循环冷却水系统范文

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Abstract: in this paper, the modern civil air conditioning cooling water circulating system cooling tower of the selection, and handling of circulating water piping layout of the cooling water system in more detailed analysis, and the paper tries to solve the problems existing in the design, so the system can achieve rational, the economy, the purpose of saving energy.

Key word: cooling water circulating system selection treatment of cooling water piping layout

中图分类号： U664.81+4文献标识码：A文章编号：

引言

随着国民经济的发展，使用集中式空调系统的建筑越来越多，能耗也随之增大。作为空调系统中循环冷却水系统，虽然水量较小，设备为定型产品，水质要求较低，季节性运转等，但设计中对一些具体的细节问题，关注不够，造成冷却水系统水温降不下来，系统能耗过大，运转操作不便等问题，甚至由于空调冷却水系统的结垢、腐蚀和藻类滋生造成循环水系统管道的堵塞和腐蚀。为有效解决上述问题，下面从冷却塔选型，循环水的处理，系统管道的布置几个方面进行分析。

1循环冷却水系统设备的合理选型

1.1注重设计基础资料

为保证冷却塔的冷却效果，必须注重气象参数的收集， 气象参数应包括空气干球温度θ（℃），空气湿球温度τ（℃），大气压力P(Pa)，夏季主导风向，风速或风压，冬季最低气温等。

根据《采暖通风与空气调节设计规范》和《建筑给水排水设计规范》，冷却塔设计计算所选用的空气干球温度和湿球温度，应与所服务的空调等系统的设计空气干球温度和湿球温度相吻合，应采用历年平均不保证50小时的干球温度和湿球温度。

1.2循环冷却水量确定

确定冷却循环水量时，首先要清楚准确地了解空调负荷及空调设备要求的冷却循环水量，同时还要关注空调机的选型，一般可根据制冷量（美RT），估算冷却循环水量Q（m3/h），对于机械式制冷：离心式、螺杆式、往复式制冷机，Q=0.8RT。对于热力式制冷：单、双效溴化锂吸收式制冷机，Q=(1.0-1.1)RT 。

1.3冷却塔选型

民用建筑冷却塔选型一般选超低噪音逆流冷却塔，逆流塔冷却水与空气逆流接触，热交换率高，当循环水量容积散质系数βxv相同，填料容积比横流式要少约20%-30%，对于大流量的循环系统，可以采用横流塔，横流塔高度比逆流塔低，结构稳定性好，有利于建筑物立面布置和外观要求。

冷却塔选型时应考虑一定余地，我们在工程设计时，一般按制冷机样本所提供的冷却循环水量的110%-115%进行选型。防止由于环境，管道结垢等原因影响冷却水系统的效率。

2循环冷却水处理

冷却水的处理方法可分为化学法和物理法。

2.1化学法。目前，大型冷却水系统多采用化学方法，为此必须在冷却水中加入阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂及其配套的清洗剂等，从而形成了冷却水的全套水处理技术。可供设计大型空调冷却水处理的参考。由于阻垢可保证传热效果（节能），级蚀剂、杀菌灭藻剂可减少设备腐蚀，延长设备寿命均属正效益，所以被世人所关注。

2.2物理方法：是近几年开始普遍广泛使用的一种方法，该方法运行费用低、使用方便、易于控制、无污染是一种比较理想的水处理方法，实际上国外早在60年代便把注意力由化学方法转移到物理方的开发上来。目前，应用的物理方法有磁力法、电解法、超声法、静电法等。

电解法能抑制水垢的附着，但是除垢不彻底，且具有电解孔蚀的危险 ；早期应用的磁力法稳定性比较差，长时间使用不能控制积垢，必须定期清扫积聚在控制器中的氧化铁；而静电法则克服了上述诸方法的缺点，并且，除了防垢和溶垢外，还有显著的杀菌灭藻的效能。但是静电法和电子水处理法缓蚀作用较专用的化学缓蚀略低，在一般空调冷却水系统内可不考虑采用其它缓蚀方法。而在一些对缓蚀要求较高的系统最好同时适量添加一些缓蚀剂，可获得更好效果。

3冷却水系统的管道布置

冷却水系统的管道布置虽然比较简单，但如果考虑不周，也会出现一些问题。由于循环冷却水系统是开式系统，如果冷却塔集水盘容积小或冷却塔距水泵距离太远及并联运行的冷却塔出水管阻力平衡严重失调，就会使空气混入水中，进入水泵并压入管道中，引起严重的水锤致使水泵出水管及其管件损坏。所以，冷却水系统应注意下列几个问题：

3.1冷却塔并联使用时管道阻力平衡，冷却塔与泵的距离不能太远；泵应布置在冷水机组的前边（即将冷却水压入冷水机组中）；并且，泵应作成自灌式；避免泵的吸水管上下翻弯。另外，冷却泵、冷水机组、冷却塔宜做成一一对应，以便于调节和流量平衡，如果不能实现上述控制时，应采用自动控制系统，冷却塔的进出口处均应设电磁阀，且应同步开、关。或在每台冷却塔的进、出水管上设置平衡阀以保证每台冷却塔的进水量满足其额定流量。为提高吸水管的集水量，设计吸水管时可适当加大吸水管的管径。

