石化行业中冷却塔的选用与节能.doc

石化行业中冷却塔的选用与节能油化工技术与经济Technology&EconomicsinPetrochemicals第26卷第6期2010年l2月石化行业中冷却塔的选用与节能章立新邹艳芳(上海理工大学,200093)苏永秋(浙江金菱制冷工程有限公司,诸暨,311802)史金洋(南京大洋冷却塔股份有限公司,211302)摘要:冷却塔在化行业有着广泛的应用.文章从工程实际出发,介绍,各种冷却塔的特点及其选用原则,提出:在满足热性能要求的前提下,应尽量选用开式冷却塔,而开式冷却塔中应首选换热效率高的填料塔;对于闭式冷却塔,应首选有填料预冷却的形式,特别是考虑到冬季抗冻能力,寒冷地区应慎用横流闭式冷却塔.文章还从冷却塔组的风路控制和闭式冷却塔的节能优化设计两个方面,介绍了冷却塔的节能方法.关键词:冷却塔选型节能优化文章编号:16741099(2010)06000805中图分类号:TU991.42文献标识码:A冷却塔是利用水的蒸发吸热原理来散去工业生产或制冷空调所产生的废热以保证系统正常运行的通用设备,在石化行业中应用十分普遍.在此,根据近几年在冷却塔课题方面的产,学,研合作,产品研发以及市场推广中的经验积累,从工程实际出发,介绍石化行业中冷却塔的选用和节能的最新研究成果,并提出一些参考性的意见.1冷却塔的分类冷却塔有多种形式,按被冷却流体是否与空气接触,可分为开式冷却塔和闭式冷却塔.它们的核心结构不同,应用场合也不同,后者的技术含量更高.在开式冷却塔中,被冷却水与空气充分接触,以接触散热和蒸发散热形式达到使水冷却的目的.开式冷却塔按通风形式区分,有自然通风塔,机械通风塔,射流卷吸通风塔等;按水的分布形式区分,有填料塔和喷雾塔;按机械通风的驱动源分,又有电机驱动风机和水力驱动风机两种形式,即通常所称的机械通风冷却塔和水轮机冷却塔;按塔内气流和水流方向区分,主要有逆流和横流两种形式.闭式冷却塔,或称密闭式冷却塔,封闭式冷却塔,蒸发冷却器,其特征在于用水喷淋间壁式换热器的外壁并强制通风,换热器内被冷却流体的热量经壁面传递给壁面外的喷淋水,再通过喷淋水与空气的强制对流传递给空气,而被冷却流体则不与空气直接接触.闭式冷却塔这一名称更多地被用于被冷却流体是水的情况.当被冷却的是非水流体时,一般称作蒸发冷却器;当被冷却流体有相变时,常称作蒸发冷凝器.闭式冷却塔按气流与喷淋水的流向区分,有逆流闭式冷却塔,横流闭式冷却塔和混流闭式冷却塔;按换热机理的差异区分,有全盘管闭式冷却收稿日期:20100930作者简介:章立新,男,1964年出生,3-学硕士,副教授,上海理工大学工程热物理博士点学术骨干,金菱冷却省级高新技术企业研发中主任,近年曾获得省市级科学技术二等奖和教学成果一等奖第6期(2010)章立新等.石化行业中冷却塔的选用与节能塔和喷淋水用填料预冷却闭式冷却塔.20世纪80年代,石化行业引进并建造了一批横流式机械通风冷却塔,为满足生产装置扩容改造的需要,又于90年代引进了美国马利公司的逆流式机械通风冷却塔技术.石化行业普遍存在对冷却水的使用要求高,常有余压可利用等情况,因此近年来应用相对较多的是闭式冷却塔和水轮机冷却塔.由于石化行业所用冷却塔几乎囊括上述各种类型的冷却塔,合理选用冷却塔对于石化行业生产系统的优化和安全来说十分重要.2石化行业中冷却塔的选用原则在市场推广和学术交流中,经常会遇到这样的问题:哪一种形式和结构的冷却塔最合适?各种形式和结构的冷却塔都有其存在的合理性,选用时需要从塔的占地面积,成本,寿命及其安装和维护等多个方面加以考虑,而关键在于保证其散热能力.就热性能而言,国际上认可度最高的是获得美国冷却技术协会(CTI)测试认证的冷却塔产品.需要特别指出的是,生产商是CTI会员并不说明其产品一定具有CTI测试认证.CTI测试是根据ATC一105场地验收实验规范及闭式冷却塔试验规程(补充部分)测量大气压,环境的干湿球温度,进,出冷却塔的水温及其流量,风机功率等,并将实测风机功率和大气压与设计条件加以对比,从而对测得的流量进行修正.将修正后的流量与在测试工况下的设计流量进行对比,若修正后的流量不小于测试工况下设计流量的95%,则该冷却塔的热性能达到CTI的认证要求.