs1,λs2)；h为冷凝塔换热高度，ρw为水的密度，rw为液滴半径，vw为液滴喷射速度；

110、步骤s4.6，将步骤s4.5的计算结果带入下式进行检验：

111、|e′-e″|≤0.001

112、若不满足上式，则返回步骤s4.4中调整变工况下的目标提水量，继续进行步骤s4.5、步骤s4.6，重复直至步骤s4.6检验满足上式关系；最后输出变工况下的目标提水量、冷凝塔出口烟气参数和冷凝塔换热量中的至少一项。

113、与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

114、1、本发明的适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法基于冷凝塔换热模型可更精确地计算设计工况点的换热量和换热高度，不仅能够满足工程精度，更实现了工程的精细化设计，克服了现有设计和运行主要依据经验造成资源浪费或不能满足技术要求的不足；

115、2、本发明的适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法还可计算变工况运行下提水量，为湿烟气提水系统的变工况运行提供计算依据，更具有实际意义和工程应用价值；

116、3、本发明的适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法具有较好的通用性，适合不同工程条件和运行条件下的设计及优化计算；

117、4、本发明的适用于燃煤电站湿烟气提水冷凝塔设计和运行的计算方法具有良好的延展性，为后续整个烟气提水系统的设计和优化创造了有利条件。