循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

姜 旭 升

(上海環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200072)

1 機(jī)械通風(fēng)式冷卻塔選型

冷卻塔是將設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的多余熱量傳遞到大氣中的一種設(shè)備，主要部件有淋水填料、布水器、風(fēng)機(jī)、收水器及結(jié)構(gòu)支撐件、擋板等。工程中應(yīng)用類型最多的是機(jī)械抽風(fēng)式冷卻塔，風(fēng)機(jī)布置在冷卻塔上部，將外界空氣由塔體下部抽吸進(jìn)塔，由上部風(fēng)筒排出。由于出風(fēng)口風(fēng)速較高，可有效降低濕空氣回流，提高冷卻效率。這類冷卻塔又可根據(jù)塔內(nèi)空氣路徑形式區(qū)分為逆流式和橫流式兩大類。一般而言，工業(yè)項(xiàng)目用冷卻塔多為逆流式，暖通空調(diào)用冷卻塔多為橫流式。橫流式冷卻塔相比逆流式冷卻塔具有噪聲低、氣室空間大、方便維修等優(yōu)點(diǎn)。冷卻塔選型時要注意如下幾個方面。

1.1 所選產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)性能

冷卻塔國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7190—2008玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔，將冷卻水流量小于1 000 m3/h的冷卻塔劃分為中小型，冷卻水流量不小于1 000 m3/h的冷卻塔劃分為大型。標(biāo)準(zhǔn)中對冷卻塔產(chǎn)品性能指標(biāo)分別作了規(guī)定，見表1。設(shè)計(jì)選用時應(yīng)確保選用的冷卻塔符合此性能標(biāo)準(zhǔn)。

表1 GB/T 7190—2008玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔主要性能標(biāo)準(zhǔn)

1.2 冷卻塔選型的4個參數(shù)

影響冷卻塔使用性能的4個主要參數(shù)分別是進(jìn)水溫度t1、出水溫度t2、空氣濕球溫度τ、循環(huán)水量Q。進(jìn)水溫度和循環(huán)水量由系統(tǒng)需求確定，出水溫度受空氣濕球溫度限制。空氣濕球溫度是冷卻塔出水溫度能達(dá)到的極限溫度，設(shè)計(jì)中一般是按出水溫度比空氣濕球溫度高3 ℃～5 ℃考慮。我國標(biāo)準(zhǔn)的濕球溫度為28 ℃，暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)出水溫度一般為37 ℃/32 ℃，工業(yè)冷卻系統(tǒng)進(jìn)出水溫度一般為43 ℃/33 ℃。

冷卻塔的實(shí)際循環(huán)水量與額定循環(huán)水量相比過大或過小都將影響塔內(nèi)氣水比，偏離過大時將造成冷卻能力嚴(yán)重下降。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，逆流式冷卻塔淋水密度一般不應(yīng)大于25 t/(m2·h)，實(shí)際循環(huán)水量為額定循環(huán)水量的0.6倍～1.25倍；橫流式冷卻塔的淋水密度一般不應(yīng)大于50 t/(m2·h)，實(shí)際循環(huán)水量為額定循環(huán)水量的0.4倍～1.30倍。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

間冷開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多的一種冷卻系統(tǒng)，常作為一般設(shè)備的間接冷卻或?yàn)閾Q熱器提供冷媒水，其工藝流程為：冷卻塔集水池、循環(huán)水泵、循環(huán)水供水管、冷卻設(shè)備、循環(huán)水回水管、冷卻塔、冷卻塔集水池。為降低距離能耗，在條件許可的情況下，循環(huán)水泵房的選址要盡量貼近主工藝，緊鄰主要用水點(diǎn)布置。冷卻塔集水池的容積確定非常重要，過大則浪費(fèi)投資和用地，過小則可能影響系統(tǒng)運(yùn)行安全。需要注意的是，不可根據(jù)GB/T 50050—2017工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范中第3.2.2條“間冷開式系統(tǒng)水容積宜小于循環(huán)冷卻水量的1/3”而直接將冷卻塔集水池容積按系統(tǒng)水量1/3確定。冷卻塔集水池的容積可按下式確定：