3.2选择冷却塔时首先应注意产品样本给出的性能参数与该产品实际性能的差距。其中包括产品样本的不实及工程建设地点的气象条件与产品标定性能的测试条件不同等因素。要按照工程地点的气象条件进行校核。并应根据该产品的工程应用经验采取相应的调整措施。有时不得不采用较大的裕量系数。

3.3冷却塔一般安装在高层建筑的裙房屋面。因距离主楼较近，所以尚应考虑冷却塔的吸风距离、防火、噪声、漂雾等问题。

3.4选择冷却水泵时要根据冷却水系统的循环阻力，输水高差及自由水头决定，不宜富裕过多。水泵的流量应按校核后的冷水温差决定。多台泵并联工作时要按并联曲线进行计算和校核。不能盲目地按台数进行水量叠加。

3.5关于冷却水系统的集水池，以往在设计冷却水设备时，其集水池的容积大多按冷却水量的10%设置（见空调制冷手册）。这一要求在选用集水型冷却塔时已不适用。集水型冷却塔带有自身的集水箱，其容量较小，但实际证明亦能满足冷却水泵工作的需要。目前的空调冷却水系统，白于受建筑条件的限制，多数无法设置大型、符合10%冷却水要求的集水他。所以，依靠冷却塔本身的集水箱并做好水位保持及补水即可。有关资料推荐，集水箱的容积一般为冷却水量的2%一3%，建筑条件许可增设水池，其容量也不宜过大，不需要按冷却水量的10%设置。只要能容纳冷却水系统的水量，能够保证冷却水泵正常起动和工作即可。

4结束语

透过分析我们知道，冷却循环水系统运行使用的关键在于正确选择设计参数，必要的水处理措施以及系统管道布置的是否合理，使之节能，高效地行，满足现代建筑功能的需求。

参考文献：建筑学生联盟&Z8\ T e f3g Z

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0 引言

在钢铁行业中，为了保证炼铁、炼钢、轧钢各种设备的正常运行，工业循环冷却水系统中的供水温度就需有效的控制，其中各种形式冷却塔是通常采用的冷却设备之一。通常冷却塔的冷却效果主要由气水比来决定，同等质量流量的热水用同等质量流量的空气进行热交换实现冷却塔的降温目的，一般常用电机驱动风机获取空气。但随着钢铁行业节能降耗需求的日益突出及环保要求，冷却塔的技术改造就慢慢凸现出来，如果冷却塔改用水轮机来驱动，那么水轮机的轴功率与电机功率相同即可实现。水动风机冷却塔是利用水轮机代替传统风机电机作为冷却塔风机的动力源，使风机由电力驱动变为水力驱动，达到节能环保的目的，而水动风机冷却塔的结构、外形、尺寸、冷却原理基本都不需改变。

1 水动风机冷却塔工作原理

通常普遍使用的电机驱动风机冷却塔原理是：用电动机通过联轴器、传动轴、减速器来驱动冷却塔的风机，风机的抽风使进入冷却塔的水流快速散热冷却，然后又由水泵加压将水流输送到需要用水冷却的设备使用后再引入冷却塔冷却，达到冷却水循环使用。而水动风机冷却塔是需要用水冷却的设备使用后先引入水轮机，水轮机驱动冷却塔的风机抽风使循环冷却水快速散热，水轮机利用冷却塔上塔水流的富余的综合能量进行工作。通常工业循环冷却水在热交换设备和冷却塔之间的循环是通过水泵来驱动的，各循环水系统中的工艺需求水量很难被精确的计算出来，在计算系统水流量时，考虑安全生产及各个方面的因素，都会在满足系统需求水量的基础上增加10%-20%的余量来确定水泵的流量；同时在整个循环水系统中，每段管道、弯头都有一定的阻力，冷却塔的位置高低、换热部件的阻力及压力都会在系统中产生阻力，这些阻力也不能很精确的计算出来，一般计算的阻力值只是一个大概的数据，根据这个数值在选择水泵的扬程时，就在克服所计算出的阻力数值的基础上一般增加10%-20%的余量来选型。因此，整个工业循环冷却水系统中水泵的水量、扬程是富裕的。水动风机冷却塔水轮机就是充分利用这些富余的综合能量来驱动风机的转动。

2 水动风机冷却塔结构

2.1 水动风机冷却塔大体结构

水动风机冷却塔与传统的电机驱动风机冷却塔相比，两者冷却塔结构大体相似，水动风机冷却塔上部为风筒下部为塔体玻璃钢挡水板，内部结构从下到上依次是：填料、布水管、收水器、水轮机基座、水轮机进出水管、水轮机、风机等。

