循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計要點

姜 旭 升

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

1 機械通風式冷卻塔選型

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、風機、收水器及結(jié)構(gòu)支撐件、擋板等。工程中應用類型最多的是機械抽風式冷卻塔，風機布置在冷卻塔上部，將外界空氣由塔體下部抽吸進塔，由上部風筒排出。由于出風口風速較高，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。冷卻塔選型時要注意如下幾個方面。

1.1 所選產(chǎn)品應達到國家標準性能

冷卻塔國家標準GB/T 7190—2008玻璃纖維增強塑料冷卻塔，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。標準中對冷卻塔產(chǎn)品性能指標分別作了規(guī)定，見表1。設(shè)計選用時應確保選用的冷卻塔符合此性能標準。

表1 GB/T 7190—2008玻璃纖維增強塑料冷卻塔主要性能標準

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)分別是進水溫度t1、出水溫度t2、空氣濕球溫度τ、循環(huán)水量Q。進水溫度和循環(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到的極限溫度，設(shè)計中一般是按出水溫度比空氣濕球溫度高3 ℃～5 ℃考慮。我國標準的濕球溫度為28 ℃，暖通空調(diào)系統(tǒng)進出水溫度一般為37 ℃/32 ℃，工業(yè)冷卻系統(tǒng)進出水溫度一般為43 ℃/33 ℃。

冷卻塔的實際循環(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重下降。根據(jù)經(jīng)驗，逆流式冷卻塔淋水密度一般不應大于25 t/(m2·h)，實際循環(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大于50 t/(m2·h)，實際循環(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

間冷開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是目前應用最多的一種冷卻系統(tǒng)，常作為一般設(shè)備的間接冷卻或為換熱器提供冷媒水，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，緊鄰主要用水點布置。冷卻塔集水池的容積確定非常重要，過大則浪費投資和用地，過小則可能影響系統(tǒng)運行安全。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。

冷卻塔集水池應設(shè)便于清除淤泥的設(shè)施，循環(huán)水泵吸水池前應設(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

3.1 循環(huán)冷卻水補水量

間冷開式系統(tǒng)隨著系統(tǒng)運行時間增長，系統(tǒng)水量將會由于蒸發(fā)損失、風吹損失而減少。并且隨著系統(tǒng)運行，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)需要定期補充新鮮水。補水量按蒸發(fā)損失率、風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)，當進塔大氣溫度為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)的補充水量可按下式計算：

Qm=Qr·(P1+P2+P3)。

其中，Qm為補充水量，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)冷卻水進行處理可以歸結(jié)為阻垢、緩蝕、滅菌藻、除懸浮物四大目標。處理方式有物理處理法、化學加藥法、電化學法三大方法，一般至少選擇兩種方法組合應用，以達到預期的處理效果。

化學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用或者一種多效藥劑可同時達到阻垢、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、有機氯、無機溴化物等。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。當采用多種藥劑時，應注意藥劑的共溶性，避免共用藥劑引起反應沉淀。比如季銨鹽與聚丙烯酸反應生成沉淀。還應注意，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，進而引起水體富營養(yǎng)化。因此，應優(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，具體項目加藥量需根據(jù)試驗確定。

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)正常運行后的例行投藥。這兩種投藥在計算投藥量時依據(jù)的水量是不同的。首次投藥量按下式計算：

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。

正常運行時例行投藥量按下式計算：

Qr=(Qb+Qw)·g/1 000。

其中，Qr為系統(tǒng)運行時加藥量，kg/h；Qb為排污水量，m3/h；Qw為風吹損失水量，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小于3 NTU。強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，管道為負極性，水為正極性，對管道形成陰極性保護，防止電化學腐蝕發(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現(xiàn)脫鹽。有報道[4]將該技術(shù)應用于循環(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

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)當采用化學加藥處理時應設(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、堿液的儲罐周圍應設(shè)安全圍堰，圍堰容積應能容納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。投藥一般選用計量泵投加，根據(jù)經(jīng)驗，計量泵的最佳開度為50%，即當工作流量為計量泵額定最大流量的一半時計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。

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)相對而言比較復雜。設(shè)計人員在進行系統(tǒng)設(shè)計時，除要遵守《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》的基本要求外，還應注意總結(jié)經(jīng)驗，積極審慎采用新技術(shù)，以求達到更好的使用效果及節(jié)水節(jié)能目的。