大型工業(yè)橫流式冷卻塔寒冷地區(qū)冬季結(jié)冰的原因及防冰技術(shù)

孫書慶

【摘 要】冷卻塔結(jié)冰是目前國內(nèi)冷卻塔冬季運(yùn)行中存在的一大難題。地處寒冷地區(qū)，無論是引進(jìn)的國外冷卻塔，還是國內(nèi)自行設(shè)計施工的冷卻塔，均在冬季運(yùn)行中存在嚴(yán)重結(jié)冰現(xiàn)象，至今還沒有提出一套徹底解決的方法。特別是橫流式冷卻塔兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口百葉窗冬季結(jié)冰非常嚴(yán)重。

【關(guān)鍵詞】冷卻塔；防冰；新技術(shù)

橫流式冷卻塔是八十年代末國內(nèi)冷卻塔專業(yè)公司建造的，大慶地區(qū)位于北緯45°5′～47°，年平均氣溫3.3℃，冰凍期5個多月，嚴(yán)酷的氣候條件給冷卻塔冬季運(yùn)行帶來困難，在當(dāng)時建造時由于沒有好的冷卻塔防冰技術(shù)每年冬季寒冷時期進(jìn)風(fēng)口百葉窗都會出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)冰現(xiàn)象，詳見右上圖片。中化工程滄州冷卻技術(shù)有限公司根據(jù)冷卻塔的現(xiàn)狀，結(jié)合多年積累的老塔改造經(jīng)驗(yàn)和防冰專利技術(shù)，提出了冷卻塔防冰新技術(shù)改造方案，實(shí)施后經(jīng)過2011～2013年度冬季運(yùn)行，防冰效果非常明顯，詳見右下圖片。

1.橫流式冷卻塔冬季運(yùn)行現(xiàn)狀

橫流式鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，冬季運(yùn)行，結(jié)冰導(dǎo)致最大的危害性如下： （1）橫流塔常見結(jié)冰處為進(jìn)風(fēng)口雙側(cè)每層百葉窗板上平面堆積冰塊。百葉窗下檐掛冰幕，最終上下兩者結(jié)合導(dǎo)致冷卻塔進(jìn)風(fēng)道全部被冰封死。眾所周知，橫流塔的進(jìn)風(fēng)口一但被冰封死，外界冷空氣就無法與塔內(nèi)熱循環(huán)水進(jìn)行良好的置換。最終導(dǎo)致循環(huán)水溫嚴(yán)重超標(biāo)，從而影響化工裝置正常生產(chǎn)，（2）結(jié)冰還會造成塔內(nèi)填料、百葉窗， 塔體結(jié)構(gòu)遭到不同程度的損壞。（3）最為嚴(yán)重的是由于冬季長期結(jié)冰不得不經(jīng)常采風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)融冰.形成了結(jié)冰融冰、再結(jié)冰再融冰。風(fēng)機(jī)經(jīng)常性反轉(zhuǎn)不僅會造成風(fēng)機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞而且還消耗大量的電能。并且每次風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)融下的冰塊會順著百葉窗直接沖擊邊層填料，由于冰塊較大、較硬，在很短的時間里就將邊層填料砸得破爛不堪.破碎下來的填料片最終會順著循環(huán)水直接進(jìn)入裝置內(nèi)的換熱器，導(dǎo)致?lián)Q熱器大面積堵塞，以致影響整個化工裝置的正常生產(chǎn)或造成全廠停產(chǎn)。這種現(xiàn)象在北方地區(qū)非常普遍。

2.一臺Φ8.53米風(fēng)機(jī)橫流式冷卻塔冬季結(jié)冰企業(yè)僅電費(fèi)損失如下

得知一臺Φ8.53米的風(fēng)機(jī)大型橫流塔，由于冬季結(jié)冰每年可使企業(yè)多消耗10余萬元的電費(fèi)來滿足生產(chǎn)工藝要求，原因是橫流塔的冷卻所需求的冷空氣全部來自于塔雙側(cè)百葉窗，一旦百葉窗被冰幕封死，冷空氣無法進(jìn)入塔內(nèi)，水溫會急劇升高。平時通常采用風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)融冰、化冰的方法采消除百葉窗兩側(cè)的冰幕、冰塊。在北方一般嚴(yán)寒期可達(dá)155天，如每天用2小時時間風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，那幺一臺160kw的電機(jī)一冬要多消耗155天×160kw×2小時/天=49600kw/小時。我們認(rèn)為風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)并不是消耗電能最大一方面，消耗能量最大的是當(dāng)百葉窗的結(jié)冰面積達(dá)到30%～60%這段時間里塔的冷風(fēng)量相應(yīng)減少30%-60%，水溫也隨著進(jìn)風(fēng)量的減少而升高。為了滿足生產(chǎn)工藝要求，通常企業(yè)都采取風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的方法，強(qiáng)行抽入塔外的冷空氣進(jìn)入塔內(nèi)與熱循環(huán)水交換來滿足生產(chǎn)要求。由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時間較長，平均每天據(jù)統(tǒng)計至少需比不結(jié)冰的冷卻塔多運(yùn)轉(zhuǎn)6小時以上。那么每年僅消耗在這上面的電能計（當(dāng)百葉窗的結(jié)冰面積超過60%時風(fēng)機(jī)就必須進(jìn)行反轉(zhuǎn)）155天×160kw×6小時/天=148800kw/小時。兩項(xiàng)合計49600+148800=198400×0.5元/度=99200元。如果能徹底消除百葉窗的結(jié)冰現(xiàn)象，這些原不該消耗的費(fèi)用自然就能有效的節(jié)省下來，如果運(yùn)行十年、二十年或十間、二十間塔累加起來，那費(fèi)用是相當(dāng)驚人的。