2.2 水轮机的结构及特点

水轮机是由蜗壳、座环、转轮、轴、轴承、尾水管、注油管路、刹车装置、监控装置等构成。蜗壳形如蜗牛的外壳，具有减缩的断面，可以保证水流均匀地进入水轮机，座环除了支撑水轮机的有关部件外还起到调节水流方向的作用，水轮机的转轮是水能转变为旋转机械能的主要部件，做功后的水流经尾水管进入布水器。水轮机具有以下的特点：（1）刹车装置（1000T以上选配用）。水动风机冷却塔在停运时，外界空气密度高而塔内湿热空气密度低，塔内、塔外产生压力差，使风机叶片在压力差作用下继续旋转给进塔检修带来安全隐患，故设计有叶片停转的刹车装置。（2）独特的注油装置。具有两个独立的轴承室和独立的注油管路保证水轮机的稳定运行。（3）全方位的监控装置（选配用）。具有叶片转速监控、震动监控、水温监控及压力监控保证循环水系统的工艺需求。（4）独有的尾水管设计。保证水轮机发挥最大效率。

3 工业循环冷却水系统水动风机冷却塔应用改造

3.1 改造工程概况

新疆八钢冷轧彩涂循环冷却水系统冷却塔为方型逆流式冷却塔，公司本着节能降耗、降低生产成本的原则，拟对原有的彩涂净环水冷却塔进行节电改造，原先彩涂净环水系统设施参数：

3.1.1 冷却塔部分（表1）

3.1.2 水泵部分（表2）

彩涂净循环冷却水系统冷却塔风机可进行改造，经研究决定在原来基础上用水轮机替代电机和减速机，只需在原有管路上引出一条旁路接到水轮机，再将水轮机的尾水管连接布水器的原有管路即可，无需改动填料和布水系统，改造工作量较小（图1），易实施。

图1 冷却塔改造前后对比图

3.2 改造后水动风机冷却塔的运行情况

通过对八钢冷轧彩涂循环冷却水系统冷却塔改造后的运行状况来看，改造后的水动风机冷却塔经过与原先传统冷却塔对比基本原先进水管是在上升至布水器高度后与布水器接通实现布水的，而改造后进水管将上升至原电机所处高度位置经风筒进入冷却塔与水轮机接通，此与布水器将有2～4m的落差距离，其势能所形成的压力将进一步增强了布水器喷头布水的效果，使彩涂循环冷却水降温效果提高；改造后的风机的转速是随着循环水量的变化而变化的，减少了因水量减小而风量过大造成的飘水损失，极大的减少了工业新水的补水量；根据新疆的气候情况，冬天的冷却塔风机有时是需要停转的，依靠寒冷的空气实现自然温降，如果风机开，则会产生很严重的结冰现象，改造后的水动风机冷却塔，通过上水管路所设的旁路及控制阀门的开度来调整实现防冻保温：（1）水轮机不供水，水轮机依靠风机旋转的惯性完全可以把水轮机内的水分排干，通过旁路直接供水到布水器布水；（2）水轮机供一点水，维持风机能够旋转即可，主要通过旁路供水到布水器，冬季防冻保温措施简单便捷，节约了较多的保温防冻材料。

4 结语

水动风机冷却塔的应用前景较好，在节能降耗、降低生产成本的大环境下，不论是改造也好，新建工程也好，冷却塔节电改造的优势在于：（1）节能节水：无电机和电控设备，节电显著；飘水损失大为降低，减少补水；（2）环保：无电机和减速箱，大大降低冷却塔震动和噪声，减少对环境的污染；（3）经济：取消电机、减速箱、传动装置及配电装置等，免除日常维护保养费用；（4）安全稳定：无任何电气设备，杜绝了漏电现象，事故源减少，故障率大为降低；（5）冷效：风量随水量增减，保持冷却塔的气水比在最佳状态，冷却效果好；（6）通用：凡是使用传统冷却塔的场合，均可采用水轮机冷却塔，进行节电改造。

【参考文献】

[1]张飞狂.冷却塔水轮机[P].中国专利：专利ZL02216-112.X，2003-01-08.

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大型空分设备用户是能源消耗大户，蕴藏着巨大的节能潜力，其主要关键设备的节能技术已不断取得发展，而循环冷却水系统的节能优化，空分行业对此研究较少。近年来，杭氧对空分项目的循环冷却水系统的节能从理论到实践进行了全面、系统的研究，认为空分项目的循环冷却水泵的扬程余量太大（大部分扬程为45～60m，而实际只需30～35m），余量达到29%～71%，因此仅合理配置水泵扬程，平均就有30%左右的节能空间；同时，由于冷却水流量安全系数重复考虑，造成确定的水泵流量不合理，虽然换热设备冷却水供、回水温差设计值为8～10℃，但实际运行时温差大多为4～6℃，有的更小。尽管有些企业已经实施了一些节能改造，但大多从表象出发，没有抓住本质，盲目性大，因而节能不彻底，效果欠佳。空分项目的循环冷却水系统庞大，其节能空间相当可观。循环冷却水系统的节能工作，需要创新设计，只有在正确、系统的理论指导下，从设计源头入手，才能少走弯路。

