循環冷卻水系統安裝缺陷分析及改進措施

張朱良

循環冷卻水系統在工業與民用建筑的應用中相當廣泛,如暖通空調的循環冷卻水系統,是專為水冷式冷水機組或水冷直接蒸發式空調機組而設置的。循環冷卻水系統運行良好與否,直接關系到水泵的運行能耗和冷水機組的正常出力。而冷卻塔是影響冷卻水泵正常運轉和冷水機組正常出力的關鍵設備。本文僅對常規民用建筑中央空調的冷卻塔及其進出冷卻塔循環水管道安裝缺陷進行分析,并提出行之有效的改進措施,且作投石問路,望同行專家予以不吝指正。

1 循環冷卻水安裝的一般情形

1)冷卻塔進水管直接與冷卻塔進水口連接;2)冷卻塔給水進塔立管沒有設置防晃固定支架;3)冷卻塔進水管上安裝蝶閥與閘閥;4)冷卻塔出水干管管頂與集水盤垂直高差小;5)冷卻塔大都在現場由廠家二次組合安裝;6)冷卻塔周圍環境復雜;7)冷卻塔出水口沒有過濾設備等。

2 循環冷卻水的安裝缺陷分析

2.1 開啟循環冷卻水泵時與冷卻塔相連循環水管段的振動

由于冷卻塔進水管與冷卻塔進水口部直接硬性連接。冷卻水系統在循環冷卻水泵啟動運轉的瞬間,水流的巨大瞬間動量在此連接點轉化為對管道的瞬間沖量(冷卻塔進水口與進水管通過彎頭以法蘭連接見圖1),此沖量通過管道及冷卻塔的傳遞得以消減。同時振動的傳遞也將伴隨著噪聲的傳遞,從而使周圍環境受到污染、影響。研究表明：“在中低頻(20 Hz～200 Hz)范圍內,振動和噪聲的傳遞是結合為一體的”。同時,在循環冷卻水泵開機運轉至系統正常運行的過程,振動頻率的衰減過程將有某個時值與冷卻塔的固有頻率相同。我們知道,當外界的振動頻率與設備的固有頻率相同時,它們將產生共振之危害。通過螺栓緊固硬性連接的冷卻塔將因振動而破壞緊固性能,同時也影響其運行壽命。

2.2 進塔水壓難以準確控制,流量調節性能差

一般情況下,冷卻塔進水管上裝設蝶閥或閘閥。蝶閥具有一定的靜態調節能力,其調節性能只可以滿足于系統的初調試,而閘閥卻是一種典型的快開式閥門,幾乎沒有調節能力,只能用作開關式雙位閥,更不適合于冷卻塔進水管水量調節。而冷卻塔對進塔水壓有較為精確的要求特性。就以工程中常用的橫流式冷卻塔來說,如型號為 300 m3/h的冷卻塔,其要求進塔水壓為3.5 m水柱時,其物理意義在于：在3.5 m水柱進塔水壓條件下,冷卻塔的換熱性能處于最佳運行工況點,此工況點也是個效率臨界點,偏離臨界工況點均導致冷卻塔換熱效率的降低。

2.3 冷卻塔的抽空與溢流現象

冷卻塔的運行(假定共3臺),以下分兩種情形分析。如圖1所示,當冷卻塔全負荷并聯運行時,冷卻出水干管中,水流沿程阻力ΔPAB=ΔPBC=ΔP,假設3號冷卻塔C點的負壓為PC=P,則B點的負壓PB=PC-ΔPBC=P-ΔP,A點的負壓PA=PB-ΔPAB=P-2ΔP,顯然C點的負壓最大,B點其次,A點最小,即A點為最不利水力工況點。當冷卻塔集水盤液面與出水干管管頂的垂直高差H較小時,3號冷卻塔集水盤液面將下降至出水管中的C點,甚至更低,這樣就將產生3號冷卻塔出水管處進入空氣而形成所謂的“抽空”現象。3號冷卻塔的抽空系統循環水出水量將減少。由于冷卻塔進塔水壓相同,即具有相同的進水流量,這樣3號冷卻塔的抽空便同時伴隨著最不利工況點的1號冷卻塔出現“溢流”現象。當低負荷時冷卻塔運行臺數減少時,其“抽空”與“溢流”運行狀態是類似的。顯然,“抽空”使空氣進入運行中的冷卻水系統,不僅對水泵運行能耗,同時也對冷水機組的額定出力產生嚴重影響。

