严寒地区冷却塔防冻设计方案

2015-08-22陈文涛王靖

天津化工 2015年3期

关键词：淋水防冻液盘管

陈文涛，王靖

(中国汽车工业工程有限公司，天津 300113；天津市化工设计院,天津 300193)

·工程与设计·

严寒地区冷却塔防冻设计方案

陈文涛1，王靖2

(中国汽车工业工程有限公司，天津 300113；天津市化工设计院,天津 300193)

我国北方地区冬季气候寒冷，冷却塔在冬季运行中易受到冰冻危害的侵袭。为了保证冷却塔在该地区安全运行，分析冷却塔在冬季运行时结冰的部位、形成的原因、产生的危害，并从冷却塔设计、施工和运行管理等方面提出切实可行的防治方法，保证冷却塔在冬季可以高效、安全、经济运行。

严寒地区；闭式冷却塔；开式冷却塔；防冻

1 冷却塔冻结原因分析及解决方案

我国严寒地区冬季气候寒冷，冷却塔在冬季运行中易受到冰冻危害的侵袭,冷却塔冬季运行普遍存在防冻问题。为了保证冷却塔在该地区安全运行，根据以往工程出现的问题设计首先做了冷却塔防冻预案，对已有冷却塔进行实地调查，分析冷却塔在冬季运行时结冰的部位、形成的原因、产生的危害，并提出解决方案，保证冷却塔在冬季可以高效、安全、经济运行。

下面介绍冷却塔防冻的设计方案，分为两类（闭式系统、开式系统）共八个方案。

1.1 闭式冷却塔冻害发生的部位、原因、危害及解决方案

1.1.1 盘管内部结冰

原因：盘管里的循环水低速低流量的时候可以加速盘管里面结冰。

危害：容易导致盘管冻裂，水的结冰膨胀可产生冻胀力，直接胀破管道。

1.1.2 闭式冷却塔防冻的解决方案

方案1

典型的室内设置方案，方案原理见图1。这种设置对于循环水量不大，全年运行的冷却塔还是比较实用，其约束条件是最好是要鼓风式冷却塔，如果选用抽风式冷却塔附加结构将会比较复杂。

室内安装方案是把冷却塔作为一个标准的室内设备来对待，要求其不能对室内环境有不良影响，比如湿度影响等。

图1

方案2

防冻液方案，方案原理见图2这个系统的关键是乙二醇的使用，下面就介绍乙二醇溶液的性能，乙二醇水溶液的浓度和防冻性能关系数据表（见表1）；乙二醇水溶液的比热容（见表2）。只有充分掌握这些参数，才能使你设计的系统符合要求。

图2

防冻液（含乙二醇）其冰点随着乙二醇在水溶液中的浓度变化而变化。浓度在59%以下时，水溶液中乙二醇浓度升高，冰点降低。但浓度超过59%后，随着乙二醇浓度的升高，其冰点呈上升趋势，当浓度上升到100%时，其冰点上升至-13度，这就是浓缩型防冻液为什么不能直接用的原因

当乙二醇的含量为68%时，冰点可降低到-68℃，超过这个限量时，冰点反而要上升。乙二醇防冻液在使用中易生成酸性物质，对金属有腐蚀。因此，应加入适量的磷酸氢二钠等以防腐蚀。由于其沸点高，不会产生蒸气被人吸入体内而引起中毒。

由表1、2可知如果系统只设一次循环，那么防冻液的添加量会很多，而且由于用户较多，其维修等原因要放水，不仅浪费而且会造成污染，因此只适合冬季设计温度不太低，需要的防冻液水溶液浓度较低的情况。

对于使用防冻液的系统，由于防冻液的比热比水小，因此需要加大一次循环泵的流量和冷却塔的流量，这点要特别注意。

使用防冻液系统的溶液补充也是区别于使用水的系统，个人建议还是手动补液，这样做是因为防冻液的泄漏应该算事故，正常情况下只允许微量的漏损，如果需要补液那么首先要查明为什么缺液，什么地方有漏点，在补液前要消除隐患。不像水循环，采用自动补水，缺多少补多少。

表2 乙二醇水溶液的比热容（kJ/kg.℃）

方案3

方案原理见图3，方案特点是冬季运行和方案2一样。到了其他季节则变成了普通的闭式循环水系统。其优点是春夏秋季只有一组泵工作节约能源，少了换热器的环节，循环水水温会降低2～4℃，并且不使用防冻液，防冻液的损耗会减少。缺点是需增加一个储存管道放空放出的防冻液的容积，季节转换会有一次防冻液的放空和充满的操作。

方案4

图3

方案原理见图4，其优点是相对于两级循环，不需要加防冻液，少一组泵，不需要换热器，夏季冷却水出水温度可以低2～4℃；其缺点是增加维护结构，维护结构内需设暖气片等采暖措施，天窗和风阀有结冰而开关失灵的可能，因此窗框内需要加电伴热等措施。

表1 乙二醇水溶液的浓度和防冻性能关系数据表

加维护的方案和室内安装方案的区别是加维护后虽然看起来冷却塔在室内了，但对冷却塔的要求并没有改变，这个空间仅仅是为冷却塔而设置，因此这个空间的防水等和屋顶并没有区别，允许雨水漏进来，允许冷却塔飘水，只是尽量保证室内环境较好；而室内安装方案时冷却塔可以和众多设备在一个空间布置，不需要特殊对待，要很好区别这两者的差异。