1传统循环冷却水系统设计和运行中存在的问题

1.1盲目选择水泵扬程。长期以来，空分行业以产品技术附件中的“供水压力0.4MPa，回水压力0.25MPa”等内容为依据来确定循环冷却水泵的扬程，大部分选45～60m。理论上，这个做法是一大误区，水泵扬程的确定应根据流体力学基本原理对具体的工程进行详细水力分析计算后确定。实际上，这样确定的水泵扬程余量太大，表现为：如果所配电机功率比较小，则管路上的阀门就不能完全打开（一般只能开30%），需要人为增加阻力损失才能安全运行；如果所配电机功率比较大，水泵就会在超大流量工况下运行，不仅水泵效率低，而且易产生叶轮汽蚀、噪声大、振动大等不利安全运行的问题，同时，如果超额的流量对传热影响不大，本身就是浪费。总之，盲目确定水泵扬程，既浪费投资又使运行能耗增高。1.2缺少必要的水力分析计算。除了水泵扬程的选择缺少必要的水力分析计算外，各换热设备支路也没有经过水力平衡分析设计，阻力损失小的支路实际流量大大超过设计流量，造成流量浪费；阻力损失大的支路实际流量小于设计流量，造成冷却效果不理想，这时只能通过关小阻力损失小的支路上的阀门，提高整个系统的阻力，来调节流量平衡。如果某个支路的阻力损失特别大，这种做法就更不合理。而且，如果没有经过必要的水力分析计算，循环冷却水供水干管在空冷塔位置的压力就没有数据，空冷塔常温水泵和冷却水泵的扬程确定必然盲目，要么过高，要么过低。如果循环冷却水系统变流量运行，更会出现这种情况。1.3不恰当地应用变频调速技术。先盲目增加水泵扬程或流量的余量，再增设变频调速装置，将扬程或流量降下来。这种做法不可取：不仅要增加一大笔投资，而且水泵不可能在高效区工作，变频系统本身也有一定的能量损失，附属装置增加，故障率和维修量均增大。应用变频调速技术的目的是在变工况时调节流量。一台工频泵和一台变频泵联合工作，当变频泵改变流量时，工频泵的流量朝与其相反的方向改变，不能充分发挥变频调速的作用。同时变频泵不可能频率降得很低，否则，变频泵提供的压力比工频泵的低得多，变频泵就泵送不了水。1.4对变频调速系统盲目采用压力自动控制。在市政供水和采暖空调供水系统中，当流量改变时常采用压力自动控制方式，有其具体原因。而盲目地将这种压力自动控制方式应用到空分项目，就会人为增加系统阻力，不利节能。1.5为达到运行工艺要求人为增大阻力损失。受产品技术附件中“供水压力0.45MPa，回水压力0.25MPa”等内容的影响，很多用户都认为“只要压力上去就好”“只要水回得去就好”，一旦回水压力低，水回不去，就去关小回水管阀门。这是运行中的一大误区。循环水泵供水的目的是供给换热设备冷却水流量而不是压力，应该是流量达到要求就好。对一个水力性能可调系统，流量与压力没有直接关系，而换热设备进、出口压差与该设备的流量有直接对应关系（换热设备水力性能已固定），设计和运行时希望系统阀门全开，各点的压力最低，而流量恰好满足要求。1.6不合理确定水泵流量。确定水泵流量的各环节都考虑安全系数，造成重复考虑；工程设计时没有确切的换热设备水流量作为依据，更没有相应的水阻力损失可参考，得出的总流量是个大概数，因此多数情况下所配水泵流量远大于换热设备的设计流量，水泵扬程偏高使实际运行流量进一步增大。实际运行中又认为流量大总是好的，流量大可以使压缩机级间冷却器的空气温度降得更低，可以降低压缩机的功耗。这些都造成水泵流量确定不合理，使大流量、小温差运行成为一种习惯。1.7通过关小水泵进水管阀门来调节水流量。大流量运行对水泵节能和运行不利，所以有的企业采用关小水泵进水管阀门的办法。这种方法操作快，节能效果明显。但是，增加水泵进水管阻力，很容易使叶轮汽蚀，进而使水泵运行效率降低、振动大、噪声大等。1.8不考虑实际湿球温度，冷却塔出水温度一律定为32℃如青海省西宁市的夏季空气调节室外计算湿球温度只有16.6℃，而冷却塔的进、出水温度依然设定为42、32℃。本来可以充分利用气候条件，有效降低压缩机能耗，却被不合理的设计人为抹杀。

