间冷开式循环冷却水系统节水分析及设计探讨

间冷开式循环冷却水系统节水分析及设计探讨
李璐
【摘要】According to some design projects, various water saving measures of indirect open circulating cooling water system were elaborated, including: 1. determining concentration multiple of circulating cooling wa-ter and temperature difference between influent and effluent water rationally, selecting type of cooling tower rea-sonably; 2. choosing efficient water collector and water-saving filter; 3. strengthening automatic control of circu-lating cooling water system; 4. designing volume capacity of the system rationally. Beside, some related issues about the design of circulating cooling water field were also discussed.%结合相关设计项目针对间冷开式循环冷却水系统的几点节水措施进行了阐述，其中包括：①合理确定循环冷却水的浓缩倍数、进出水温度差以及优选塔型；②优选收水效果好的收水器和节水型过滤器；③加强循环冷却水处理的自动化控制；④合理设计循环冷却水系统容积。

同时，对循环水场设计中的相关问题进行了探讨。

【期刊名称】《工业用水与废水》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】5页(P52-55,73)
【关键词】间冷开式循环冷却水;浓缩倍数;系统容积;节水减排
【作者】李璐
【作者单位】中国天辰工程有限公司，天津 300400
【正文语种】中文
【中图分类】TU991.42;TQ085+.42
在全球水资源严重紧缺的现状下，保护水资源，节约用水是每个人的责任。

随着经济的快速发展，工业用水量日益增大。

其中，循环冷却水几乎占工业总用水量的80%～90%，可见工业节水首当其冲是循环冷却水系统的节水。

浓缩倍数是间冷
开式循环冷却水系统设计中的一个重要指标，根据水质条件选择合理的浓缩倍数可以有效降低补充水量和减少排污量，实现节水减排。

同时，加强循环冷却水处理的自动化控制，采用节水型的过滤器，以及合理设计循环冷却水系统容积等，也都是实现循环冷却水系统节水的有效措施。

1 浓缩倍数的选择
在间冷开式循环冷却水系统中，循环冷却水的损失主要有蒸发损失水量（Qe）、
风吹损失水量（Qw）和排污损失水量（Qb）。

其中，蒸发损失水和风吹损失水
是循环冷却水经冷却塔降温的过程中产生的。

随着蒸发的进行，水中的溶解盐类不断被浓缩，为了控制系统中盐的浓度，必须排掉一部分水，并不断补充新鲜水。

新鲜水补充量（Qm）等于蒸发损失水量、风吹损失水量和排污损失水量之和［1］，即：
循环冷却水系统中被浓缩的循环冷却水的盐度和新鲜水的盐度的比值即为浓缩倍数（N），可按（2）式计算［2］：
以山东某项目为例，干球温度为31℃，湿球温度为27℃，回水温度为42℃，给
水温度为32℃，循环冷却水量（Qr）为 27 000 m3／h。

计算不同浓缩倍数对应
的排污水量和补充水量的变化，曲线如图1所示。

图1 补充水量、排污水量与浓缩倍数的关系曲线Fig.1 Relationship curves of make-up water amount,discharged water amount and concentrartion multiple
由图1可见：
（1）随着浓缩倍数的增大，补充水量和排污水量均减少，节水效果明显提高，同时减少了对环境的影响，进一步减少了回用水处理时的处理水量。

（2）当浓缩倍数由1增大至3时，排污水量和补充水量迅速下降，节水程度最高；当浓缩倍数由3提高至5时，排污水量和补充水量可进一步降低，节水效果也非
常明显；当浓缩倍数大于5～6以后，排污水量和补充水量下降程度缓慢，节水程度降低。

然而，浓缩倍数要求得越高，对水处理药剂、杀菌剂、旁滤器等系统设施以及自动化管理等的要求也就越高，运行费用也随之提高。

目前认为最经济实用的浓缩倍数为4～5。

2 进出水温差
循环冷却水系统的Qr同进出水温差（Δt）密切相关。

在工艺装置的生产过程中，循环冷却水通过与工艺介质进行热交换，带走热量并冷却设备，这部分热量一般是确定的，因此提高进出水温差可以减少循环水量［3］。

间冷开式循环冷却水系统的供水温度受当地气象条件的制约，冷却水的供水温度与湿球温度的差值大小直接影响冷却设施的选择和工程投资，因此循环冷却水系统的供水温度应根据生产工艺装置允许的供水温度，并结合建厂地区的气象条件进行热力计算后确定。

一般经验，机械通风冷却塔的循环冷却水供水温度以当地夏季最热月时的计算湿球温度加 4～5 ℃ 较合理［1］。

据了解，一些循环水站实际运行时的Δt远小于设计值，进而影响与之相关的Qr
设计参数出现偏差。

作为水专业设计人员，应向工艺专业提出当地可以达到的合理的最低供水温度建议值，供其参考，并最终确定Δt和Qr设计参数，避免湿球温
度较低地区供水温度选择过高，或湿球温度较高地区供水温度达不到工艺要求的情况发生。