另外,还需对闭式冷却塔的水泵功率,管内流阻等进行测试并与设计值进行对比,偏差应小于10%.在热性能满足使用要求的前提下如何选用冷却塔,以下4个原则可供参考.(1)具有相同冷却能力的闭式冷却塔和开式冷却塔,前者的设备费用是后者的510倍,运行费用也较高,在对被冷却水水质要求不高的情况下,应优先考虑采用开式冷却塔.就开式冷却塔而言,自然通风冷却塔初始投资大,冷幅要求较大(一般为57K),但运行管理费用低,寿命长,适用于特大型塔.对于机械通风塔,其初始投资低于自然通风塔,冷幅可较小(一般为24K),但运行管理成本相对较高.石化行业往往需要使用高压冷却水,在这种条件下,用水轮机代替电机驱动冷却塔风机,可以使生产系统中冷却水的余压得到利用,从节能角度看这种形式的冷却塔具有良好的应用前景.但在没有余压的情况下,用专用水泵升压后再用水轮机驱动风机的方式是不足取的.另外,与横流冷却塔相比,逆流冷却塔填料的容积散质因子较大,占地面积较小,排出空气的再循环率低,集水池内水温较均匀.但逆流冷却塔较高,所需给水压力较大,空气阻力也较大,能耗较高,多为大型工业塔所采用.横流塔能耗较低,布水比较均匀,维修方便,在中小型塔中的应用将日趋增加.填料塔的单位容积散热能力高于喷雾塔和射流塔,因此一般应首先考虑采用填料塔,只有在环境多灰尘容易导致填料堵塞或者被冷却水温度高至填料难以承受的情况下才考虑采用喷雾塔或射流塔.需要说明的是,射流卷吸通风塔可以取消风机,但所需喷射压力仍需额外耗能,是否节能尚待论证.(2)闭式冷却塔适用于被冷却流体不能与外界空气直接接触且进口温度低于353K左右J,喷淋水源充足而且水质良好的场合.所谓被冷却流体不能与外界空气直接接触,是指被冷却流体需要保持洁净,以免在工艺过程中受到有毒,有害物质的污染;或者存在相变,需要保持一定压力等而不能进行开放式循环的情况.采用闭式冷却塔的好处有:主设备的热阻不会因水垢,生物污泥的存在而增加;换热器流通面积减小,过滤器堵塞导致换热效率降低的风险减少,主设备的效率和使用寿命得到了提高;当室外空气湿球温度降低到某个数值以后,闭式冷却塔还可以直接供冷,即制冷机停止运行,将闭式冷却塔的冷却水直接输送到空调器中用作冷却水,从而消除空调房间的冷,湿负荷J.(3)在必须使用闭式冷却塔的情况下,当环境比较洁净且被冷却流体温度不是太高时,可以采用在换热器盘管中间加填料的方式来增强换热效果,降低设备成本.这种有填料的预冷却闭式冷却塔应该成为首选.研究表明,对于有填料的预冷却闭式冷却塔,进出换热盘管区的喷淋水温差在1K之内的情况石油化【技术与经济Technology.&EconomicsinPetrochemicals第26卷第6期2010年12月下,随着温差的增大.所需换热器盘管面积迅速减少,其减少程度同被冷却流体进出口温差与冷幅之比有关,而且所需换热器盘管面积受到流体进出口温度以及大气湿球温度共同影响,其中冷幅和湿球温度的影响较大.横流闭式冷却塔与逆流闭式冷却塔相比,前者的能耗较低,但在排尽换热器盘管内的余水方面比后者困难.在寒冷地区,当冷却塔停运时,换热器盘管内的余水结冰,容易发生冻裂.而即使盘管不冻裂但管内有冰时,水锤现象的出现也很容易导致盘管爆裂.此外,由于设计缺陷,-一些逆流闭冷却塔未将排水因素考虑在内,同样会存在上述问题,因此在选择时应予以注意.换热器的形式主要涉及管材,管径,管壁厚,管中心距,管形,换热器盘管与集水管的连接方式等方面.研究表明,在管中心距和管数相同的情况下,增大管径能够提高冷却塔的热性能;在管中心距与管径之比相同的情况下,达到相同的散热能力,采用小管径所需的盘管表面积比采用大管径的少,即在相同的空间内,采用小管径有利于提高热性能;管材导热系数和壁厚对热性能的影响总体不大,当导热系数较小时,壁厚的影响逐渐显现.由此可见,在管材和管壁厚方面,主要考虑管材与被冷却流体的相容性(即不腐蚀)和壁厚的强度,以选择最经济的材料.至于管径,管中心距,管形,主要涉及管内流体流速和气侧阻力,均与换热和能耗有关.关于换热器盘管与集水管的连接方式,各个行业有各自的习惯,比如钢铁,冶金行业多采用直管丝堵形式.在管内压力不很高(小于0.588MPa)时,出于加工,安装和维修方便考虑,采用可拆卸设计较好.