2通过创新设计实现先天节能

循环冷却水系统节能改造已形成一个产业，改造规模大且节能效果明显。空分行业传统地以“供水压力0.4MPa，回水压力0.25MPa”、《氧气站设计规范》（GB50030—2013）标准要求压缩机等设备用冷却水水压宜为0.15～0.50MPa等为依据确定循环水泵扬程，已不能适应节能减排、企业增收节支的需要，设计方法要创新。2.1合理确定水泵流量。首先要合理确定设计工况时的冷却水流量，即夏季装置满负荷运行时所需冷却水流量。冷却水流量大小影响水泵与压缩机、汽轮机的综合能耗，冷却水流量大，对降低压缩机、汽轮机能耗有利，而对降低水泵能耗不利；反之，则对降低压缩机、汽轮机能耗不利，而对降低水泵能耗有利。因此，需要确定一个使压缩机、汽轮机能耗与水泵能耗之和最小的合理流量。根据传热学传热系数公式可以看出，在放热侧的传热系数一定的情况下，在水流速比较小时，换热器的总传热系数随水流速增大明显增大，但当水流速增大到一定程度以后，传热系数就基本不变。因此，流量大到一定程度后，再增大流量，只会增加水泵能耗，不会降低压缩机、汽轮机能耗，这部分流量完全浪费。而处于对总传热系数有影响的流量范围，杭州杭氧制氧机研究所有限公司已有初步研究结论：加大流量后，水泵增加的能耗比压缩机减少的能耗多；并建议供、回水温差在8～10℃运行比较合理，水泵流量安全系数的选择由工程设计统一考虑，其他环节不考虑。2.2科学确定水泵扬程。在合理确定水泵流量的基础上，科学确定水泵扬程。即先合理布置总图，综合考虑投资与运行费用、操作与维修便利性等因素，合理设计管路系统，经反复验算，力求各环路水力平衡、总体阻力损失最小。再计算最不利环路所有局部、沿程阻力损失和净扬水高度（循环水池液面至冷却塔喷头的高度差），作为确定水泵扬程的依据（对个别阻力特别大的换热设备支路要单独考虑增压）；并根据伯努利能量方程计算出供水干管在水冷塔、空冷塔位置的压力，作为空冷塔选取增压泵和判断水冷塔能否直接供水的依据。由上述2点可以确定系统基本水泵的配置，这是最根本的。之后，在固定工况下，系统运行时一次性调节好支管流量平衡阀门，其他阀全开，流量恰好满足要求，系统阻力处于最小状态，平时不用调节阀门、关注压力，操作简化。2.3合理采用变工况时的流量调节措施。循环冷却水系统管道按设计工况即最大流量设计，在科学确定基本水泵配置的基础上，在生产负荷变小或冬季环境温度降低需要降低流量时，要充分利用流体力学原理：“对已定型的系统，流量与水泵功率接近成三次方关系”，水泵功率随流量快速下降，可以在减小流量时取得更可观的节能效果。应根据具体条件采用恰当的辅助手段，如更换叶轮、大小泵搭配（小泵扬程也小）、改变运行台数、双速电机、变频调速、永磁耦合调速和大型水泵采用汽轮机拖动等来减小供给流量，实现变工况时的流量调节。变频调速应用在需要经常频繁调节流量的场合最合适。如果采用变频器调速，建议最好采用所有工作泵同时变频，增加的投资与减少的能耗成本相比微不足道。变频器的调节，在不低于最小流量的前提下，通过观察工艺冷却效果，采用人工调节就可以。设计和运行时要尽可能使阀门全开，尽可能减小系统阻力损失，使流量减小时压力自然降低。2.4合理确定冷却塔出水温度。在不超出常规冷却塔投资的前提下，对夏季湿球温度低的地区，充分利用环境温度优势，降低冷却塔设计出水温度（如西宁市可设定为22℃），很小的代价（冷却塔投资没有节省）就可取得降低压缩机能耗的大效果。2.5选用高效节能型设备和阀门。选用高效节能型水泵固然重要，但工程设计时要保证所选水泵能在高效区运行。如果所选水泵性能与实际装置管路水力性能偏差太大，即使所选水泵效率很高，实际运行时效率也会很低。选择传热系数大、阻力损失小的换热设备和止回阀等，对空分项目循环冷却水系统的节能同样十分重要。

3对已建项目进行节能改造

从长期运行考虑，对已建项目进行节能改造的原则同样遵循新项目设计的思路。对于已经投入运行的循环冷却水系统，都可以通过调整管路上阀门的开度直接读出压力，经过简单计算，就可以确定系统在设计流量下实际所需扬程。如果能根据每个换热设备在设计流量下的阻力进行水力分析计算，进一步验证所测扬程是否可靠，可靠性就更高。3.1对基本配置水泵的改造。基本配置水泵的本质问题是扬程过高、流量偏大，为尽可能一劳永逸、一劳永利，改造方案首选是更换叶轮。如果原叶轮在该型号水泵中属没切割过或切割很少，应首先考虑原型叶轮切割，或者选用改型叶轮。这是最经济、最方便的改造措施。其次，更换泵头，改造内容稍多，需更换水泵进、出口短接头，地脚螺栓孔有时也要调整，投资成本稍高。最后才是更换水泵，工作量大，投资成本最高。3.2变流量时的辅助手段改造。在对基本配置水泵进行改造的基础上，如果要根据生产负荷变小或冬季环境温度降低来减小供给流量，同样可以根据具体条件采用恰当的辅助手段，如更换叶轮、大小泵搭配、改变运行台数、采用双速电机、变频调速等。

4实施节能技术后的经济效益

采用节能技术后，新建项目如不设变频调速装置，投资成本有所降低；对已建项目进行改造，即使更换新泵，半年内也可收回投资成本。因此，其投资成本基本可以忽略。据气体分离设备行业统计，截至2016年，我国深泠分离法制空分设备的总规模在3300万m3/h左右，循环水用电功率估计在100万kW左右。根据调查研究分析，如果合理配置水泵扬程，约有30%的节能空间，每年可节电约57.6亿kW•h；而且，空分设备每年以数百万m3/h的规模增加（2014年新增292万m3/h），节能空间非常大。

