淺談閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計

(天津市化工設計院，天津300193)

1 概述

我國是一個水資源短缺的國家，人均水資源占有量約為2200m3不足世界平均水平的四分之一，隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，水資源短缺的問題日益顯現(xiàn)，我國正常年份缺水量約400億m3已經(jīng)嚴重制約了我國經(jīng)濟建設的發(fā)展。面對這樣的嚴重局面，節(jié)水是給排水工程設計的首要任務。

工業(yè)中工藝換熱設備冷卻系統(tǒng)一般為全年需要運行，利用閉式冷卻系統(tǒng)在過度、冬季采用自然(空氣)能源為工藝冷卻設備提供冷量，節(jié)能效果顯著。閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，一般可比開式冷卻塔系統(tǒng)節(jié)水50%～70%。特別適合水資源匱乏的地區(qū)。隨著科學技術的不斷發(fā)展，密閉式冷卻塔必然會迎來更大的發(fā)展和應用空間。

以下內(nèi)容為本人工程設計中的一點體會，總結出來與大家進行交流。

2 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原理

2.1 閉式冷卻塔

閉式冷卻塔（也叫蒸發(fā)式空冷器或密閉式冷卻塔）是一種蒸發(fā)式冷卻塔，冷卻器和濕式冷卻塔的組合。

閉式循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)水,采用軟水充當冷卻水，通過吸收工藝換熱設備的熱量，使得冷卻水升高溫度后，進入閉式冷卻塔內(nèi)管式換熱器內(nèi)，循環(huán)冷卻水在在閉式冷卻塔換熱盤管內(nèi)流過，空氣在管外流過，使管內(nèi)冷卻水與管外的空氣進行熱量交換；當閉路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)出水溫度，不能滿足工藝所要求的冷卻水溫度時,開啟閉式冷卻塔內(nèi)循環(huán)噴淋水系統(tǒng)，盤管上方的噴淋水沿排管均勻地噴灑在盤管的表面，在管壁外表面形成均勻的水膜，室外冷空氣由塔體下方的進風口進入塔內(nèi)，與噴淋水呈相反方向流經(jīng)盤管外的水膜層；通過接觸傳熱和一部分噴淋水蒸發(fā)散熱而吸收盤管內(nèi)水中的熱量而傳給空氣，吸收熱量后的飽和熱濕空氣由冷卻塔頂部的排風機排至大氣中，通過流通的空氣、噴淋水與循環(huán)冷卻水的熱交換以達到工藝換熱所要求的冷卻水溫度指標。

循環(huán)冷卻水在閉式循環(huán)冷卻塔管內(nèi)循環(huán)水熱量被管外的空氣及冷卻塔內(nèi)循環(huán)噴淋水吸收,經(jīng)循環(huán)水泵加壓送至工藝換熱設備換熱,進入再次往復的循環(huán)下去。

2.2 閉式循環(huán)系統(tǒng)補水定壓系統(tǒng)

閉式循環(huán)系統(tǒng)水因溫度變化而會引起的體積變化及循環(huán)系統(tǒng)會存在漏水、氣體存在現(xiàn)象，在系統(tǒng)中應設置補水定壓排氣裝置。

2.3 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)圖（見圖1）

圖1

3 閉式空冷循環(huán)冷卻水系統(tǒng)特點

3.1 在閉式循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水采用軟水循環(huán)使用，不與外界空氣接觸，完成吸熱與放熱的熱量傳遞過程。因為閉式循環(huán)，軟水質(zhì)量穩(wěn)定，基本不損耗，僅補充因系統(tǒng)設備跑漏而損失的少量軟水。