同时，在冷却塔的选型上应注意对冷却塔厂家提供的技术资料，包括塔的尺寸、填料的配置以及风机的选择等进行重新核算，避免因配置不合理影响循环冷却水系统的实际运行效果。

3 风吹损失和收水器
冷却塔的风吹损失是由出塔空气带出的飘滴和从塔的进风口处吹出塔外的水滴组成［4］。

其中飘滴是冷却塔风吹损失的主要因素，而收水器的主要作用就是收集、减少这一部分损失。

国内对收水器的研究在不断改进和发展，可使冷却塔的风吹损失降低到循环水量的0.001%以下（例如SJ型收水器系统）。

当环境条件、循环
冷却水量和冷却塔进出水温差一定的情况下，蒸发损失即为定值。

冷却塔的收水器效果越好，风吹损失水量就越小，系统的排污水量和补充水量也相应减少，达到节水目的。

因此，设计中应注意优选收水效率高的供货商及产品，并结合当地风速等气象条件确定合理的风吹损失率。

4 优选节水型旁滤器
循环冷却水系统的排污一般有2种途径：①通过循环冷却水系统排污阀直接排放；
②通过旁滤器反洗间接排放。

两部分的排污水可经回用水装置处理后，作为循环冷却水系统的补水，回收利用，达到节水的目的。

如上所述，排污阀的自动开启和关闭，可以通过加药装置对循环给水电导率的在线监测来实现，从而稳定循环冷却水系统的浓缩倍数，保证系统的正常运行。

旁滤器可以通过控制循环冷却水的浊度，来保证系统的稳定运行，也有利于浓缩倍数的提高。

但如果选择的旁滤器反洗水量过大，既不利于浓缩倍数的提高和控制，
也很难实现节水。

山东某项目采用AGF浅层砂滤器，采用2组AGF 12处理单元组，共计24个处理单元，单元处理水量为40 m3／h。

单元反冲洗的耗水量：反冲洗时间为90～120 s，反冲洗水量为35～55 m3／h，反冲洗周期为4～8 h（0～24 h可调），总反冲洗耗水量≤1%总过滤水量。

相比以往采用的重力无阀过滤器，其节水效果是十分可观的。

5 加强循环冷却水处理的自动化控制
浓缩倍数保持平稳恒定是实现安全生产和节水的关键。

由图1可见，浓缩倍数越低，其变化对应补充水量和排污水量的变化就越大。

这说明在运行过程中，即使在短时间内浓缩倍数波动到一个低值，也会使节水效果大打折扣。

此外，浓缩倍数变化增大，单位时间补充水量的变化越大，这给补水加药调整带来困难，容易造成加药量不足或加药过量等问题，进而影响系统缓蚀阻垢的效果，产生影响安全生产的隐患，同时也造成药品的浪费。

山东某项目采用的全自动水质稳定加药装置，根据现场实际负荷、电导率、氧化还原电位（ORP）、pH值等检测数据，控制加药、加酸计量泵及二氧化氯的投加。

有效地保持水中药剂的浓度，保持浓缩倍数平稳恒定，有助于实现安全生产和节水减排，其控制功能如下：
（1）在线监控系统电导率，并根据检测数据，控制电动排污阀的开启和关闭。

（2）在线监控系统ORP，及时调整控制杀菌剂的投加量，控制水中的菌藻及生物粘泥，实现氧化性杀菌剂的自动投加。

（3）在线监控系统pH值，根据检测数据自动调整加酸量，并能根据设定值实现异常情况的及时报警处理。

（4）在线检测循环冷却水的浊度，为现场技术人员、实验室化验人员提供可靠的
参考数据。

（5）根据补水流量信号，对加药泵进行间歇或连续加药控制，保证药剂在循环冷却水中的浓度达到基本稳定的水平。

6 循环水站设计问题探讨
合理的设计是循环冷却水系统正常运行的前提，有利于循环冷却水系统长期正常稳定运行。

以下针对循环冷却水系统设计中的相关问题进行探讨。

6.1 塔下水池和吸水池的连通方式
目前，塔下水池和吸水池常用的连通方式有2种：管道连通和廊道连通。

管道连通的做法是将塔下水池和吸水池依靠管道连接，并在塔下水池底部设格网，阻拦污物进入吸水池，如图2所示。

图2 管道联通塔下水池和吸水池的布置示意Fig.2 Layout of tower pond and suction tank linked by pipeline
考虑到塔下水池和吸水池基坑的开挖以及管道的施工，吸水池与塔下水池之间会有4～6 m的间距。