5建议

5.1明确换热设备的水流阻力损失值。换热设备的水流阻力损失是换热设备的一个重要技术性能参数，不可缺少，它不仅用于工程设计时确定系统总阻力，而且在进行各支路水力平衡、优化供水方案时也不可缺少（对某个阻力损失特别大的换热设备，而流量又占总流量的小部分时，可考虑局部增压）。5.2完善空分设备技术附件的相关内容。如果空分设备由专用的循环冷却水系统独立供水，空分设备技术附件中“供水压力0.4MPa，回水压力0.25MPa”的内容容易造成设计和运行的误区。如果空分设备由大厂的循环冷却水系统集中供水，在每个装置点确实需要提供供水干管的供水压力和回水干管的回水压力，以便合理配置装置内循环水管道。但这两个值不事先规定，而是在对各用水装置水流阻力损失预估的基础上，对整个循环冷却水系统进行合理设计，根据伯努利能量方程计算得到，不同的位置一般不一样。标准GB50030—2013规定的“压缩机等设备用冷却水水压宜为0.15～0.50MPa”的规定不科学。建议标准修订时完善，更好地发挥标准对循环冷却水系统精细化设计、节能减排的指导作用。

6有待进一步研究的问题

6.1开展流量对综合能耗影响的研究。进入冷却器或冷凝器的冷却水流速不同对总传热系数影响不一样，在水流速比较小时，随水流速增大，总传热系数会明显增大；但当水流速增大到一定程度后，传热系数就基本不变。为了合理确定冷却水流量，需要综合水力学（水系统设计）、传热学（换热器设计）、热力学（压缩机、汽轮机运行能耗）3个方面的专业技术，进一步研究在什么流速下水泵、压缩机和汽轮机的能耗之和为最小，什么流速开始对总传热系数没有影响。进一步研究变工况时，合理流量的确定、调节手段的优化。6.2研究优化水泵出口阀门的设置。目前多数设计在水泵出口管路设置止回阀，阻力损失很大，能耗损失可观。需要进一步明确各种止回阀的阻力特性。期盼有真正低阻力的止回阀产品，或者不设置止回阀，仅设置1只因事故停运泵时能自动关闭的蝶阀。

7结论

针对传统的空分设备循环冷却水系统设计和运行中存在的主要问题，创新设计方法，正确运用流体力学基本原理，结合空分工程的具体特点，抓住关键，从设计源头入手，合理确定水泵流量，科学计算水泵扬程，不仅可以大幅度降低空分项目循环冷却水系统的运行能耗，还可以降低投资成本。对已建项目的改造，具体情况不同会产生多少不等的费用，但这些投资相对节省的运行费用微不足道，因此，需要改变管理观念，该更换的应及时更换。发展节能技术是一项增收节支的有效措施，应积极组织实施空分项目循环冷却水系统节能改造，大幅度降低运行成本，提高企业效益。

参考文献：

[1]陈剑荣．空分设备循环水系统精细化设计探讨[M]//边勤．深冷技术：开发研制．杭州：杭州出版社，2015：21-23．

[2]姜乃昌．水泵及水泵站[M]．4版．北京：中国建筑工业出版社，1998．

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中图分类号：TQ085.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0125-02

1 引言

化工、电力等行业涉及的水换热装置种类多，数量大，为了有效节约水资源，普遍采用循环水作为热交换介质。在工业循环水系统的设计过程中，贯彻节能措施，开展节能设计，降低循环水系统的电耗、水耗，将有利于控制整个系统的能耗，对于节能减排具有积极的意义，但是对于成型已经使用的的循环水系统，节能改造限制较多。在循环水的使用过程中，往往发生系统腐蚀、结垢情况，此外由于长期循环使用，如控制不当，生物粘泥衍生、菌藻类滋生过多，还易造成换热器堵塞，恶化水质，长期运行下，缩短设备使用寿命，影响正常生产。为减少此类危害，使系统安全可靠地运行，国内外采取投加缓蚀阻垢剂及杀菌处理方式，防止运行中出现的系统腐蚀、结垢情况。本文根据某循环冷却水系统的现有工况，探讨在不改变工艺运行的情况下，应采取的管理态度及探索合理的运行控制方式，以及出现特殊情况时的应对措施。

2 参照系统概况

循环水系统为敞开式，设计循环水量20000m3/h。循环水设计给水压力≥0.4MPa、温度32℃，回水压力≥0.2MPa、温度42℃。

循环水处理工艺操作控制，根据循环水水质标准、补充水水质指标、浓缩倍数、热交换设备对污垢热阻值和腐蚀率的要求，保证水质符合要求，满足生产用水需要，同时还要考虑到保护环境、节约用水用电、效益最大化。

2.1 循环水系统装置关系

循环冷却水系统划分为1个主流程和旁路水处理系统、加药系统、杀菌处理、监测换热系统共4个相关系统，4个相关系统即为循环冷却水处理内容。参见图1。

2.2 循环水系统主流程

原水由原水或煤矸水给水管道进入吸水池，通过循环水泵加压后进入循环冷却给水管道，供应工艺装置区冷却用水。循环冷却回水通过循环水回水管道大部分上冷却塔均匀分布于填料层，在填料中自上而下经过空气冷却降温约10℃后汇集塔底集水池，另一路经旁滤器处理后回流到吸水池，再经循环水泵送往用户，如此不断循环。