3.2 當外界氣溫較低時，可以停止閉式循環(huán)塔內(nèi)噴淋水系統(tǒng)，循環(huán)冷卻水熱量由空氣帶走，起到節(jié)水效果。

3.3 閉式循環(huán)系統(tǒng)冷卻水，不與大氣直接接觸，不易滋生微生物及水質(zhì)不受空氣污染。

3.4 閉式循環(huán)系統(tǒng)冷卻水水質(zhì)指標應根據(jù)系統(tǒng)的特性及工藝設備的要求來確定。目前工業(yè)工藝設備對冷卻水水質(zhì)要求高，采用軟水作為閉式循環(huán)系統(tǒng)輸送介質(zhì)，可達到工藝設備的水質(zhì)要求，提高傳熱效率，由于水質(zhì)不受大氣污染，從而大大減少了換熱設備結垢和腐蝕，提高了換熱設備傳熱效率和壽命。

4 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計參數(shù)

4.1 閉式冷卻塔的排熱量

a 標準工況排熱量

通常閉式冷卻塔生產(chǎn)廠家所提供的設備能力，均為標準設計工況(大氣壓力P=1.004×105)、（室外空氣計算濕球溫度t=28℃）的數(shù)據(jù)。

t1冷卻水進塔溫度；t2冷卻水出塔溫度。

b 實際工況排熱量

設計人員需根據(jù)冷卻塔安裝使用地區(qū)的空氣計算濕球溫度，對標準工況排熱量進行修正。

Q標標準工況下閉式冷卻塔的排熱量Kw；Q實際實際工況下閉式冷卻塔的排熱量Kw；K1濕球溫度變化排熱量修正系數(shù)，由設備廠家提供；K2進塔水溫變化排熱量修正系數(shù) 由設備廠家提供。

4.2 冷卻水水量

循環(huán)冷卻水量應根據(jù)生產(chǎn)工藝的最大小時用水量確定。工業(yè)冷卻水主要是為工藝換熱式的冷卻器和冷凝器壓縮機、泵等需要冷卻設備提供冷卻介質(zhì)，根據(jù)工藝裝置中各用戶的熱負荷及冷卻水進、出口溫差計算循環(huán)水量，同時通過水熱平衡計算，得到循環(huán)冷卻水的計算總量，設計總量建議為計算總量的1.2倍。當工藝用戶的冷卻水進、出口溫度相等時冷卻水水量為：

W-總水流量，m3/h；∑Q-用戶設計熱負荷的總和，kW（取計算熱負荷的1.2倍）；c-水的比熱容，可取c=4.19kJ/kg.℃； tg、th－供、回水溫度，℃；ρ-水的密度（kg/m3）可取1000 kg/m3。

4.3 管徑的確定

管徑應根據(jù)流體的流量、性質(zhì)、流速、及管道允許的壓力損失等確定。

Di=0.0188[W0/Vρ]0.5

Di－管子內(nèi)徑（m）；W0－質(zhì)量流量（kg/h）；V－平均流速（m/s）；ρ－流體密度（kg/m3）。

4.4 閉式冷卻水系統(tǒng)膨脹罐設計[1，2]

閉式冷卻水系統(tǒng)的膨脹水罐應具有氮氣自動調(diào)壓、水位檢測、自動補水與泄水以及防止空氣進入水系統(tǒng)功能。

一般而言，減稅可以通過某個稅種的稅目、稅率、稅基等課稅要素的調(diào)整予以促成，也可以通過完善某個具體稅種的內(nèi)部結構來加以實現(xiàn)。然而，造成我國當前制造業(yè)整體稅負較重的原因之一就是企業(yè)所得稅結構不合理。主要表現(xiàn)為：

膨脹罐氣水容積的比值宜為0.75～1.00，水容積宜按4℃水溫與最高設計水溫的比容差乘以系統(tǒng)容積來確定，并應增加15%的安全余量。

當采用開式膨脹水箱有困難時，可設置閉式隔膜膨脹水罐或補水泵變頻定壓方式。

4.5 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)定壓壓力

閉式循環(huán)系統(tǒng)為維持系統(tǒng)內(nèi)水力工況穩(wěn)定，必須設置定壓裝置，以保證水系統(tǒng)中某一點的壓力維持不變。定壓點的設置位置直接影響到整個水系統(tǒng)的壓力分布情況。

