如何解決拼裝冷卻塔“一邊溢流、一邊補水”問題?

2017-10-15 00:00:00

如何解決拼裝冷卻塔“一邊溢流、一邊補水”問題?

    采用水冷集中空調系統的建筑規模通常較大,需要設置多臺冷卻塔,廣泛采用如下方案:冷卻塔拼裝,多臺冷卻塔共用進出水干管,在每臺塔進水支管上設置電動閥與對應冷卻水泵聯動開關,在每臺塔出水支管上設置手動檢修閥,并在多臺冷卻塔集水盤之間設置平衡管以平衡各塔集水盤水位,其連接情況如圖1所示。對此方案,冷卻塔運行后發現了如下現象:在冷卻塔間歇運行時,一部分冷卻塔進水閥關閉,運行的冷卻塔不斷溢水,而不運行的冷卻塔持續補水(下文簡稱)。對此有以下解決方案:方案1,在各塔出水支管上裝電動閥,電動閥與進水管上的電動閥聯動開關;方案2,在各塔之間加平衡管,加大平衡管管徑和出水干管共用管段管徑,并建議計算平衡管管徑。實踐證明,方案1可以在關閉部分冷卻塔時,有效解決“一邊溢流、一邊補水”的問題,但在工程設計技術措施和設計規范中對此無強制規定,僅要求“拼裝冷卻塔無集水箱或公用集水盤時,冷卻塔的出水管應設置與對應冷卻水泵聯鎖開閉的電動閥”,因此很多工程中實際采用方案2。筆者通過對近2年來采用方案2的多個工程項目進行調查發現,雖然設計方案符合設計規范和標準規定,但關閉一些進水管閥門后依然出現“一邊溢流、一邊補水”的現象,運行管理人員無法解決,只能打開關閉了風扇的冷卻塔進水管電動閥,已關風扇的冷卻塔的冷卻水冷卻效果很差,與開啟冷卻塔處理過的低溫水混合后返回制冷機,提高了進入制冷機的冷卻水溫度,降低了制冷效率。這種情況在工程中較為常見,影響了空調系統正常運行和節能節水,針對此問題,本文進行了一些分析,嘗試進一步確定其原因并尋找解決方案。
圖1,2臺拼裝冷卻塔接管示意圖