3.橫流式冷卻塔防冰改造技術(shù)方案

橫流式鋼結(jié)構(gòu)冷卻塔，進(jìn)入冬季，冷卻塔結(jié)冰嚴(yán)重，使塔體結(jié)構(gòu)、百葉窗、邊層填料損壞嚴(yán)重。每年需投入大量資金、人力維修和維護(hù)，其主要維護(hù)措施之一就是一直采用強(qiáng)制風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)的方式來解決涼水塔冬季結(jié)冰的問題，化冰效果雖好，但也付出了風(fēng)機(jī)部件加速損壞的代價。前面敘述了橫流塔百葉窗結(jié)冰的主要原因是水滴飛濺所造成的要想完全消除飛濺現(xiàn)象，無論采用何種填料。何種防濺措施都無法做到不結(jié)冰 多少年來己達(dá)成共識，只能起到緩解目的。進(jìn)入冬季在零下20℃左右的惡劣環(huán)境中，無論在塔的何處，只要有水滴就必然有冰出現(xiàn)。根據(jù)這一情況我們采取的防冰辦法是：（1）將上塔水管內(nèi)的溫水通過管道引入到每層百葉窗的頂端.在每層百葉窗頂端安裝Φ60不銹鋼管，不銹鋼管上每100毫米之間打Φ10噴淋孔，使上塔管內(nèi)的溫水經(jīng)過噴淋管均勻的噴淋在每層百葉窗表層進(jìn)入冬季后由于有噴淋管的作用、使每層百葉窗板表面始終形成了一層很薄的熱水膜，即使水滴飛濺落在百葉窗表面，由于熱水膜的作用再無法形成冰源，從而有效達(dá)到防結(jié)冰目的。（2）為了防止邊層填料及百葉窗上下之間結(jié)冰幕，我們通常采用冬季加大邊層出水量，夏季減少邊層出水量，具體措施是在塔頂端配水池邊層增加一至二排噴頭.該噴頭是可調(diào)節(jié)的，冬季開啟，夏季關(guān)閉，防冰成熟經(jīng)驗(yàn)告知進(jìn)入寒冷時期只要加大邊層水量.使水溫不低于7～10℃，塔邊層的冰幕是完全能消除的，所以說提高邊層水溫是最有效的防止塔結(jié)冰幕措施。

4.改造后的運(yùn)行情況

安裝化冰管后，循環(huán)水平均溫差增大，供水平均溫差為10.35℃，與安裝化冰管前相比平均降低了4.63℃，這表明空氣流通，冷卻效率顯著提高，增強(qiáng)了對循環(huán)水溫度的宏觀調(diào)控能力。從涼水塔的外觀看，冬季涼水塔的結(jié)冰狀況得到了根本改善，百葉窗基本未結(jié)冰，達(dá)到化冰管設(shè)計要求。

安裝化冰管后，由于百葉窗基本未結(jié)冰，因此東塔風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)冬季未反轉(zhuǎn)，節(jié)約了電能，符合立項(xiàng)要求，與2010年同期相比，可節(jié)約電量為：99200元×4臺塔=396800 元。

由于冬季風(fēng)機(jī)未反轉(zhuǎn)，減少了反轉(zhuǎn)對風(fēng)機(jī)部件的負(fù)面影響，使風(fēng)機(jī)葉片、齒輪等部件的損壞頻率降低，延長了風(fēng)機(jī)部件使用周期，根據(jù)以前風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的故障平均數(shù)統(tǒng)計，化冰管投用可避免CT-001塔風(fēng)機(jī)葉片損壞2起/年，齒輪故障1起/年，與2010年相比，可節(jié)約檢維修費(fèi)用2×1600+1×40000=4.32萬元。