工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)一般給多臺設備冷卻，由于各設備在管路連接的位置、高度不同，在設計階段確定整個網(wǎng)路水壓圖，這樣可以全面了解系統(tǒng)的壓力狀況，采取可效的措施，保證系統(tǒng)安全良好的運行。

確定循環(huán)系統(tǒng)水壓基本要點：

1）循環(huán)水網(wǎng)路設備連接點壓力不應超過設備的設計壓力。

2）無論循環(huán)水泵運行或停止運行時，其系統(tǒng)定壓點處（水泵入口處）水壓頭必須高于系統(tǒng)最高點充水高度，以防止系統(tǒng)倒空吸入空氣，破壞系統(tǒng)正常運行及腐蝕管道、設備。

4）系統(tǒng)管路內(nèi)任何一處供回水管壓力差，應滿足工藝換熱設備系統(tǒng)所需要的作用壓力。

5）定壓點的位置應為循環(huán)水泵入口干管上。

4.6 閉式循環(huán)水系統(tǒng)水力計算

管道的總壓力損失為最不利環(huán)路直管的摩擦壓力損失與局部的摩擦壓力損失（含工藝換熱設備冷側(cè)系統(tǒng)壓力損失），并應計入適當?shù)脑６?。其裕度系?shù)，一般為1.05～1.1。

管道的總壓力損失+設備壓力損失+用戶需求等做為我們選循環(huán)水泵揚程的依據(jù)。

管道的壓力損失計算[3]：

a直管的摩擦壓力損失計算

Δpf-直管的摩擦壓力損失（MPa）；λ-流體摩擦系數(shù)；ρ-流體密度（kg/m3）；ν-平均流速（m/s）；g-重力加速度（m/s2）；L-管道長度（m/s）。

b局部的摩擦壓力損失計算

局部的摩擦壓力損失的計算，可采用當量長度法或阻力系數(shù)法。

ΔPk-局部的的摩擦壓力損失（MPa）；Le-閥門和管件的當量長度（m/s）；KR-阻力系數(shù)。

4.7 工程實例

某工程采用閉式循環(huán)水系統(tǒng)，循環(huán)水量為364m3/h，冷卻塔進水溫度T1=40℃，出水溫度T2=32℃，濕球溫度T=26.4℃，水質(zhì)需軟化、過濾處理。

1）本次設計選用低噪聲型密閉式冷卻塔，一期分4個單元，型號KMB-364TR,冷卻水量為Q=40m3/h，濕球溫度T=26.4°C,△t=8°c,出水溫度為32℃。冷卻塔自帶冬季防凍控制單元包括控制柜。

2）選用循環(huán)水泵Q=200m3/h，H=40m，N=55kW，r=1480r/min，兩用一備。

3）選用全自動軟化水裝置，型號為SYS-15RT(Q)型，產(chǎn)水量為Q=12m3/h。

4）選用BHGC型變頻恒壓補水裝置，包括：補水泵兩臺，每臺流量為Q=10m3/h，H=15m，N=1.5kW，氣壓罐型號為SQL550*1253。恒壓設定在0.12Mpa。自帶變頻控制柜。

5）調(diào)節(jié)水箱的尺寸為2000×2000×2000mm，有效容積為5m3。

6）循環(huán)水的調(diào)節(jié)水箱需要設置連續(xù)液位顯示裝置及報警：高水位距箱底1.80m時報警，低水位距箱底0.30m時報警。水箱的補水采用電磁閥控制自動補水。當水位距箱底為1.00m時，打開電磁閥；當水位距箱底為1.70m時，關閉電磁閥。

