冷却塔设计参数与节水、节能的关系.pdf

IN D U S T R I A L W A T E R W A S T E W A TER 工业用水与废水 V o 1 3 9 N o 2 A p r ，2 0 0 8 5 专论与综述 9 。-。冷却塔设计参数与节水、节能的关系 韩玲(东华工程科技股份有 限公 司，合肥2 3 0 0 2 4)摘要：对 国内在役的某些机械 通风冷却塔 的运行测试数据进行 了分析，认为有些冷却塔的设计能力偏大，使 冷却塔的热效率偏低，导致 占地 和设 备材料 的浪费，其原 因是冷却塔 设计水量和进 塔温度偏高。对 已建成的能力 偏 大 的冷 却 塔，建 议 降低 冷 却 水量 或 减 少冷 却 塔 的 运行 台数，以 降低 电力 消耗，提 高冷 却 塔 的 效 率。关 键 词：循 环 冷却 水；冷却 塔；节 水；节 能；节地 中图分类号：T Q 0 5 1 5 0 2；X-4 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 2 4 5 5(2 0 0 8)0 2-0 0 0 1 0 4 Re l a t io n s h i p b e t we e n d e s i g n p a r ame t er s o f c o o l i n g t o we r a n d wa t e r an d e n e r g y s a v i n g HAN L i n g (E a s t C h i n a E n g i n e e r i n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C o ，L t d ，H e f e i 2 3 0 0 2 4，C h i n a)Abs t r a c t：Th r o u g h t he a n a l y s i s o f t he d a t a o f o p e r a t i o n t e s t o f s o me i n-s e r v i c e me c ha n i c a l d r a f t c o o l i n g t o we r s i n Ch i n a，t h e de s i g n c a pa c i t y o f s o me c o o l i n g t o we rs wa s c o ns i de r e d t o b e s o me wha t l a r g e r wh i c h l e d t o l o we r t h e r ma l e f fi c i e n c y，wa s t e o f s p a c e a n d e q u i p me n t ma t e r i als a s we l l；t h e r e a s o n c a u s e d t h e s e p r o b l e ms wa s：t h e d e s i g n i n f l u e n t q u a n t i t y a n d i n f l u e n t t e mp e r a t u r e o f t h e c o o l i n g t o we r w a s h i g h e r F o r t h e c o n s t r u c t e d c o o l i n g t o we r s w h i c h h a d l a r g e r c a pa c i t y，i t wa s s u g g e s t e d t ha t：d e s c e nd i n g c o o l i n g wa t e r q ua n t i t y o r d e c r e a s i n g nu mbe r o f ru n n i n g c o o l i n g t o we r s S O a s t o s a v e e n e r g y a n d i mpr o v e e f fic i e n c y Ke y wo r d s：c i r c ul a t i n g c o o l i n g wa t e r；c o o l i n g t o we r；wa t e r s a v i n g；e n e r gy s a v i n g；s p a c e s a v i n g 由于工 作 的关 系，笔者 接触 到一 些在 役机 械通 风冷却塔 的测试数据。