由于循环水系统本身的排污、蒸发、风吹、渗漏损失，由原水或煤矸水进行补充。保证吸水池液位正常。

为了保证冷却水水质稳定，减轻循环水系统热交换设备的结垢与腐蚀，循环水系统设置了投加缓蚀阻垢剂装置，向循环水中连续投加缓蚀阻垢剂。为了防止循环水系统菌藻类的滋生，对循环水每天投加氧化性杀菌剂，定期投加非氧化性杀菌剂，两者交替使用。

为减少水资源的浪费，系统采用循环水排污作为二次水再利用，循环水排水经过二次水过滤器处理后进入二次水池，由二次水加压泵送往其它用户。

3 节能减排控制

3.1 浓缩倍数控制

浓缩倍数是循环冷却水的含盐浓度与补充水的含盐浓度之比值，是衡量水质好坏的一项重要指标。敞开式循环冷却水系统在运行过程中有蒸发、风吹、渗漏、排污四种水量损失，这四种水量损失的总和由原水补给。系统运行平衡时，补充水带入系统的盐量等于损失水量带出系统的盐量，蒸发损失并不带走盐量，即：

为了控制结垢，应使循环冷却水的碳酸盐硬度小于极限碳酸盐硬度。当补充水的含盐浓度不变，如果不加限制地降低浓缩倍数即通过增加排污水量和补充水量的方式降低循环冷却水的含盐浓度，虽然可以有效地控制结垢，但水处理药剂的效能得不到充分发挥，同时增加了原水消耗及排污量，相当于多项消耗费用同时支出，是极不经济和合理的运行方式。

浓缩倍数过高，水的结垢倾向会增大，结垢控制及腐蚀控制的难度会增加，水处理药剂在水中存留时间长会失效，不利于微生物的控制，故循环水的浓缩倍数要有一个合理的控制指标。

以循环冷却水量10000m3/h、水温差10℃为基准，在浓缩倍数为1.5～10.0的范围，分别计算系统的排污水量、补充水量，详见表1。

浓缩倍数在1.5～3.0的范围，排污水量、补充水量的减少趋势明显，而在3.0～10.0的范围则不明显。可见，适当提高浓缩倍数，可以降低排污水量、补充水量。但是，如果过高地提高浓缩倍数（≥4），不仅节水效果有限，而且使循环冷却水的硬度、碱度、氯离子（Cl-）的浓度过高，水的结垢倾向大大增加，腐蚀性大为增强，极大地提高了水质稳定处理的难度，阻垢缓蚀剂的投加量亦很大。综合考虑，浓缩倍数最合理取值在3.0左右。依据补水水质情况，选用90%以上浓度的工业硫酸作为降低浓缩倍数提高时，降低其碱度的操作方式。

这需要平时及时掌握浓缩倍数，不断调整补充水量，控制好硫酸的投加。由于旁滤器为重力无阀过滤器，可自动反洗，所以无需对循环水系统经常进行强制排污，如果工艺控制得当，可极大节约多方面消耗费用。

3.2 旁路水处理系统

循环冷却水在循环过程中，由于受到污染（如空气带入的灰尘、粉尘等悬浮固体物，换热设备的渗漏而带入的污染物如油及其它杂质）使水质不断恶化，另外，由于水质的浓缩而引起某一项或几项成份超出允许值。对循环回水分流出的旁路水进行相应处理，可以维持水质指标在允许范围之内。旁路水处理还可以适当降低对补充水水质的要求，减少排污和补充水量，从而保护环境、节约用水。旁流水处理的目的是保持循环冷却水水质，使系统在满足浓缩倍数的条件下有效、经济地运行。

本系统对于旁路水处理是利用16个重力无阀过滤器，除去水中悬浮物及个别杂质。

该过滤器在运行中虽然具有操作简单，自动反洗的优点，但运行几年后，如不经常维护，不定期强制反洗，粘泥与滤料日积月累互相包裹，当发现设备自动反洗频次增加或反洗后不能停止的状况时，再进行强制反洗已于事无补了，这时应安排检修设备，清洗滤料才能解决问题，不紧影响到循环水系统的水质，也增加了检修费用和不必要的排污损失。对此应确定强制反洗的频次，在原始开车时就应累计运行经验，并适时调整强制反洗的周期，同时及时处理设备设施暴露出的问题，保证设备设施运行良好。