1 問題分析
以圖1所示的2臺冷卻塔拼裝的例子進行分析,每臺冷卻塔的設計處理水量為300 m3/h,每臺冷卻塔的進出水支管管徑為DN250,平衡管尺寸與單臺冷卻塔的出水支管尺寸一致,出水干管尺寸加大到DN400,出水干管1(1臺塔水量)的設計比摩阻為13 Pa/m,出水干管2(2臺塔水量)的設計比摩阻為47 Pa/m,該設計方案基本符合改進方案2。
現在對關閉1臺冷卻塔的運行工況進行初步分析(見圖2),正常運行時,冷卻塔集水盤控制水位高度H0,溢水口與水盤控制水位高差為ΔH0(水盤控制水位指冷卻塔補水系統停止補水的最低水位)。假設此時關閉2號冷卻塔的進水支管電動閥V2,僅運行1號冷卻塔,此時對應的冷卻水泵也僅開啟1號冷卻塔對應水泵,為簡化問題,假設此時進入1號冷卻塔的水量仍然是設計水量(實際情況是此時開啟的冷卻塔水量會增加)。進入1號冷卻塔的冷卻水量會通過以下通道返回制冷機:
通道1,1號塔水盤→出水支管1→出水干管1→P點;
通道2,1號塔水盤→平衡支管1→平衡干管→平衡支管2→2號塔水盤→出水支管2→P點。
圖2 2臺冷卻塔拼裝運行示意圖
對通道2,冷卻水從水盤1流到水盤2需要克服平衡管的沿程阻力和局部阻力,其動力來源于2個水盤的運行水位差ΔH。假設系統不發生溢水,2號塔集水盤水位保持在控制水位H0,1號塔集水盤水位需要上升ΔH,而實際上1號塔水位最多上升ΔH0,那么是否會發生溢水,就取決于ΔH與ΔH0的大小。如果冷卻塔的ΔH0>ΔH,不發生溢水,如圖2a所示;反之如圖2b所示,發生溢水,2號塔水位下降,從而開始補水。通過上述分析可見,開啟的冷卻塔水經平衡管流向關閉的冷卻塔的阻力造成的水頭損失大于ΔH0時就會產生“一邊溢流、一邊補水”現象。
綜上,造成“一邊溢流、一邊補水”現象有2個關鍵點:溢水口與水盤控制水位高差ΔH0、通過平衡管的水頭損失ΔH。ΔH0的大小由設備及安裝確定,一般受限于水盤深度,其數值一般不超過100 mm,很多項目的ΔH0僅50 mm左右,ΔH0越大,越不容易溢水,反之越容易溢水。ΔH主要受平衡管設計參數和管道布置的影響,也與冷卻塔開關情況有關,其數值越大,越容易溢水。由于實際工程ΔH0不大,而ΔH又幾乎未經計算分析,因此本文討論的這種冷卻塔管道設計方案是存在較大風險的。
2 計算分析(詳見原文)
上一章分析了拼裝冷卻塔產生“一邊溢流、一邊補水”現象的原因,現通過計算分析進行驗證。
3 解決方案
從冷卻塔管道設計角度,在不改變溢水口與水盤控制水位高差ΔH0的情況下,避免“一邊溢流、一邊補水”現象,就要降低關閉塔后兩塔水盤需要達到的水位差ΔH(不溢水時),也就是降低平衡管流通阻力,有2個途徑:減小平衡管的阻力系數和減小平衡管的流通水量。前者可通過增大平衡管管徑實現,后者可通過增大冷卻塔出水管管徑實現(增加冷卻塔出水管的流量以減小平衡管流量)。基于此考慮,對本案例幾個調整方案的分析結果見表3。
表3 調整冷卻塔接管方案分析
方案1只增大了平衡干管管徑,效果很差,原因是平衡管阻力主要是在平衡支管上。實際工程中,受安裝空間、設備接口尺寸限制,往往都是只增大平衡管干管尺寸,而很少放大各塔平衡管支管尺寸,理論分析和實際效果都證明,這種設計收效甚微。
方案2把平衡管整體管徑由DN250加大為DN300,水盤水位差明顯下降,但仍有溢水風險。
方案3把平衡管整體管徑由DN250加大為DN350,水盤水位差明顯下降,基本可避免“一邊溢流、一邊補水”的風險。通過加大各塔平衡管支管管徑,可以實現不溢水,對不同的管道布置和設備配置,要經詳細計算確定,限于空間和造價,不能盲目將管徑加大過多。
方案4和方案5分別將冷卻塔出水支管管徑加大為DN300和DN350,水盤水位差雖有下降,但仍有溢水風險。考慮安裝空間及投入,繼續加大出水管管徑也不妥當。
方案6同時把平衡管和冷卻塔出水管管徑加大為DN300,水盤水位差明顯下降,基本可避免“一邊溢流、一邊補水”的風險。相比于方案3,通過整體調整出水管和平衡管管徑,各塔平衡支管比原設計加大一號即可,減少了安裝空間需求。
以上分析表明,對拼裝冷卻塔,在進水管設置電動閥與對應水泵聯動、出水管不設置電動閥的設計方案,如不經詳細計算確定管道設計方案,存在很大的“一邊溢流、一邊補水”風險,而通過計算分析,選擇合適的冷卻塔出水管徑和平衡管徑,可以避免此問題。本文所述2個冷卻塔的案例相對簡單,如是多臺冷卻塔拼裝,需要選擇各塔之間平衡管流量較大的工況進行計算。
對冷卻塔出水管不設電動閥的情況,通過調整管徑雖然可以解決,但需要詳細計算,在冷卻塔臺數較多時計算很復雜,并要增加管道尺寸和安裝空間,同時需要產品支持更大的管道接口尺寸(需要在招標時提出要求,一般需要廠家對產品加以調整,實現難度較大),當調整管徑有困難時,還可以考慮采取以下措施:
1)從設計角度,對拼裝冷卻塔進水支管和出水支管都設置電動閥,進出水管電動閥與對應冷卻水泵聯動開閉,可避免關閉塔水盤水位降低造成持續補水;
2)從設備角度,冷卻塔選型時加大水盤尺寸,安裝時適當提高溢水口與水盤運行時控制水位高差ΔH0,建議最少達到100 mm。
4 結論?1)工程實踐證明,拼裝冷卻塔采用在進水管設計電動閥、在出水管不設電動閥的方案時,即使管道布置和平衡管設計符合相關設計規范和技術措施要求,運行中仍經常出現“一邊溢流、一邊補水”的現象,需要引起重視。經計算分析,造成該問題的直接原因是冷卻塔水盤溢水口與控制水位高差較小、平衡管流通的阻力損失相對較大。?2)對上述設計方案,冷卻塔管道的分析計算不能僅按照所有塔同時運行工況分析,需要考慮冷卻塔進水管水閥關閉時的間歇運行工況,即平衡管水量較大時的不利工況。通過管道阻力計算研究此設計的改進方案,有以下結論:?①選擇合適的平衡管和冷卻塔出水支管管徑,可以解決“一邊溢流、一邊補水”問題。
②僅加大平衡管干管管徑的改善效果非常有限,這是實際工程運行效果不佳的原因。?③加大各塔平衡管支管管徑或者整體加大平衡管支管、出水支管管徑是有效的解決方案。這需要產品支持,設計階段應明確提出對產品接管的要求,設備招標時重點考核此指標。?3)當調整管道設計有困難時,也可通過以下措施對此設計方案進行調整,避免“一邊溢流、一邊補水”:?①設計層面,拼裝冷卻塔進水支管和出水支管都設置電動閥;?②設備層面,適當提高溢水口與水盤運行時控制水位高差。

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