循环冷却水系统安装缺陷分析及改进措施

张朱良

循环冷却水系统在工业与民用建筑的应用中相当广泛,如暖通空调的循环冷却水系统,是专为水冷式冷水机组或水冷直接蒸发式空调机组而设置的。循环冷却水系统运行良好与否,直接关系到水泵的运行能耗和冷水机组的正常出力。而冷却塔是影响冷却水泵正常运转和冷水机组正常出力的关键设备。本文仅对常规民用建筑中央空调的冷却塔及其进出冷却塔循环水管道安装缺陷进行分析,并提出行之有效的改进措施,且作投石问路,望同行专家予以不吝指正。

1 循环冷却水安装的一般情形

1)冷却塔进水管直接与冷却塔进水口连接;2)冷却塔给水进塔立管没有设置防晃固定支架;3)冷却塔进水管上安装蝶阀与闸阀;4)冷却塔出水干管管顶与集水盘垂直高差小;5)冷却塔大都在现场由厂家二次组合安装;6)冷却塔周围环境复杂;7)冷却塔出水口没有过滤设备等。

2 循环冷却水的安装缺陷分析

2.1 开启循环冷却水泵时与冷却塔相连循环水管段的振动

由于冷却塔进水管与冷却塔进水口部直接硬性连接。冷却水系统在循环冷却水泵启动运转的瞬间,水流的巨大瞬间动量在此连接点转化为对管道的瞬间冲量(冷却塔进水口与进水管通过弯头以法兰连接见图1),此冲量通过管道及冷却塔的传递得以消减。同时振动的传递也将伴随着噪声的传递,从而使周围环境受到污染、影响。研究表明：“在中低频(20 Hz～200 Hz)范围内,振动和噪声的传递是结合为一体的”。同时,在循环冷却水泵开机运转至系统正常运行的过程,振动频率的衰减过程将有某个时值与冷却塔的固有频率相同。我们知道,当外界的振动频率与设备的固有频率相同时,它们将产生共振之危害。通过螺栓紧固硬性连接的冷却塔将因振动而破坏紧固性能,同时也影响其运行寿命。

2.2 进塔水压难以准确控制,流量调节性能差

一般情况下,冷却塔进水管上装设蝶阀或闸阀。蝶阀具有一定的静态调节能力,其调节性能只可以满足于系统的初调试,而闸阀却是一种典型的快开式阀门,几乎没有调节能力,只能用作开关式双位阀,更不适合于冷却塔进水管水量调节。而冷却塔对进塔水压有较为精确的要求特性。就以工程中常用的横流式冷却塔来说,如型号为 300 m3/h的冷却塔,其要求进塔水压为3.5 m水柱时,其物理意义在于：在3.5 m水柱进塔水压条件下,冷却塔的换热性能处于最佳运行工况点,此工况点也是个效率临界点,偏离临界工况点均导致冷却塔换热效率的降低。

2.3 冷却塔的抽空与溢流现象

冷却塔的运行(假定共3台),以下分两种情形分析。如图1所示,当冷却塔全负荷并联运行时,冷却出水干管中,水流沿程阻力ΔPAB=ΔPBC=ΔP,假设3号冷却塔C点的负压为PC=P,则B点的负压PB=PC-ΔPBC=P-ΔP,A点的负压PA=PB-ΔPAB=P-2ΔP,显然C点的负压最大,B点其次,A点最小,即A点为最不利水力工况点。当冷却塔集水盘液面与出水干管管顶的垂直高差H较小时,3号冷却塔集水盘液面将下降至出水管中的C点,甚至更低,这样就将产生3号冷却塔出水管处进入空气而形成所谓的“抽空”现象。3号冷却塔的抽空系统循环水出水量将减少。由于冷却塔进塔水压相同,即具有相同的进水流量,这样3号冷却塔的抽空便同时伴随着最不利工况点的1号冷却塔出现“溢流”现象。当低负荷时冷却塔运行台数减少时,其“抽空”与“溢流”运行状态是类似的。显然,“抽空”使空气进入运行中的冷却水系统,不仅对水泵运行能耗,同时也对冷水机组的额定出力产生严重影响。