对这些测试 数据的分析表 明，有些工业系统冷却塔 的能力普遍偏大 会造成 水 量和 能量 的不必要 的浪费。笔者 试 图对产 生这 一 现 象 的原 因进 行分析，以期对 节水、节 能发 挥一 些 微薄的作用。1 冷却 塔的作 用 许多工业生产过程都是放热过程。以石油和化 工生 产过程 为例，大 多化 学反应 过程 是伴 随着 放热 过程进行的，需要不断地将反应释放的热量排走 这就需要在反应过程中进行冷却。由于水具有热容 量大、稳定性 优 异、不 易分 解、在通 常使 用 的温度 范围内不会产生明显的膨胀或压缩、便于输送和分 配等特点，因而被广泛地用作冷却介质。随着工业 的迅猛发展，水的需求量也惊人地增加着。一个产 量为 8 0 x 1 0 t a乙烯 的联合化工装置需水量约为 1 1 x l o 4 m 3 h，一座产量为 3 0 x l o 4 t a合成氨的化 肥 厂，需 水 量 约 为 2 5 x 1 0 4 m Vh，一 座 1 0 0 0 MW 的火 电厂，约需冷却水量(1 41 8)x 1 0 m 3 h。13 本曾对工业用水 的分配进行过调查，具体见表 1 。表 1 工业用水按用途的分配率 r a b 1 Ra t e s o f i n d u s t r i a l wa t e r d i s t r i b u t i o n a c c o r d i n g t o u t i l i z a t i o n 工业 部 门 用 途 冷却 8 7-3 9 0 1 8 5 4 4 2 8 48 0 锅 炉 1 5 3 9 O 4 2 7 4 4 洗涤 5 9 2-8 9 8 2 0 7 3 0 7 空 调 3 2 O 6 1 7 1 26 5 7 工艺流程 6 5 其他 2 1 2 6 2 7 21 2 5 5 化 工 石 油 钢铁 机 械 食 品 收稿 日期：2 o o 8 一O 3 一O 7 卜 I N D U S T R I A L W A T E R W A S TEW A T E R 工业用水与废水 V o 1 3 9 N o 2 A p r ，2 0 0 8 国内虽未看到类似的统计数据，但对冷却水量 有个基本的统计。国家发展与改革委员会等六部委 提出的 中国节水技术政策大纲 指出：工业冷却水 用量 占工业用水总量 的 8 0 左右，取水量 占工业 取水总量 的 3 0 4 0。火力发电、钢铁、石油、石化、化工、造纸、纺织、有色金属、食品与发酵 等行业取水量约 占全国工业总取水量 的 6 0(含火 力发电直 流冷却用水)。按 中国节水技术政策大 纲 给出的数据，2 0 0 5年，我国工业取水量大约为 1 2 8 51 0 m a a，如果按照上述 比例，冷却水量 占 工业取水量的 4 0，不考虑 民用空调循环冷却水 系统，仅上述行业 的循环冷却水 的取水量就达 到 5 1 41 0 m3 a，按补 充水 量 占循 环水 量 的 2 5 计，若冷却塔的工作时间按每年 8 0 0 0 h计，约合 循环冷却水量 2 5 71 0 s m 3 h，而冷却塔是循环冷 却水系统不可缺少的设 备 可见冷却塔 的作用有 多大。2 冷却塔的设计选用 上世纪 7 0年代，伴随着 1 3套大化肥装置的引 进，同时引进 了冷却塔技术，尤其是机械通风冷却 塔技术。从 7 0年代到 8 0年代，石油和化工系统的 机械通风冷却塔都是设计人员 自己设计计算的。在 设计过程中，循环冷却水量和进水、回水温度通常 由工艺专业提出，给排水专业的人员根据工艺提出 的条件、工程所在地的气象条件，来分析、计算确 定拟选用冷却塔的形式、计算 出单塔能力和需要的 冷却塔的台数。从上世纪 8 0年代末起 机械通风 冷却塔越来越设备化，越来越商品化，给排水设计 人员选用冷却塔也越来越简单化。现在，有些给排 水专业的设计人员选择冷却塔时简单到只要将工艺 专业提的循环冷却水量和进、出冷却塔的水温条件 以及气象参数提交给冷却塔设备制造商就万事大吉 了，对工艺专业提 的条件不去问个为什么，对制造 商的计算结果不加分析和验算，就盲 目认可，使得 冷却塔 的设计条件偏离实际运行条件。