循環冷卻水自然通風空冷器的探討

尹繼英

摘 要：電力行業的快速發展帶動了空冷器設備的飛速發展，為了充分解決高溫干旱地區的散熱問題，一般采用空冷設備進行散熱。針對水耗大、電力消耗明顯的特點，本文主要針對循環冷卻水空冷器管束內表面污垢熱阻、自然通風的影響進行了探討，旨在為類似工程建設提供一定的理論支撐。

關鍵詞：循環冷卻水；自然通風；空冷器

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A

1.循環冷卻水水冷系統

循環冷卻水現有冷卻手段主要為冷卻塔形式。為進行對比分析，先對循環冷卻水水冷系統結構進行了初步分析。賴雪怡對密閉式工業循環冷卻水系統進行了分析，指出密閉式循環冷卻水特點：與外界隔絕，避免了風沙、微生物等外界因素對水系統的污染，維護成本低。密閉式循環冷卻水優點較多，具體分析如下：冷卻介質為軟水，該介質能有效降低設備表面的結垢現象；閉式冷卻塔將水的蒸發與空氣冷卻、傳熱與傳質過程融為一體，在北方的冬季，可停開部分噴淋水。缺點體現在：閉式所以換熱有局限性，如噴淋水到達分配管的噴嘴位置需要上升一定距離，無法避免存在能耗狀況；此外，噴淋水和空氣接觸面積大，含鹽量相對較高，水分蒸發后濃縮比例增加，會對設備表面產生一定的腐蝕作用。

針對閉式冷卻塔不足，本文采用空冷代替水冷，以上下帶有管箱的單排螺紋管鋼管代替圖1中的橢球形換熱管。這一改進一方面節省了大量的噴淋水，更大的益處是空氣冷卻可以有效避免管束外表面腐蝕，從而明顯的提高傳熱系數。

2.循環冷卻水空冷系統

2.1管束內表面污垢與腐蝕概述

冷卻水循環過程中受到外界干擾多，如水中離子富集、厭氧微生物、電化學反應多種原因，在設備表面會形成污垢，甚至腐蝕設備表面，由于雜物堆積、管道會形成輕微堵塞，減低循環水的水質，具體分析如下：（a）水質的影響：包括酸堿性、硬度等。（b）操作條件方面，考慮到冷卻水流速、溫度等參數，需要進行實驗分析核查其是否存在腐蝕危害。（c）微生物的影響。

2.2 運行條件的討論

2.2.1 流速影響

本文討論流速為管道內部介質水的流速。流速需要維持在一定范圍內，過高過低均會產生危害。流速過低，又會使傳熱效率降低和出現沉積導致結垢。在GB50050-2007《工業循環冷卻水處理設計規范》中規定，管程流速0.9m/s作為下限。在實際運用中，常采用1.2m/s～1.5m/s作為設計流速。

從流體動力學角度出發，水流速越大，雷諾數越大，湍流程度越加明顯，即增加了流體在管壁位置的剪切作用力，管壁污垢較容易發生脫落；同時，雷諾數越大，湍流程度越高，可降低邊界層厚度，實現較小的傳熱熱阻。上述兩方面原因使得流速越大、污垢熱阻越小，對應換熱系數K增加。但是需要引起注意的是，流速增加后，dRf/du變小，Rf下降速度變小。若此時繼續增加雷諾系數，會導致泵功耗大幅增加，而污垢熱阻脫離速度變慢。可見流速需要控制在一定范圍內，綜合泵功耗、污垢熱阻兩方面選擇最佳流速。

最佳流速處于研究階段，并無具體數值，劉金平等人研究結果表明：首先，流速對管內部污垢熱阻具有一定影響，速度過低、污垢熱阻數值偏大；其次，冷卻水中如果不含有污垢熱阻，在流速低于0.5m/s狀況下，仍然會產生微粒污垢熱阻。泥沙濃度在0.5 kg/m3-2.0kg/m3范圍內時，顆粒對熱阻的影響相對較小，可忽略；再者，夏季溫度過高狀況下，發電機組負荷高，同時冷卻水溫度偏高，極易形成水中微生物大量繁殖的狀況，對污垢熱阻數值具有一定影響。因此發電機組在凝汽器側污垢熱阻檢測中，需要加強對微生物的研究、監測和管理。