Vt=Ve+Vr+Vp。

其中，Ve為循環(huán)冷卻水泵、換熱器、處理設(shè)施等設(shè)備中的水容積，m3；Vr為循環(huán)冷卻水管道水容積，m3；Vp為工藝生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)的水容積，m3。

冷卻塔集水池應(yīng)設(shè)便于清除淤泥的設(shè)施，循環(huán)水泵吸水池前應(yīng)設(shè)便于清洗的攔污濾網(wǎng)，并宜設(shè)置兩道。

3 循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 循環(huán)冷卻水補(bǔ)水量

間冷開式系統(tǒng)隨著系統(tǒng)運(yùn)行時間增長，系統(tǒng)水量將會由于蒸發(fā)損失、風(fēng)吹損失而減少。并且隨著系統(tǒng)運(yùn)行，循環(huán)水內(nèi)微生物、管道銹蝕及外界粉塵污染物都會增加，由此引起系統(tǒng)水質(zhì)濃度變大。當(dāng)水質(zhì)惡化到一定程度時，為維持一定濃縮倍數(shù)(一般控制為2～5)，將不得不排放掉一部分高濃度循環(huán)水。所以，循環(huán)水系統(tǒng)需要定期補(bǔ)充新鮮水。補(bǔ)水量按蒸發(fā)損失率、風(fēng)吹損失率及排污損失確定。蒸發(fā)損失率P1=kΔt，k為蒸發(fā)損失系數(shù)，當(dāng)進(jìn)塔大氣溫度為30 ℃～40 ℃時，k=0.001 5～0.001 6，設(shè)Δt=10 ℃，則P1可取為1.5%。風(fēng)吹損失P2可取為0.2%～0.5%[3]。排污損失P3=P1/(N-1)，取N=4時，則P3=1.5%/(4-1)=0.5%。開式系統(tǒng)的補(bǔ)充水量可按下式計(jì)算：

Qm=Qr·(P1+P2+P3)。

其中，Qm為補(bǔ)充水量，m3/h；Qr為循環(huán)冷卻水量，m3/h。

3.2 循環(huán)冷卻水處理方式

對循環(huán)冷卻水進(jìn)行處理可以歸結(jié)為阻垢、緩蝕、滅菌藻、除懸浮物四大目標(biāo)。處理方式有物理處理法、化學(xué)加藥法、電化學(xué)法三大方法，一般至少選擇兩種方法組合應(yīng)用，以達(dá)到預(yù)期的處理效果。

化學(xué)加藥法可選擇藥劑種類多，效果直接快速，節(jié)省能耗，采用多種藥劑組合應(yīng)用或者一種多效藥劑可同時達(dá)到阻垢、緩蝕、滅菌藻效果。

常見的殺菌滅藻藥劑為氧化型殺生劑，主要有次氯酸鈉、液氯、有機(jī)氯、無機(jī)溴化物等。氧化型殺生劑的投加方式可以采用連續(xù)投加或沖擊投加兩種方式。連續(xù)投加時使循環(huán)冷卻水中有效氯濃度保持為0.2 mg/L～0.5 mg/L，沖擊投加時每次控制循環(huán)冷卻水中有效氯濃度達(dá)到2 mg/L～4 mg/L，每天投加1次～3次。為減少受體耐藥性，宜采用兩種以上殺生劑交替使用。

緩蝕阻垢類藥劑種類較多，常見的有三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉、丙烯酸及甲基丙烯酸的聚合物、水解聚馬來酸酐、聚丙烯酸鈉、氨基三甲叉磷酸(ATMP)、羥基乙叉二膦酸(HEDP)等。當(dāng)采用多種藥劑時，應(yīng)注意藥劑的共溶性，避免共用藥劑引起反應(yīng)沉淀。比如季銨鹽與聚丙烯酸反應(yīng)生成沉淀。還應(yīng)注意，磷系配方藥劑雖然具有價格便宜、效果良好的優(yōu)勢，但系統(tǒng)排污水如果直接排放易造成磷濃度超標(biāo)，進(jìn)而引起水體富營養(yǎng)化。因此，應(yīng)優(yōu)先采用無磷配方藥劑或?qū)⒑紫蹬浞剿巹┡盼鬯湃胧姓鬯芫W(wǎng)。常見阻垢緩蝕劑加藥濃度見表2，可供參考，具體項(xiàng)目加藥量需根據(jù)試驗(yàn)確定。