7）選用多相全自動過濾器，處理流量為364m3/h，型號SYS-250B1.0DQ-P,功率750W。自帶控制箱。壓力等級P=1.0MPa。

8）具體配管詳見圖2、圖3。

圖2

5 系統(tǒng)設計要點

5.1 循環(huán)水管路高點設置排氣裝置

由于管網(wǎng)系統(tǒng)初期充水及管道局部流速過高，導致水中空氣析出，閉式循環(huán)水管網(wǎng)中存有空氣，系統(tǒng)會發(fā)生管道氣阻、振動等現(xiàn)象，影響系統(tǒng)安全運行，所以循環(huán)水系統(tǒng)管路高點處設置排氣閥，有條件化水平管沿流水方向設有2%向上坡度，保證管道內(nèi)的空氣順利的通過排氣閥排出系統(tǒng)外。

5.2 管道材質(zhì)的選擇

管道材質(zhì)的選擇應根據(jù)設計壓力、管徑、外部荷載、管道敷設方式、敷設地區(qū)的氣候條件、空氣質(zhì)量、地形地質(zhì)、材料的供應，按照運行安全、耐久、減少漏損、施工和維護方便、經(jīng)濟合理等因素綜合確定。

目前在工業(yè)系統(tǒng)的大型密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，焊接鋼管仍是最常用的管材。

5.3 循環(huán)水管道敷設

循環(huán)水管道敷設一般為架空敷設和埋地敷設。

隨著工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)越來越龐大，導致循環(huán)水輸送管道管徑大，一般管道采用埋地敷設，將管道埋深應在冰凍線以下，當無法實施時，采用可靠的防凍保護措施，例如：用戶端供回水加設聯(lián)通循環(huán)管是最常用的防凍保護措施。

設計選用鋼管管道埋地敷設時，應滿足土壤壓力的穩(wěn)定性及剛度要求，鋼管管道結構應按下列兩種極限狀態(tài)進行設計：進行承載能力極限狀態(tài)計算（包括強度計算和穩(wěn)定驗算）、正常使用極限狀態(tài)驗算，應按照國家規(guī)范《給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規(guī)程》CECS 141:2002進行校核計算。

圖3

5.4 閉式冷卻水系統(tǒng)停電事故設計[2]

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，特別是化工工藝生產(chǎn)中，如果發(fā)生突然停電事故，致使循環(huán)水系統(tǒng)停止運行，這不單會影響生產(chǎn)，極有可能產(chǎn)生爆炸事故，造成人員生命安危及國家財產(chǎn)損失的重大安全事故。停電安全設計是設計工程師必須首要任務。

當發(fā)生停電事故時，閉式冷卻水系統(tǒng)應根據(jù)工藝設備的事故用水量與安全給水時間不同的要求，可采取安全給水措施：1）當安全給水時間大于1h，且事故用水量與正常給水量相同時，宜采用快速采油機泵直接供水；2）當安全給水時間大于1h，但事故用水量小于正常給水量時，宜采用快速采油機泵與高位水箱結合供水，同時系統(tǒng)低點應設置事故泄水池；3）當安全給水時間小于1h，但事故用水量小于正常給水量時，宜采用高位水箱結合供水，同時系統(tǒng)低點應設置事故排水閥。

6 結論

6.1 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是清潔、節(jié)能的冷卻水系統(tǒng)，適合于水源匱乏地區(qū)及工業(yè)工藝清潔度及密閉性要求較高的冷卻水系統(tǒng)。

6.2 閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的工程設計是根據(jù)建設工程和法律法規(guī)的要求，對建設該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工程所需的技術、經(jīng)濟、資源、環(huán)境等條件進行綜合分析、論證。

設計是對該工程項目的建設提供有技術依據(jù)的設計文件和圖紙的整個活動過程，編制建設工程設計文件的活動，是保證閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)建設項目的重要環(huán)節(jié)。

[1]實用供熱空調(diào)設計手冊（第二版）[S]，中國建筑工業(yè)出版社，主編陸耀慶，2008.

[2]工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范[S]GB50050—2007.

[3]工業(yè)金屬管道設計規(guī)范[S]GB50316-2000(2008年版).