2.2.2 溫度的影響

循環冷卻水中，溫度是關鍵參數，為了保證冷卻水的溫度滿足工藝操作要求需要及時進行溫度監測。天然氣處理廠中，供水溫度為32℃、回水溫度一般為40℃，屬于中等溫差降范圍。該狀況下，系統腐蝕狀況會隨溫度升高而增加。為了避免腐蝕問題，可借助化學處理方法進行有效控制，也可針對裝置結構進行優化，避免溫降過高引發的腐蝕。

2.2.3 管束結構的優化選擇

據山東大學程林等人研究得出結論：復合強化傳熱的換熱系數的增加通常要比單獨使用其中的任何一種技術高。從程林等人的思路出發，采用不同于傳統管式傳熱元件，該結構將表現出一定的彈簧特征，激發的微小振動可以對水流產生擾動。通過這種結構有效降低污垢熱阻，使換熱器傳熱系數大幅提高。

本文初步計劃采用螺紋管鋼管（DN80-DN100 高頻焊接鋼管，片間距4mm-5mm，翅片高度12.5mm）、上下端各布置凝結水箱的單排管，空冷器管束采用斜立式布置。李蔚等人針對螺紋管內污垢熱阻進行了實驗研究，通過引入修正因子β（β=（Aw/Awp）/（Ac/Acp），Aw為潤濕面積，Ac為截面積，下標p表示光管，建立了不同結構參數螺紋管的統一結構模型。

3.環境通風對自然通風空冷器的影響

空冷機組以環境空氣而不是以水作為汽輪機排汽的冷卻介質，因此，環境變化將會顯著影響直接空冷系統的運行特性。在環境風作用下，風速和風向都會影響空冷器進口空氣流速。

本文空冷器采用塔外豎直布置的雙曲線型自然通風空冷塔，單排管管束采用斜立式，如圖2所示，外界空氣流經過管束后會被內部熱蒸汽加熱，引起密度下降，在浮升力作用下空氣會快速向上運動，形成塔體內部低壓現象?？绽淦髟趬毫Σ钭饔孟聲е驴諝馊肟诎l生較大抽吸力現象，容易及時吸收塔外部冷空氣。

張曉東等人對間冷自然通風空冷塔進行研究，如圖3所示，結果表明：第一，環境側風速度增加后，空冷器內部壓力場會發生變化。外界風速增加、塔體內部壓力下降，塔外迎風面、背風面的壓力均會增加，但是側區壓力會下降，即形成了塔外負壓區；第二，風速低于4.0m/s狀況下，負壓區壓力一般大于-20Pa，此時塔內部壓力為-80Pa，壓差不大，即暫時不會產生嚴重后果；但是風速大于8.5m/s狀況下，塔外負壓可降低至-60Pa，受空冷器兩邊過強的壓力差影響，吸收空氣能力會大幅度下降，危害度極高；第三，側風區域空氣流量會對系統產生異性影響，尤其是風速大于4.0m/s狀況下，外界環境風速增加，塔內空氣流量會大幅下降。風速不高于4.0m/s狀況下，氣流較為穩定，對空冷塔的負面影響相對較少。

結論

本文針對循環冷卻水自然通風空冷器管束內表面污垢、自然風的影響進行了探討。首先討論了運行條件對內表面污垢的影響，存在最佳流速，能滿足泵耗和污垢層兩方面因素；隨流體界面溫度Ts的升高，污垢沉積率逐漸增大，其增加幅度先大后小。

參考文獻

[1]賴雪怡.密閉式工業循環冷卻水系統設計[J].工業用水與廢水， 2011，42（3）：4-47.

[2]趙瓊.循環冷卻水系統腐蝕情況分析及藥劑控制方法[J].天然氣與石油，2010，28（2）：46-49.endprint