冷却水量和进水、回水温度是工艺专业提出的 能够保证工艺装置正常运行 的条件。对不 同的行 业，进出冷却塔的温差不同。通常，火力发电厂冷 却水的温差一般在 68，而化工、石油化工装 置冷却水的温差一般为 8 1 2，冶金工业有些系 统冷却水的温差有时达到 2 03 0。热季冷却塔 出水温度的高低直接影响着产品的产量和质量 例 如，火电厂冷却水的温差直接影响凝气器的效率，也就直接影响着发电量，冷却塔出水温度每降低 1 ，每发 1度电可以减少煤耗 0 5 g。因此火力发 电厂冷却塔的进出水温度要求非常严格。3 某些机械通风冷却塔的运行现状 然而，对于一些机械通风冷却塔运行情况的调 查表明，冷却塔的进 出水温差控制得较为粗放。笔 者从一个 国内专业从事冷却塔验收测试的机构得到 一些石油和化工系统的冷却塔的实测数据，见表 2。冷却塔的完善程度，可 以用热效率 系数 来 表 2石化系统某些冷却塔的设计与实测数据比较 T a b 2 C o mp a r i s o n b e t w e e n d e s i g n d a t a a n d p r a c t i c a l d a t a o f s o me c o o l i n g t o we r s i n p e t r o c h e mi c a l s y s t e m 2 韩玲：冷却塔设计参数与节水、节能 的关系 衡量：冷却水的温差。7 7 等 ()从表 2对 田的计算数据看，冷却 热效率总体 偏低。从表面看，冷却塔 的运行热效率低，人们首 先想到的是冷却塔的能力不足，实际情况不尽然。逼近度(t：一 -，也称冷却 幅高)是冷却塔设计的 重要控制参数之一。湿球温度 r是冷却塔的冷却 极限但通过冷却塔将循环水冷却到极限温度是不 可能的 这样冷却塔的面积将无限大，按照国家规 范，t 2 一 r=35 是经济合理的。从表 2知，除 了 B、C两个塔的 t 一 r的实测值高于设计值以外，其余 3个塔的 t：一 r均小于或远小于设计逼近度。如果将 公式(1)变 换成 下式：77 等 1(2)由上式可知，当 t 一 r在一定范 围时，冷却热 效率与进 出塔 的水温差 At 相关，水温差越高，冷 却塔 的热效率越高。由于 t：受逼近度的 限制，只 有提高进塔水温才能提高冷却塔的热效率。可是，我们从表 2的实测数据可以看 出，所列出的 5个冷 却塔的进塔水温均远远低于设计值，效率远未得到 发 挥。笔者从冷却塔 的测试 机构了解 到 上世 纪 9 0 年代前建成 的机械通风冷却塔 验收测试的水温差 还比较接近设计值，近年来建成的冷却塔，验收测 试水温差普遍低于设计值，而且有偏离越来越大的 趋势，这不 能不 引起设 计人 员 的重视。4原 因与 害处 分析 4 1 进 塔 水温低 的原 因 石化 系统 机械通风冷却 塔进塔水温偏低 的原 因：第一、可能是工艺负荷不足；第二、设计冷却 水量偏大；第三、循环冷却水的设计温差偏大 或 者说循环冷却水的回水温度偏高。第一种可能性是 给排水专业或冷却塔所不能解决的，本文重点讨论 第二、第三种因素。冷却塔的作用是将循环冷却水 的水温降低到工艺装置所需要的某一温度，这个温 度是由生产过程的可靠性和经济性决定的。在整个 冷却塔中循环冷却水所要散出的热量为：H=Q C(t 1 一t 2)=Q C At (3)式 中：Q 循环水量；C 水的热容；对于石油和化工系统，每个换热器的冷却水量 和水温不尽相同，因此进入冷却塔的水量和水温往 往是上百台换热器的出口水温 的加权平均值，而工 艺计算通常偏于粗放、保守。当这些偏于保守的水 量、水温数据提交给给排水专业，给排水设计人员 选塔 的时候可能再加个保险系数 最终的结果是冷 却塔的能力偏大。更有甚者，有时可能一套图纸建 很多套装置大家就一次次地重复着这些偏于保守 的设计，没有人去关心冷却塔 的能力是否偏大，是 否 由此而导 致 一些浪 费 业主 和设计 人员 关心 的 只 是工艺装置能否出合格的产品。这实际上暴露出我 们设计 的粗放与保守。4 2 设计保守导致的浪费 冷却塔能力的评价是受很多因素影响仅从表 2的数据，我们无法对表中所列 出的冷却塔进行能 力上的评价。