另外,对于闭式冷却塔的整体结构,可采用整塔模块化设计或换热器模块化设计,实现小塔的整塔运输和大塔换热器模块的整体运输,从而方便出厂前产品的质量测试,提高产品的质量及可靠性,降低运输和安装费用.换热器盘管也可采用模块化设计,但需要充分考虑排水,放气等要素,以便于盘管的更换,维修和维护.(4)不论是开式冷却塔还是闭式冷却塔,选型时都要求整塔外观协调,美观,结构稳定.其中,结构件的抗腐蚀性,围护结构的抗老化性,噪声控制,飘水率,抗风载雪载能力等都应该达到设计要求,以有效控制震动.3石化行业中冷却塔的节能冷却塔的节能方法有很多,除前面提到的用水轮机冷却塔或者无风机的射流卷吸塔使被冷却水的余压得到外,主要还有冷却塔组风路控制节能和闭式冷却塔的节能优化设计两种方法.3.1冷却塔组的风路控制节能机械通风冷却塔常以塔组的形式使用.在实际使用中,由于负荷或气候发生变化,系统需要在部分负荷情况运行.变频调节虽然是很好的变容量调节方法,但该方法初始投资大,运行可靠性有待提高,而且旧系统改造成本大,因此一直没有得到有效推广.目前常用的方法是通过停用部分风机或停止喷淋来对在用冷却塔的台数进行调节,以降低能耗.但该方法也存在以下问题:如果保留各模块结合面之间的隔板,进入风机停用塔的冷却水就无法得到有效冷却;如果取消或者部分取消各模块结合面之间的隔板,冷却塔组会因吸人停用风机的出风口的空气而发生气流短路,甚至造成停用风机反转,影响机械传动系统的寿命;而当用户负荷上升需要启动停用风机时,又会造成启动功率过高而损坏电机.这些问题在实际运行的塔组中非常突出.陈永胜等在采用连通运行模式的横流开式冷却塔组中取消塔间接合面之间的隔板,同时在各塔的出风口加装风压自开及重力自闭式风阀.当塔组中的冷却塔风机停用时,靠重力和塔内负压自动关闭出风口风阀.这种通过风机开启和停止自动控制风路的设计,能解决出现在连通运行塔组中的气流短路及其附加影响问题,使得风机开启的塔能够对风机停用的塔形成最大的抽力,增强冷却塔组台数调节法的负荷适应能力.虽然开启部分风机时各塔的进塔风量仍将小于该塔的设计风量,但此时由于系统处于部分负荷状态,对连通运行的开式冷却塔塔组而言,冷却水量也往往小于设计水量,从而使塔组中所有的塔仍能保持较好的气水比,产生很好的节能效果.此外,由于工程改造量小,维护简单,成本低,理论上该设计是一种很有价值的节能设计,值得推广.但需要注意的是,闭式冷却塔不能采用连通运行模式,因为闭式冷却塔被冷却流体的管内流速不能与设计值偏差过大,流速过小会严重影响换热第6期(2010)章立新等.石化行业中冷却塔的选用与节能效率.3.2闭式冷却塔的节能设计闭式冷却塔自身的能耗不外乎风机和喷淋水泵的能耗,另外换热器盘管内流动阻力还会影响冷却系统循环水泵的能耗.关于闭式冷却塔的节能设计,首先要研究闭式冷却塔换热器盘管束(以下简称管束)气侧阻力特性,这对提高闭式冷却塔工程设计精度,降低能耗,增强冷却能力都有重要的意义.有试验研究表明.:(1)在风速较大时,逆流闭式冷却塔管束外侧出现了溢流现象,而溢流使得气液摩擦阻力和气流托举液流受到的阻力迅速增加,成为闭式冷却塔管束气侧阻力的主要来源,阻碍了塔内风速的进一步增大.溢流现象和泛点的位置与管层区的气流速度有密切关系,而喷淋水密度对阻力的影响较小;(2)就逆流闭式冷却塔管束而言,适当增加横向管中心距可以降低气侧阻力,气侧阻力随盘管排数的增加而线性增加,管径变化对阻力几乎没有影响;(3)泛点范围为2.22.9m/s时,降低淋水密度,增加管排数,适当减少纵向管中心距,增加横向管中心距以及增加管径能使泛点风速增大;(4)横流闭式冷却塔管束外侧不存在溢流现象,其压降与气流速度的1.82.0次方成正比,相同风速下横流气侧阻力比逆流低.需要指出的是,目前阻力的经验公式中没有将溢流现象考虑在内,因此适用范围受到限制,不能据此获得准确的逆流闭式冷却塔管束气侧阻力,需要经过更多的试验才能对其做出修正.工程上获得逆流闭式冷却塔管束气侧阻力的方法应为:先确定泛点风速,根据泛点风速确定运行风速,再通过修正后的经验公式计算阻力,然后选择合适的冷却塔风机.闭式冷却塔的气侧阻力比开式冷却塔大些,所以将开式冷却塔风机用于闭式冷却塔的话往往会产生风量不足的问题,需要选用压头尽可能大一些的风机.