循环冷却水自然通风空冷器的探讨

尹继英

摘 要：电力行业的快速发展带动了空冷器设备的飞速发展，为了充分解决高温干旱地区的散热问题，一般采用空冷设备进行散热。针对水耗大、电力消耗明显的特点，本文主要针对循环冷却水空冷器管束内表面污垢热阻、自然通风的影响进行了探讨，旨在为类似工程建设提供一定的理论支撑。

关键词：循环冷却水；自然通风；空冷器

中图分类号：TM621 文献标识码：A

1.循环冷却水水冷系统

循环冷却水现有冷却手段主要为冷却塔形式。为进行对比分析，先对循环冷却水水冷系统结构进行了初步分析。赖雪怡对密闭式工业循环冷却水系统进行了分析，指出密闭式循环冷却水特点：与外界隔绝，避免了风沙、微生物等外界因素对水系统的污染，维护成本低。密闭式循环冷却水优点较多，具体分析如下：冷却介质为软水，该介质能有效降低设备表面的结垢现象；闭式冷却塔将水的蒸发与空气冷却、传热与传质过程融为一体，在北方的冬季，可停开部分喷淋水。缺点体现在：闭式所以换热有局限性，如喷淋水到达分配管的喷嘴位置需要上升一定距离，无法避免存在能耗状况；此外，喷淋水和空气接触面积大，含盐量相对较高，水分蒸发后浓缩比例增加，会对设备表面产生一定的腐蚀作用。

针对闭式冷却塔不足，本文采用空冷代替水冷，以上下带有管箱的单排螺纹管钢管代替图1中的椭球形换热管。这一改进一方面节省了大量的喷淋水，更大的益处是空气冷却可以有效避免管束外表面腐蚀，从而明显的提高传热系数。

2.循环冷却水空冷系统

2.1管束内表面污垢与腐蚀概述

冷却水循环过程中受到外界干扰多，如水中离子富集、厌氧微生物、电化学反应多种原因，在设备表面会形成污垢，甚至腐蚀设备表面，由于杂物堆积、管道会形成轻微堵塞，减低循环水的水质，具体分析如下：（a）水质的影响：包括酸碱性、硬度等。（b）操作条件方面，考虑到冷却水流速、温度等参数，需要进行实验分析核查其是否存在腐蚀危害。（c）微生物的影响。

2.2 运行条件的讨论

2.2.1 流速影响

本文讨论流速为管道内部介质水的流速。流速需要维持在一定范围内，过高过低均会产生危害。流速过低，又会使传热效率降低和出现沉积导致结垢。在GB50050-2007《工业循环冷却水处理设计规范》中规定，管程流速0.9m/s作为下限。在实际运用中，常采用1.2m/s～1.5m/s作为设计流速。

从流体动力学角度出发，水流速越大，雷诺数越大，湍流程度越加明显，即增加了流体在管壁位置的剪切作用力，管壁污垢较容易发生脱落；同时，雷诺数越大，湍流程度越高，可降低边界层厚度，实现较小的传热热阻。上述两方面原因使得流速越大、污垢热阻越小，对应换热系数K增加。但是需要引起注意的是，流速增加后，dRf/du变小，Rf下降速度变小。若此时继续增加雷诺系数，会导致泵功耗大幅增加，而污垢热阻脱离速度变慢。可见流速需要控制在一定范围内，综合泵功耗、污垢热阻两方面选择最佳流速。

最佳流速处于研究阶段，并无具体数值，刘金平等人研究结果表明：首先，流速对管内部污垢热阻具有一定影响，速度过低、污垢热阻数值偏大；其次，冷却水中如果不含有污垢热阻，在流速低于0.5m/s状况下，仍然会产生微粒污垢热阻。泥沙浓度在0.5 kg/m3-2.0kg/m3范围内时，颗粒对热阻的影响相对较小，可忽略；再者，夏季温度过高状况下，发电机组负荷高，同时冷却水温度偏高，极易形成水中微生物大量繁殖的状况，对污垢热阻数值具有一定影响。因此发电机组在凝汽器侧污垢热阻检测中，需要加强对微生物的研究、监测和管理。

2.2.2 温度的影响

循环冷却水中，温度是关键参数，为了保证冷却水的温度满足工艺操作要求需要及时进行温度监测。天然气处理厂中，供水温度为32℃、回水温度一般为40℃，属于中等温差降范围。该状况下，系统腐蚀状况会随温度升高而增加。为了避免腐蚀问题，可借助化学处理方法进行有效控制，也可针对装置结构进行优化，避免温降过高引发的腐蚀。

2.2.3 管束结构的优化选择

据山东大学程林等人研究得出结论：复合强化传热的换热系数的增加通常要比单独使用其中的任何一种技术高。从程林等人的思路出发，采用不同于传统管式传热元件，该结构将表现出一定的弹簧特征，激发的微小振动可以对水流产生扰动。通过这种结构有效降低污垢热阻，使换热器传热系数大幅提高。

本文初步计划采用螺纹管钢管（DN80-DN100 高频焊接钢管，片间距4mm-5mm，翅片高度12.5mm）、上下端各布置凝结水箱的单排管，空冷器管束采用斜立式布置。李蔚等人針对螺纹管内污垢热阻进行了实验研究，通过引入修正因子β（β=（Aw/Awp）/（Ac/Acp），Aw为润湿面积，Ac为截面积，下标p表示光管，建立了不同结构参数螺纹管的统一结构模型。

3.环境通风对自然通风空冷器的影响

空冷机组以环境空气而不是以水作为汽轮机排汽的冷却介质，因此，环境变化将会显著影响直接空冷系统的运行特性。在环境风作用下，风速和风向都会影响空冷器进口空气流速。

本文空冷器采用塔外竖直布置的双曲线型自然通风空冷塔，单排管管束采用斜立式，如图2所示，外界空气流经过管束后会被内部热蒸汽加热，引起密度下降，在浮升力作用下空气会快速向上运动，形成塔体内部低压现象。空冷器在压力差作用下会导致空气入口发生较大抽吸力现象，容易及时吸收塔外部冷空气。

张晓东等人对间冷自然通风空冷塔进行研究，如图3所示，结果表明：第一，环境侧风速度增加后，空冷器内部压力场会发生变化。外界风速增加、塔体内部压力下降，塔外迎风面、背风面的压力均会增加，但是侧区压力会下降，即形成了塔外负压区；第二，风速低于4.0m/s状况下，负压区压力一般大于-20Pa，此时塔内部压力为-80Pa，压差不大，即暂时不会产生严重后果；但是风速大于8.5m/s状况下，塔外负压可降低至-60Pa，受空冷器两边过强的压力差影响，吸收空气能力会大幅度下降，危害度极高；第三，侧风区域空气流量会对系统产生异性影响，尤其是风速大于4.0m/s状况下，外界环境风速增加，塔内空气流量会大幅下降。风速不高于4.0m/s状况下，气流较为稳定，对空冷塔的负面影响相对较少。

结论

本文针对循环冷却水自然通风空冷器管束内表面污垢、自然风的影响进行了探讨。首先讨论了运行条件对内表面污垢的影响，存在最佳流速，能满足泵耗和污垢层两方面因素；随流体界面温度Ts的升高，污垢沉积率逐渐增大，其增加幅度先大后小。

参考文献

[1]赖雪怡.密闭式工业循环冷却水系统设计[J].工业用水与废水， 2011，42（3）：4-47.

[2]赵琼.循环冷却水系统腐蚀情况分析及药剂控制方法[J].天然气与石油，2010，28（2）：46-49.endprint