表2 常見阻垢緩蝕劑加藥濃度

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處理藥劑投加根據(jù)投加時間分為兩類，一種是系統(tǒng)啟動時的首次投藥，一種是系統(tǒng)正常運(yùn)行后的例行投藥。這兩種投藥在計(jì)算投藥量時依據(jù)的水量是不同的。首次投藥量按下式計(jì)算：

Qf=V·g/1 000。

其中，Qf為首次加藥量，kg；V為系統(tǒng)水容積，m3；g為每升循環(huán)冷卻水加藥量，mg/L。

正常運(yùn)行時例行投藥量按下式計(jì)算：

Qr=(Qb+Qw)·g/1 000。

其中，Qr為系統(tǒng)運(yùn)行時加藥量，kg/h；Qb為排污水量，m3/h；Qw為風(fēng)吹損失水量，m3/h；g為每升循環(huán)冷卻水加藥量，mg/L。

循環(huán)冷卻水物理處理方法主要有旁濾法及強(qiáng)磁處理法。旁濾法選用砂、多介質(zhì)等介質(zhì)過濾器過濾去除循環(huán)水中懸浮物。旁濾水量為循環(huán)水量的1%～5%，旁流過濾器出水濁度應(yīng)小于3 NTU。強(qiáng)磁處理法利用超高永磁場(20 000高斯)使管道和水形成兩極化，管道為負(fù)極性，水為正極性，對管道形成陰極性保護(hù)，防止電化學(xué)腐蝕發(fā)生，并可使已形成的結(jié)垢及沉淀晶體變成松軟狀淤泥，通過旁濾或排污排出。離子化反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧根離子具有氧化殺菌作用，從而對菌藻類也可產(chǎn)生抑制作用。

電吸附除鹽是通過外加電場周期性變化，使離子向電極處移動，通過排放濃水方式實(shí)現(xiàn)脫鹽。有報道[4]將該技術(shù)應(yīng)用于循環(huán)冷卻水處理，其系統(tǒng)產(chǎn)水率為76%，耗電量為1.34 kWh/m3。

3.3 加藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)當(dāng)采用化學(xué)加藥處理時應(yīng)設(shè)加藥間，其功能為藥劑貯存、配制及投加。藥劑貯存量一般按7 d～15 d消耗量考慮。貯存次氯酸鈉液體、酸液、堿液的儲罐周圍應(yīng)設(shè)安全圍堰，圍堰容積應(yīng)能容納1.1倍最大儲罐容積，圍堰內(nèi)壁做防腐處理。加藥間地坪排水常含酸、堿等物質(zhì)，不能直接外排，應(yīng)在加藥間靠墻周圍及配藥設(shè)備處布置排水地溝，地坪坡向地溝，收集排水至集水坑，統(tǒng)一處理。相互可以混合在一起的藥劑可以合用一套加藥設(shè)備。投藥一般選用計(jì)量泵投加，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)量泵的最佳開度為50%，即當(dāng)工作流量為計(jì)量泵額定最大流量的一半時計(jì)量泵處于最佳工作狀態(tài)，工作流量相對其額定流量過大或過小都將影響投加藥量的精度。加藥管內(nèi)各種藥劑一般具有腐蝕性，因此加藥管道采用塑料材質(zhì)，并宜沿墻明敷，以便檢修維護(hù)。

4 結(jié)語

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是公共建筑及工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的重要輔助設(shè)施，系統(tǒng)相對而言比較復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，除要遵守《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》的基本要求外，還應(yīng)注意總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積極審慎采用新技術(shù)，以求達(dá)到更好的使用效果及節(jié)水節(jié)能目的。