在塔体截面条件允许的情况下,应尽可能采用大直径,低转速方案,以控制噪声.另外,冷却塔之间进风口的间距不能太小,对于横流塔和混流塔,还要注意避免进出口空气的短路,以免影响风量,增加能耗,降低散热性能.喷淋水泵是闭式冷却塔所特有的,其特性在于大流量,低扬程.市场上一般水泵的设计工作点扬程较大,长期通过阀门抑制高扬程泵的扬程不仅能耗大,而且不利于延长泵的寿命.目前国内也开发了相关的专用泵,其性能可以与川本,荏原等进口品牌媲美,这类泵同样适用于蒸发冷凝器.有研究表明,增加截面风速对提高热性能的作用远比增加淋水密度对提高热性能的作用大,所以在闭式冷却塔设计中,要避免淋水量过大而影响风量.4结论和建议综上所述,在冷却塔的选用方面,首先,要确保热性能达到要求,对于重点项目,在招标时建议规定应标产品需取得CTI测试认证;其次,为节省投资,建议能用开式冷却塔的不用闭式冷却塔,开式冷却塔中首选换热效率高的填料塔,闭式冷却塔也应首选有填料预冷却的形式;再次,为保证设备安全,闭式冷却塔选用时须特别考虑冬季抗冻能力,寒冷地区应慎用横流闭式冷却塔.在节能方面,当被冷却水有较高余压时,可以采用水轮机冷却塔或者无风机的射流卷吸塔;对于冷却塔组,采用风路控制节能法能够产生很好的节能效果;就闭式冷却塔而言,尽量减小气侧阻力对节能和提高热性能都很有好处.另外,建议喷淋水循环采用大流量,低扬程的专用泵.参考文献1尾花英朗日,徐中权译.热交换器设计手册M.北京:石油化工出版社,1981:415455.2李永安,常静,徐广利,等.封闭式冷却塔供冷系统气象条件分析J.暖通空调,2005,35(6):107108.3高明.闭式冷却塔热力性能及其变工况特性研究D.上海:上海理工大学,2009.4唐祯祥.空调系统中冷却塔运行节能的探讨J.制冷,2007,26(B11):8184.5陈永胜.用于多主机空调系统冷却塔:中国,10097206.0P.2oo7一O427.6黄陈师.闭式冷却塔换热模块气侧阻力特性试验研究D.上海:上海理工大学,2010.致谢:上海同驰换热设备科技有限公司沈艳,上海易源节能科技有限公司陈永胜,第一作者的历届研究生李子钧,高明,黄陈师和在读研究生陈岩永,杨节标,马红玉,白亮,叶军为.石油化工技术与经济Technology&EconomicsinPetrochemicals第26卷第6期2010年l2月SelectionofCoolingTowerandEnergyConservationinPetrochemicalIndustryZhangLixinZouYanfang(UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,200093)SuYongqiu(ZhejiangJinlingRefrigerationEngineeringCo.,Ltd.Zh,311802)ShiJinyang(NanjingDayangCoolingTowerCo.,Ltd.211302)ABSTRACTCoolingtowerhasextensiveapplicationinpetrochemicalindust.Basedonthepracticeinproject,thispaperintroducedthecharaeteristicsofvariouscoolingtowersandtheselectingprinciples,andpointedoutthatonthepremiseofmeetingthermalpropertydemand,opencircuitcoolingtowershouldbethefirstchoice,andthosewithhighheatexchangeefficiencypackingtowershouldbethebest;asforclosedcircuitcoolingtower,thosewithfixtureofprecoolingforpackingshouldbethefirstchoice,whileincoldregion,crossclosedcircuitcoolingtowershouldbeavoidedi