循環(huán)冷卻水自然通風(fēng)空冷器的探討

尹繼英

摘 要：電力行業(yè)的快速發(fā)展帶動了空冷器設(shè)備的飛速發(fā)展，為了充分解決高溫干旱地區(qū)的散熱問題，一般采用空冷設(shè)備進(jìn)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(huán)冷卻水空冷器管束內(nèi)表面污垢熱阻、自然通風(fēng)的影響進(jìn)行了探討，旨在為類似工程建設(shè)提供一定的理論支撐。

關(guān)鍵詞：循環(huán)冷卻水；自然通風(fēng)；空冷器

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.循環(huán)冷卻水水冷系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水現(xiàn)有冷卻手段主要為冷卻塔形式。為進(jìn)行對比分析，先對循環(huán)冷卻水水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步分析。賴雪怡對密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了分析，指出密閉式循環(huán)冷卻水特點：與外界隔絕，避免了風(fēng)沙、微生物等外界因素對水系統(tǒng)的污染，維護(hù)成本低。密閉式循環(huán)冷卻水優(yōu)點較多，具體分析如下：冷卻介質(zhì)為軟水，該介質(zhì)能有效降低設(shè)備表面的結(jié)垢現(xiàn)象；閉式冷卻塔將水的蒸發(fā)與空氣冷卻、傳熱與傳質(zhì)過程融為一體，在北方的冬季，可停開部分噴淋水。缺點體現(xiàn)在：閉式所以換熱有局限性，如噴淋水到達(dá)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(fā)后濃縮比例增加，會對設(shè)備表面產(chǎn)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(jìn)一方面節(jié)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(shù)。

2.循環(huán)冷卻水空冷系統(tǒng)

2.1管束內(nèi)表面污垢與腐蝕概述

冷卻水循環(huán)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(xué)反應(yīng)多種原因，在設(shè)備表面會形成污垢，甚至腐蝕設(shè)備表面，由于雜物堆積、管道會形成輕微堵塞，減低循環(huán)水的水質(zhì)，具體分析如下：（a）水質(zhì)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(shù)，需要進(jìn)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(nèi)部介質(zhì)水的流速。流速需要維持在一定范圍內(nèi)，過高過低均會產(chǎn)生危害。流速過低，又會使傳熱效率降低和出現(xiàn)沉積導(dǎo)致結(jié)垢。在GB50050-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》中規(guī)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(shè)計流速。

從流體動力學(xué)角度出發(fā)，水流速越大，雷諾數(shù)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(fā)生脫落；同時，雷諾數(shù)越大，湍流程度越高，可降低邊界層厚度，實現(xiàn)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(yīng)換熱系數(shù)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(xù)增加雷諾系數(shù)，會導(dǎo)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(nèi)，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(shù)值，劉金平等人研究結(jié)果表明：首先，流速對管內(nèi)部污垢熱阻具有一定影響，速度過低、污垢熱阻數(shù)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(chǎn)生微粒污垢熱阻。泥沙濃度在0.5 kg/m3-2.0kg/m3范圍內(nèi)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(fā)電機(jī)組負(fù)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(shù)值具有一定影響。因此發(fā)電機(jī)組在凝汽器側(cè)污垢熱阻檢測中，需要加強(qiáng)對微生物的研究、監(jiān)測和管理。

2.2.2 溫度的影響

循環(huán)冷卻水中，溫度是關(guān)鍵參數(shù)，為了保證冷卻水的溫度滿足工藝操作要求需要及時進(jìn)行溫度監(jiān)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(tǒng)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(xué)處理方法進(jìn)行有效控制，也可針對裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免溫降過高引發(fā)的腐蝕。

2.2.3 管束結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇

據(jù)山東大學(xué)程林等人研究得出結(jié)論：復(fù)合強(qiáng)化傳熱的換熱系數(shù)的增加通常要比單獨使用其中的任何一種技術(shù)高。從程林等人的思路出發(fā)，采用不同于傳統(tǒng)管式傳熱元件，該結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出一定的彈簧特征，激發(fā)的微小振動可以對水流產(chǎn)生擾動。通過這種結(jié)構(gòu)有效降低污垢熱阻，使換熱器傳熱系數(shù)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(jié)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(nèi)污垢熱阻進(jìn)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(biāo)p表示光管，建立了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺紋管的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)模型。

3.環(huán)境通風(fēng)對自然通風(fēng)空冷器的影響

空冷機(jī)組以環(huán)境空氣而不是以水作為汽輪機(jī)排汽的冷卻介質(zhì)，因此，環(huán)境變化將會顯著影響直接空冷系統(tǒng)的運行特性。在環(huán)境風(fēng)作用下，風(fēng)速和風(fēng)向都會影響空冷器進(jìn)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(fēng)空冷塔，單排管管束采用斜立式，如圖2所示，外界空氣流經(jīng)過管束后會被內(nèi)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(nèi)部低壓現(xiàn)象?？绽淦髟趬毫Σ钭饔孟聲?dǎo)致空氣入口發(fā)生較大抽吸力現(xiàn)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(fēng)空冷塔進(jìn)行研究，如圖3所示，結(jié)果表明：第一，環(huán)境側(cè)風(fēng)速度增加后，空冷器內(nèi)部壓力場會發(fā)生變化。外界風(fēng)速增加、塔體內(nèi)部壓力下降，塔外迎風(fēng)面、背風(fēng)面的壓力均會增加，但是側(cè)區(qū)壓力會下降，即形成了塔外負(fù)壓區(qū)；第二，風(fēng)速低于4.0m/s狀況下，負(fù)壓區(qū)壓力一般大于-20Pa，此時塔內(nèi)部壓力為-80Pa，壓差不大，即暫時不會產(chǎn)生嚴(yán)重后果；但是風(fēng)速大于8.5m/s狀況下，塔外負(fù)壓可降低至-60Pa，受空冷器兩邊過強(qiáng)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(cè)風(fēng)區(qū)域空氣流量會對系統(tǒng)產(chǎn)生異性影響，尤其是風(fēng)速大于4.0m/s狀況下，外界環(huán)境風(fēng)速增加，塔內(nèi)空氣流量會大幅下降。風(fēng)速不高于4.0m/s狀況下，氣流較為穩(wěn)定，對空冷塔的負(fù)面影響相對較少。

結(jié)論

本文針對循環(huán)冷卻水自然通風(fēng)空冷器管束內(nèi)表面污垢、自然風(fēng)的影響進(jìn)行了探討。首先討論了運行條件對內(nèi)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(xiàn)

[1]賴雪怡.密閉式工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)用水與廢水， 2011，42（3）：4-47.

[2]趙瓊.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)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