因此，管道连通塔下水池和吸水池的做法面临2个问题：其一，会造成循环水站的占地面积过大，不适用于占地紧张的厂区；其二，不便于工人对格网的及时清污和维护。

廊道连通方式示意如图3所示。

通过廊道连通，吸水池和塔下水池可共用一个池壁，并且可以省去二者之间的施工间距，节省用地。

同时，将格网安放在过水廊道预埋的2个格网插槽内，并在廊道顶部设龙门架和单轨小车，方便了格网的取放和及时清污。

图3 廊道联通塔下水池和吸水池的布置示意Fig.3 Layout of tower pond and suction tank linked by gallery
外界空气带来的悬浮物、泥土等杂质如果积累过多容易造成换热器的阻塞，换热效率下降，使得运行参数与设计参数出现偏差。

改变格网的安装位置可以从源头避免
此类问题的发生。

由此，个人认为廊道连通的方式优于管道连通，应加以推广及应用。

6.2 廊道连通塔下水池和吸水池的相对标高
根据冷却塔的通风要求，在冷却塔进风口侧，两倍进风口高度的范围内不应有构筑物遮挡［1］。

如上所述，廊道连通缩短了塔下水池和吸水池的距离，因此设计时应特别注意吸水池的顶标高不能超过塔下水池，否则将造成冷却塔进风口风速不均匀，进风量不稳定，影响冷却效果。

图4为吸水池设计过高遮挡了冷却塔的通风口的工程实例。

图4 吸水池设计过高遮挡了冷却塔的通风口Fig.4 Ventilation opening of cooling tower blocked by suction tank wall
6.3 塔下水池和吸水池的容积
循环冷却水的系统容积应根据加药量的停留时间来确定，即不应超过药剂的允许停留时间。

根据运行经验，循环冷却水系统容积与循环冷却水的小时流量之比宜小于1／3，且不宜低于 1／5［1］。

如果系统容积过大，则药剂在系统停留的时间过长，药剂分解的比例也就越高，同时初始加药量增多，间断投加的杀生剂消耗也增大，而且还易产生水的二次污染。

如果系统容积过小，可能出现药剂还未在水处理中发挥作用就被排掉，也势必会造成药剂的浪费。

因此，合理设计循环冷却水系统容积的大小在循环水站的设计中也是十分重要的。

循环冷却水的系统容积是管道容积、设备容积和水池容积的总和。

由于循环冷却水系统内换热器、管道等容积所占比例较少且不可变，若要减少系统容积，就只有通过减小塔下水池和吸水池的容积来实现，其容积在满足水泵吸水条件的情况下，应尽量减小［2］。

以贵州某项目为例，循环冷却水总量为40 000 m3／h，系统采用8台Φ 9 750 mm风机的冷却塔，单台冷却塔处理能力为5 000 m3／h，单塔平面尺寸为18.5
m×18.5 m。

由于循环水泵露天放置，自灌启泵，势必要提高吸水池的正常液位。

参考以往的相关设计，采用过以下2种方式：①将塔下水池底板座在室外地坪上，提高塔下水池顶标高，同时提高冷却塔的上部结构；②在塔下水池底部做基础处理，将冷却塔和塔下水池整体抬高，如图5所示。

此项目中，循环水泵壳顶标高为
2.600m，吸水池正常液位为2.800 m。

若按照第1种方式来设计，塔下水池的深度增加了近1.3 m，系统容积较第2种方式增加了将近3 560 m3，不仅增加了水处理药剂的投加量，也不利于浓缩倍数的提高。

图5 塔下水池抬高方式示意Fig.5 Lifting mode of tower pond
因此，对于采取自灌启泵的地面式泵房，特别是大型循环水站，水池深度增加后塔下水池的容积将成倍增加，极易造成系统容积过大，设计人员在针对此类设计时应需要特别注意。

7 结语
节水减排是循环冷却水系统设计中的重要课题。

循环冷却水系统实现节水减排，涉及到系统的设计、设备的选型及日常的管理与维护等各方面的共同努力。

作为给排水设计人员从设计角度出发合理确定循环冷却水的浓缩倍数、进出水温差以及优选塔型和收水效率高的供货商及产品；优选节水型过滤器；合理设计循环冷却水系统容积；加强循环冷却水处理的自动化控制；并在设计中从细节把握才可最终实现节水目的。

参考文献:
［1］ SHJ 16—90，石油化工企业循环水场设计规范［S］.
［2］ GB 50050—2007，工业循环冷却水处理设计规范［S］.
［3］胡爱英.工业循环水系统节水节能措施分析［J］.工业用水与废水，2011，
42（3）：1-4.
［4］ GB／T 50102—2003，工业循环水冷却设计规范［S］.。