3.3 加药系统

为了控制循环冷却水流经的管道、换热设备的结垢、腐蚀，应对循环冷却水投加阻垢缓蚀剂。

为了保证循环水系统控制指标值稳定，系统采用计量泵连续投加的方式，只需调整计量泵冲程控制加药量，药剂加入到集水池底。

系统运行过程中的风吹损失、排污损失均会带走部分药剂，而进入系统的补充水不含药剂。因此，应不断向循环冷却水中投加药剂，使药剂浓度相对恒定。由于阻垢缓蚀剂黏度大，需要对其用水稀释，浓度过大，极易造成水质指标上下浮动大，浓度过小，紧急情况下不能满足水质指标控制要求。总之，水质指标不管发生什么形式的变化，药剂的消耗量都会增加，维持指标稳定，不仅要保证水量平衡，还要保证药剂投加量稳定。在长期的运行中，总结出的药剂浓度稀释比，不能随意更改，以免造成工艺控制指标不稳，不仅增加了人员操作频次，增加药剂消耗量，还会影响到生产系统换热设备安全稳定运行。这需要我们的操作人员做到精心操作，关注水质控制指标的变化情况，适当调整，力使各方面工作协调平衡。

为阻挡大体积的杂质吸入循环水泵，影响循环水泵的安全运行，堵塞换热设备，集水池与吸水池之间设立了隔网，当杂物多到一定程度阻挡水流，集水池的水将不能顺利流入吸水池，一方面使格网两面水位落差大，给人以吸水池液位低，需增加补水量的假象，另一方面，当落差达到极限时，水将由吸水池溢流口流出，加入集水池的药剂还未进入吸水池进行循环就已从溢流口排出。所以应定时观测隔栅两面水位落差，及时清理第一道隔网，减少药剂浪费和原水消耗。

同时还应观察格网上杂质的成分，追踪杂质的来源。如果都是藻类成片脱落造成，就应当适当增加杀菌剂投加量，抑制藻类滋生带来类似问题。其次是周围环境的影响，保持环境清洁，以免大风将质量轻的物品吹到水池内。因为人为因素和设计问题造成的，如周围种植阔叶型树木，大风将树叶吹落到水池内造成格网和换热设备堵塞，应及时将树木更替为针叶型数目，例如松树，不仅美化环境，还不会对循环水系统造成影响。填料破碎成片脱落造成格网堵塞，应及时检查冷却塔填料损失情况，进行修补，保证冷却塔换热效率。

3.4 杀菌处理

控制敞开式循环冷却水系统的菌藻繁殖，是循环冷却水处理的重要内容。藻类通常在冷却塔和冷却塔集水池受阳光照射的地方大量繁殖，并附着于塔体和池壁上，干扰空气和水的流动，降低冷却效率。脱落的藻类进入管道而沉积，附着在热交换设备器壁上形成污垢，降低传热效率，增加水头损失。同时，藻类是细菌的食物，促使细菌繁殖，加剧腐蚀过程，危害很大。

用三氯异氰尿酸杀菌，能够与较多阻垢、缓蚀剂配合使用，彼此干扰少，杀菌效果好，一般采用直接投加至冷却塔集水池与吸水池之间水流速较快的过水廊道。

三氯异氰尿酸呈白色块剂，在水中逐渐溶解，将有效氯释放至水中，为连续杀菌方式，余氯量最佳控制值为0.2～1.0mg/L。余氯量小于0.2mg/L，投加量增加，操作管理困难，而且降低了杀灭菌藻的效果，这时应充分考虑两方面因素，药剂投加量少，或是由于水中还原性物质干扰，应改变使用非氧化性杀菌剂进行灭藻处理。余氯量大于0.5mg/L，虽然增加了耗氯量，却并没有明显提高杀灭菌藻的效果，而且会加剧金属点腐蚀。

所以依据质量分析的余氯值，调整三氯异氰尿酸的投加量或改变投加药剂的种类。杀菌效果的好坏直接关系到循环水在系统中的停留时间和使用效率。

3.5 系统监测

为了及时了解循环冷却水处理的水质状况和效果，设置水质监测项目，详见表2。

水质指标分析值可以间接反应已出现工艺问题或设备问题，通过它为我们指导操作，如工艺上调整供水平衡、药剂投加量平衡等，确定设备上需要检修的内容，使各指标值趋于一种平稳的状态，保证水质稳定。

为了解循环冷却水对换热设备的不良影响，检验循环冷却水处理效果，设置具有模拟功能的监测换热设备，可以在热流密度、壁温、材质、流速、流态、水温等方面进行与实际换热设备极为接近或相同的模拟。

由于循环冷却水的水质直接影响换热设备的换热效率、换热设备和管道的腐蚀，也影响系统的维修周期、能耗等诸多方面，因此，监测换热设备具有特别重要的意义。它可以直观地反映水质的实际状况，可以对循环冷却水系统的管理做到有据可查，可以迅速发现系统的异常，为及时处理赢得时间。

所以，应定期分析监测换热设备内放置的碳钢、不锈钢、铜材质挂片和换热管的腐蚀速率，观测结垢情况，准确把握循环冷却水系统的腐蚀、结垢趋势。

4 结论

综上所述，循环水的运行要达到高效运行，关键在于找出工艺运行的最佳方案，依靠人员认真务实、精心操作的工作态度，严格控制水质指标，不但能够节省水、药剂、设备检修等方面的资金费用，同时也能够节省人力，一定程度上降低了人员操作频繁而造成的事故风险率。

参考文献

[1] 金熙，项成林，齐冬子.工业水处理技术问答.北京：化学工业出版社，2003

[2] 《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050-1995.

[3] 《工业循环水冷却设计规范》GB/T50102-2003.