2.4 冷卻塔現場組裝質量控制不足,周邊環境惡劣

某些工程冷卻塔運行未能達到設計參數的要求,大都與現場組裝等安裝質量有直接關系。如：冷卻塔內部填料隨意、不規范安裝;冷卻塔進風口周圍凈空小、通風條件差;排風口上方有遮擋物,形成進排風口氣流短路;進風口有大量的熱氣流等均不能保證塔周圍必須有足夠的不受阻的空間以保證足夠的空氣供給與圍護空間。塔身安裝不處于同一水平面等原因均對冷卻塔的熱交換性能產生了重大的影響。

另外,由于一般習慣于常用開式冷卻塔,且通常置于屋頂,易進入粉塵、泥砂等雜物,如回水干管或冷卻塔出水口未設置過濾設備,這將對增加冷卻水系統的維護費用及折減冷卻塔的使用壽命。

3 改進措施

1)冷卻塔循環水管之平衡,分為進水管間的水力平衡與出水管間的水力平衡。

a.進水管間平衡：盡管在進水管間設置調節閥門,如蝶閥與閘閥,但僅憑經驗與目測調節其間水力平衡是不夠的,即使水力平衡了,但水流量是否調節至滿足要求。蝶閥細調節能力差,閘閥更不適合,采用調節曲線接近直線,具有調節能力線性的手動調節閥或電動調節閥。冷卻塔進塔水壓要求較為精確,采用給水管上(調節閥后)安裝千帕級精度的壓力顯示裝置。兩者的同時使用,既可保證良好調節性能的直觀,又可滿足進塔水壓的要求。

b.出水管間平衡：與進水管不同的是,出水管基本是重力流回流。重力流回流由于對阻力損失相對較為敏感,因此需考慮對回水管阻力損失的補償。對冷卻塔“抽空”與“溢流”現象最經濟、可靠、易行的解決措施有以下兩種。

阻力損失補償可從克服、減小阻力損失進行處理。克服、減小阻力損失較為現實可行的有：

補償措施之一,多臺冷卻塔并聯使用時,積水盤下應設連通管[1]。該連通管實質就是均壓管。理論上,連通管管徑當然是越大越好,考慮造價在實際實施時,冷卻塔積水盤預留接口放大1級～2級后即為連通管的管徑,積水盤口徑要求可在冷卻塔訂貨之時就進行技術性約定。補償措施之二,提高冷卻塔積水盤與出水管間的垂直高差。由圖1可知,出水干管已部分起到連通管的均壓功能,出水干管上的水流阻力關系如2.3分析,當集水盤設計液面距出水干管頂部的高差H大于1號冷卻塔～3號冷卻塔出水干管間的阻力損失時,即ΔPABC=2ΔP=H時,3號與1號冷卻塔的“抽空”與“溢流”現象即可克服消除。冷卻塔安裝高度的確定應視實際情況而定。一般當H=700 mm～800 mm時,基本可滿足要求[2]。

2)針對冷卻塔進水管的振動,采用多節可曲擾橡膠軟接頭減振,且在冷卻塔循環水立管中間適當位置增設一剛性防晃支架,這樣可做到固定與減振并舉。

3)冷卻塔現場安裝,內部填料的安裝是工序控制的重點。為保證冷卻塔的熱交換性能,冷卻塔進風口四周應有凈空大于1 m(應根據冷卻塔的尺寸與風量確定);進風口不應有高濕熱的空氣流,通風排氣口、消防排煙口應遠離冷卻塔。

4)開式冷卻塔易進入粉塵、泥砂等雜物,在安裝管道時,需注意產品的潔凈保護,冷卻塔出水口應增設過濾裝置。另外,在建筑電氣防雷安裝時,應把冷卻塔外露可接觸導體與屋面金屬物連通成一個整體[3]。

4 結語

本文通過循環冷卻水系統安裝缺陷的分析,提出了缺陷改進方法：1)通過在冷卻塔進出口部設置多節可曲擾橡膠軟接頭以及增設循環水立管防晃支架,實現減振與固定并舉。2)通過冷卻塔進塔給水管上的手動或電動調節閥以及壓力顯示裝置而優化調節控制進塔流量與壓力。3)通過增設積水盤間連通管或提高冷卻塔與出水干管之間垂直安裝高度解決因水力失衡而導致的“抽空”與“溢流”現象。4)通過對冷卻塔的組裝質量控制、設置過濾裝置以及電氣防雷安全的實施以保證產品安裝質量。

[1]中標所.全國民用建筑工程設計技術措施/暖通空調動力[M].北京：中國計劃出版社,2003：156.

[2]潘云剛.高層民用建筑空調設計[M].北京：中國建筑工業出版社,1999：182.

[3]建設部.建筑電氣工程施工質量驗收規范[M].北京：中國計劃出版社,2002：2-7.