从表 2的数据可以看出，实测的进出 水 温度均低 于设计值，这说明冷却塔 的能力是够 的，在这个条件下，引入热负荷 Qat 这个参数来 考察冷却塔 的能力。从表 2的数据可计算 出，5座 塔 的实测热负荷最低为设 计值的 5 3，最高为设 计值 的 7 9。若按 2 0 的富裕量考虑，我们来计 算一下经济帐：占地及材料的浪费 节水、节能、节地、节材、环保是国家强调的“四节一环保”。假如这些塔 的能力有 2 0 的富裕 度，也就是说冷却塔的占地面积和建造材料约浪费 了 2 0。电能的浪费 如果将 温差提高 2 0，根据 H=Q C(t。一t 2)=Q C At 的关 系，由于需要移走的总热量是不变的，Q就可以降低 2 0。对于一座设计能力 4 o o o m 3 h 的冷却塔，若上塔扬程为 1 5 m，每年的运行时间 按 8 0 0 0h计，则循环水量减少 2 0，就意味着每 年 减少输 送 水 的电力 消耗：1 0 2田 =1 0 2 0 8 5 3 6 0 08 o o 0 =3 0 7 5 7 4(k W h)式 中：P 水 的密度，k g m3；冷却塔上塔扬程 m：运 行 时间 h：3 I N DUS T RI A L W A T E R&W A S T E W A T E R 工业用水与废水 v。1 3 9 N o 2 A p r ，2 0 0 8 叼 总传动效率，取 0 8 5。这仅仅是一座冷却塔多消耗的电量可见浪费 是多么的惊人。对设计取水量的影响 冷却水量大，意味着设计取水量增加。冷却水 的补充水量按下式计算：Q =(4)式中：Q 补充水量；Q 蒸发水量；汽化 潜热；K 浓缩倍数。如果冷却水量大 2 0，那么设计补充水量也 大 2 0，如果按冷却水量 占工业取水量的 4 0 计，那么设计取水量就会增加 8，也就是单位产品的 设计取水量要增加 8。当然设计取水量大，并不 意味着实际运行时取水量大，但至少影响了设计取 水量指标。对浓缩倍数的影响 根据公式(4)，在一定的浓缩倍数下，当温差 减小时，蒸发水量也减小，补充水量亦相应减小，当实际补充水量仍维持设计量时，则循环水的浓缩 倍数会减小。很多循环冷却水系统的浓缩倍数达不 到设计值与此关系很大。豪顿华工程有限公司冷却风机事业部 同济科蓝 常州市科威精细化工厂 欧美环境工程有限公司 山东莱州冷却塔风机制造有限公 司 东华环保工程技术公司 普罗生物技术(上海)有限公司 株洲南方 阀门制造有限公司 上海冠龙 阀门机械 有 限公 司 浙江德安新技术发展有限公司 浙江德安新技术发展有限公司 广东 东方 管业有 限公 司 4 5建 议 在 全社会 注重 节水、节能 的今 天 这 种浪 费现 象应 引起足够的重视。为此，对将要建设的循环冷 却水系统，应重视计算冷却水量及温差，以便选择 的冷却塔更接近实际运行条件。同时 设计单位对 所设计的冷却塔应进行 回访，了解运行情况，不断 调整、改进设计工作，并根据冷却塔 的实际情况 协助生产单位优化运行条件，最大限度地减少能量 的消耗。对 已经建成的能力偏大的冷却塔，建议在满足 工艺要求的条件下 在允许的水量变化范 围内降低 冷却水量，或者停开一台冷却塔，这样，虽然 占地 和设备材料的消耗无法挽回，但 至少能节省电耗及 运行 费 用。本文的写作得到了西安热工研究院有限公司陈 玉 玲 的大力支 持，特 此致 谢。参考文献：1 纪芳 田，包义华循环冷却水 处理基础知识 M 北京：化学 工业出版社，1 9 8 6 作者简介：韩玲(1 9 5 7 一)，女，山东文登人，教授级高工，任全 国化工给排水设计技术中心站站长，东华工程科技股份有限公 司副 总工程师，(电话)0 5 5 1 3 6 2 6 4 4 9。广 告 索 3 I 封面 豪顿华工程有限公司冷却风机事业部 后插一 封 二 南京 化工 学院 常州市 武进水 质稳 定剂 厂 后 插 二 封三 上海 久安 水质稳 定剂 厂 后 插 三 封 底 江苏 江海 化工有 限公 司 后插 四 前插 一 工业 用水 与废水 杂 志 后插 五 前插 二 G E通用 后 插六 前插三 常州市双辉制冷设备有限公司 J 1 前插四 济源市清源水处理有限责任公司 J 2 中插一 北京天擎化工有限责任公司 J 3 中插二 贵州绿色环保设备工程有限责任公司 J 4 中插三 无锡市科林机械设备厂 P 9 6 中插 四