2.4 冷却塔现场组装质量控制不足,周边环境恶劣

某些工程冷却塔运行未能达到设计参数的要求,大都与现场组装等安装质量有直接关系。如：冷却塔内部填料随意、不规范安装;冷却塔进风口周围净空小、通风条件差;排风口上方有遮挡物,形成进排风口气流短路;进风口有大量的热气流等均不能保证塔周围必须有足够的不受阻的空间以保证足够的空气供给与围护空间。塔身安装不处于同一水平面等原因均对冷却塔的热交换性能产生了重大的影响。

另外,由于一般习惯于常用开式冷却塔,且通常置于屋顶,易进入粉尘、泥砂等杂物,如回水干管或冷却塔出水口未设置过滤设备,这将对增加冷却水系统的维护费用及折减冷却塔的使用寿命。

3 改进措施

1)冷却塔循环水管之平衡,分为进水管间的水力平衡与出水管间的水力平衡。

a.进水管间平衡：尽管在进水管间设置调节阀门,如蝶阀与闸阀,但仅凭经验与目测调节其间水力平衡是不够的,即使水力平衡了,但水流量是否调节至满足要求。蝶阀细调节能力差,闸阀更不适合,采用调节曲线接近直线,具有调节能力线性的手动调节阀或电动调节阀。冷却塔进塔水压要求较为精确,采用给水管上(调节阀后)安装千帕级精度的压力显示装置。两者的同时使用,既可保证良好调节性能的直观,又可满足进塔水压的要求。

b.出水管间平衡：与进水管不同的是,出水管基本是重力流回流。重力流回流由于对阻力损失相对较为敏感,因此需考虑对回水管阻力损失的补偿。对冷却塔“抽空”与“溢流”现象最经济、可靠、易行的解决措施有以下两种。

阻力损失补偿可从克服、减小阻力损失进行处理。克服、减小阻力损失较为现实可行的有：

补偿措施之一,多台冷却塔并联使用时,积水盘下应设连通管[1]。该连通管实质就是均压管。理论上,连通管管径当然是越大越好,考虑造价在实际实施时,冷却塔积水盘预留接口放大1级～2级后即为连通管的管径,积水盘口径要求可在冷却塔订货之时就进行技术性约定。补偿措施之二,提高冷却塔积水盘与出水管间的垂直高差。由图1可知,出水干管已部分起到连通管的均压功能,出水干管上的水流阻力关系如2.3分析,当集水盘设计液面距出水干管顶部的高差H大于1号冷却塔～3号冷却塔出水干管间的阻力损失时,即ΔPABC=2ΔP=H时,3号与1号冷却塔的“抽空”与“溢流”现象即可克服消除。冷却塔安装高度的确定应视实际情况而定。一般当H=700 mm～800 mm时,基本可满足要求[2]。

2)针对冷却塔进水管的振动,采用多节可曲扰橡胶软接头减振,且在冷却塔循环水立管中间适当位置增设一刚性防晃支架,这样可做到固定与减振并举。

3)冷却塔现场安装,内部填料的安装是工序控制的重点。为保证冷却塔的热交换性能,冷却塔进风口四周应有净空大于1 m(应根据冷却塔的尺寸与风量确定);进风口不应有高湿热的空气流,通风排气口、消防排烟口应远离冷却塔。

4)开式冷却塔易进入粉尘、泥砂等杂物,在安装管道时,需注意产品的洁净保护,冷却塔出水口应增设过滤装置。另外,在建筑电气防雷安装时,应把冷却塔外露可接触导体与屋面金属物连通成一个整体[3]。

4 结语

本文通过循环冷却水系统安装缺陷的分析,提出了缺陷改进方法：1)通过在冷却塔进出口部设置多节可曲扰橡胶软接头以及增设循环水立管防晃支架,实现减振与固定并举。2)通过冷却塔进塔给水管上的手动或电动调节阀以及压力显示装置而优化调节控制进塔流量与压力。3)通过增设积水盘间连通管或提高冷却塔与出水干管之间垂直安装高度解决因水力失衡而导致的“抽空”与“溢流”现象。4)通过对冷却塔的组装质量控制、设置过滤装置以及电气防雷安全的实施以保证产品安装质量。

[1]中标所.全国民用建筑工程设计技术措施/暖通空调动力[M].北京：中国计划出版社,2003：156.

[2]潘云刚.高层民用建筑空调设计[M].北京：中国建筑工业出版社,1999：182.

[3]建设部.建筑电气工程施工质量验收规范[M].北京：中国计划出版社,2002：2-7.