图4

方案5

局部电加热循环方案，其内容为在闭式冷却塔的盘管内加设电加热器，在冷却塔的供回水管上加一个联通管并设循环泵等，在冷却塔停用状态下需要防冻时，打开电加热器、开启循环泵，使冷却塔盘管内的水温保持在0℃以上。水盘防冻是在水盘内设置电加热装置，在冷却塔停用状态下需要防冻时，打开电加热器。其优点是，防冻措施和系统没有什么关系，可以说选了一个具有防冻功能的冷却塔。其缺点是，耗能较大，冷却塔本身是一个散热的装置，在没有其他措施的情况下，单靠外部补充能源来维持温度，耗能肯定是大的，特别是在周末、连续放假时；其二是对操作要求比较高，一次操作失误就可能造成冷却塔盘管报废，其修理、更换的费用和时间都比较大。

方案6

图5

用于循环水不间断供水的方案，方案原理见图5。循环水水泵吸管上设置一根补水管，集水器上有一根比补水管管径小一号的放空管，形成一个循环；因此当冷却塔盘管冻坏的情况下，可以在短时间内将冷却塔停机检修。

1.2 开式冷却塔冻害发生的部位、原因、危害及解决方案

1.2.1 进口处结冰

原因：冷却塔淋水填料外围淋水密度过小，经筒壁流下的水在进风口上缘处流动过缓，此时遇到冷空气，在进风口处结冰。

危害：对塔筒下缘、人字支柱的混凝土具有一定的破坏作用。冷却塔结冰会影响冷却塔内的通风,降低冷却塔效率,使循环水温逐渐升高，从而降低凝汽器的真空。

1.2.2 淋水填料

原因：工艺机组热负荷较小，进入冷却塔的循环水量减少，没有调整冷却塔的运行数量，就会使淋水填料外围淋水密度过小，使淋水架构结冰；没有根据热负荷及气象条件及时调节水槽配水，使淋水填料外围淋水密度过小，进入塔内的冷空气过多；淋水填料在淋水密度较小的其它区域，如水槽堵塞和破损、喷嘴堵塞、溅水碟脱落或不对中等处，亦易造成局部冻害。

危害：.使淋水装置承受大幅度的超载，发生淋水填料及其支承梁坍落，甚至导致局部或整体倒坍，使淋水装置、斜支柱和通风筒等部位的混凝上多次遭受冻融循环，加速材料耐久性能的破坏，降低了结构的寿命。

1.2.3 淋水架构结冰

冷却塔冬季停运时，淋水装置柱子在水位波动区和浸润区，随着气温和水温的变化，易于发生冻融损坏。外圈柱及支撑最易挂冰。通风筒内壁上的挡水檐(或壁流槽)破损时，冷却塔内壁上的燕汽凝结水和戮落水可顺流而下，从而在环底和斜支柱上产生冻结。

1.2.4 开式冷却塔防冻的解决方案

方案1

方案原理见图6，在晚上需要防冻的情况，一般说这种情况是在冬季温度不是很低的情况下采用的，有两个选项可以采用在水盘内设加热装置，其控制要求是，循环泵运行时加热装置关，循环泵关时加热装置开。在泵房内设置水箱，循环泵关闭后将冷却塔水盘内的水和室外管道内的水放到水箱内，在循环泵开启之前，再将水箱内的水输送至系统，然后开泵。

图6

方案2

方案原理见图7，特点是冷却塔水盘内不存水，并且可以根据水温控制计入冷却塔的水量，在冬季可以保证循环水的水温大致不变。其缺点是水的势能的浪费，因此比较费电。

把水池（箱）尽量贴近冷却塔可以尽量减少这一浪费。

图7

2 工程实例

陕汽新疆汽车建设项目（开工时间2011年9月-完工时间2012年5月）位于我国新疆乌鲁木齐地区，为严寒地区VIIB，冬季时间(每年的11月至次年的3月)较长,极端最低气温可达到-32℃[1]，因此冷却塔防冻问题应从设计、施工、运行管理等方面进行充分重视，以保证冷却塔的高效、安全、经济运行。

陕汽新疆汽车项目位于新疆乌鲁木齐地区，涂装车间电泳设备的电泳漆24小时运转，运转过程中要发热升温，因此需全年采用循环水降温方式对其进行降温，一旦断水，影响涂装车间生产，给业主造成很大损失。根据以上对以往工程冷却塔冻结问题的分析，为防止冷却塔冻结的现象，设计选用闭式系统，采用闭式冷却塔防冻方案6，目前已运行两个冬季，运行状况良好。

2.1 冷却塔采用闭式的冷却塔，因为在北方，冬季使用，填料上是必然结冰的。这样会大大降低冷却塔的冷却效率，并且在盘管里的循环水低速低流量的时候可以加速盘管里面结冰。容易导致盘管冻裂。

2.2 循环水水泵吸管上设置一根DN80的补水管，集水器上原有一根DN65的放空管，这就形成一个循环，因此当冷却塔盘管冻坏的情况下，可以在短时间内将冷却塔停机检修，而不影响涂装电泳漆的运转。

2.3 采用循环水系统时，循环水泵吸水管上设置临时给水补水管，工艺循环水回水管上设置放空管。