淺談閉式循環冷卻水系統設計

(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，隨著我國經濟建設的迅速發展，水資源短缺的問題日益顯現，我國正常年份缺水量約400億m3已經嚴重制約了我國經濟建設的發展。面對這樣的嚴重局面，節水是給排水工程設計的首要任務。

工業中工藝換熱設備冷卻系統一般為全年需要運行，利用閉式冷卻系統在過度、冬季采用自然(空氣)能源為工藝冷卻設備提供冷量，節能效果顯著。閉式空冷循環冷卻水系統，一般可比開式冷卻塔系統節水50%～70%。特別適合水資源匱乏的地區。隨著科學技術的不斷發展，密閉式冷卻塔必然會迎來更大的發展和應用空間。

以下內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 閉式空冷循環冷卻水系統原理

2.1 閉式冷卻塔

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

閉式循環系統中循環水,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，進入閉式冷卻塔內管式換熱器內，循環冷卻水在在閉式冷卻塔換熱盤管內流過，空氣在管外流過，使管內冷卻水與管外的空氣進行熱量交換；當閉路循環冷卻水系統出水溫度，不能滿足工藝所要求的冷卻水溫度時,開啟閉式冷卻塔內循環噴淋水系統，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，與噴淋水呈相反方向流經盤管外的水膜層；通過接觸傳熱和一部分噴淋水蒸發散熱而吸收盤管內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。

循環冷卻水在閉式循環冷卻塔管內循環水熱量被管外的空氣及冷卻塔內循環噴淋水吸收,經循環水泵加壓送至工藝換熱設備換熱,進入再次往復的循環下去。

2.2 閉式循環系統補水定壓系統

閉式循環系統水因溫度變化而會引起的體積變化及循環系統會存在漏水、氣體存在現象，在系統中應設置補水定壓排氣裝置。

2.3 閉式空冷循環冷卻水系統圖（見圖1）

圖1

3 閉式空冷循環冷卻水系統特點

3.1 在閉式循環系統中的冷卻水采用軟水循環使用，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，軟水質量穩定，基本不損耗，僅補充因系統設備跑漏而損失的少量軟水。

3.2 當外界氣溫較低時，可以停止閉式循環塔內噴淋水系統，循環冷卻水熱量由空氣帶走，起到節水效果。

3.3 閉式循環系統冷卻水，不與大氣直接接觸，不易滋生微生物及水質不受空氣污染。

3.4 閉式循環系統冷卻水水質指標應根據系統的特性及工藝設備的要求來確定。目前工業工藝設備對冷卻水水質要求高，采用軟水作為閉式循環系統輸送介質，可達到工藝設備的水質要求，提高傳熱效率，由于水質不受大氣污染，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 閉式循環冷卻水系統設計參數

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℃）的數據。

t1冷卻水進塔溫度；t2冷卻水出塔溫度。

b 實際工況排熱量

設計人員需根據冷卻塔安裝使用地區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，由設備廠家提供；K2進塔水溫變化排熱量修正系數 由設備廠家提供。

4.2 冷卻水水量

循環冷卻水量應根據生產工藝的最大小時用水量確定。工業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，根據工藝裝置中各用戶的熱負荷及冷卻水進、出口溫差計算循環水量，同時通過水熱平衡計算，得到循環冷卻水的計算總量，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

管徑應根據流體的流量、性質、流速、及管道允許的壓力損失等確定。

Di=0.0188[W0/Vρ]0.5

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

4.4 閉式冷卻水系統膨脹罐設計[1，2]

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

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整予以促成，也可以通過完善某個具體稅種的內部結構來加以實現。然而，造成我國當前制造業整體稅負較重的原因之一就是企業所得稅結構不合理。主要表現為：

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 閉式循環冷卻水系統定壓壓力

閉式循環系統為維持系統內水力工況穩定，必須設置定壓裝置，以保證水系統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的壓力分布情況。

工業循環冷卻水系統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路水壓圖，這樣可以全面了解系統的壓力狀況，采取可效的措施，保證系統安全良好的運行。

確定循環系統水壓基本要點：

1）循環水網路設備連接點壓力不應超過設備的設計壓力。

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

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

5）定壓點的位置應為循環水泵入口干管上。

4.6 閉式循環水系統水力計算

管道的總壓力損失為最不利環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系統壓力損失），并應計入適當的裕度。其裕度系數，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水泵揚程的依據。

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；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。

4.7 工程實例

某工程采用閉式循環水系統，循環水量為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）調節水箱的尺寸為2000×2000×2000mm，有效容積為5m3。

6）循環水的調節水箱需要設置連續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 系統設計要點

5.1 循環水管路高點設置排氣裝置

由于管網系統初期充水及管道局部流速過高，導致水中空氣析出，閉式循環水管網中存有空氣，系統會發生管道氣阻、振動等現象，影響系統安全運行，所以循環水系統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，保證管道內的空氣順利的通過排氣閥排出系統外。

5.2 管道材質的選擇

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

目前在工業系統的大型密閉式循環冷卻水系統中，焊接鋼管仍是最常用的管材。

5.3 循環水管道敷設

循環水管道敷設一般為架空敷設和埋地敷設。

隨著工業循環水系統越來越龐大，導致循環水輸送管道管徑大，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通循環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定性及剛度要求，鋼管管道結構應按下列兩種極限狀態進行設計：進行承載能力極限狀態計算（包括強度計算和穩定驗算）、正常使用極限狀態驗算，應按照國家規范《給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規程》CECS 141:2002進行校核計算。

圖3

5.4 閉式冷卻水系統停電事故設計[2]

在工業生產過程中，特別是化工工藝生產中，如果發生突然停電事故，致使循環水系統停止運行，這不單會影響生產，極有可能產生爆炸事故，造成人員生命安危及國家財產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。

當發生停電事故時，閉式冷卻水系統應根據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，同時系統低點應設置事故排水閥。

6 結論

6.1 閉式循環冷卻水系統是清潔、節能的冷卻水系統，適合于水源匱乏地區及工業工藝清潔度及密閉性要求較高的冷卻水系統。

6.2 閉式循環冷卻水系統的工程設計是根據建設工程和法律法規的要求，對建設該循環冷卻水系統工程所需的技術、經濟、資源、環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，是保證閉式循環冷卻水系統建設項目的重要環節。

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

[2]工業循環冷卻水處理設計規范[S]GB50050—2007.

[3]工業金屬管道設計規范[S]GB50316-2000(2008年版).