密闭式工业循环冷却水系统设计

密闭式工业循环冷却水系统设计
赖雪怡
【摘要】结合上海沙伯基础创新塑料三期扩建软水循环冷却水系统项目,对密闭式工业循环冷却水系统节水节能的特点,从投资以及运行各方面,与开式循环冷却水系统做了一些比较.并对管路系统的设计、膨胀水箱的设置、循环水泵的选型及水泵进出口管路设计等做了初步的分析和探讨.%Based on the soft water circulating cooling system of the phase Ⅲ extension project of SABIC Innovative Plastics (Shanghai) Co., Ltd., the water and energy saving characteristics of enclosed type industrial circulating cooling water system was compared with that of the open type water circulation system from the aspects of investment, operation and so on. Meanwhile, the primary analysis and discussion on the design of pipeline system, setting of expansion tank, type choosing of circulation pump and the design of import and export pipeline of pump were carried out.
【期刊名称】《工业用水与废水》
【年(卷),期】2011(042)003
【总页数】4页(P44-47)
【关键词】密闭式循环冷却水系统;管路;膨胀水
【作者】赖雪怡
【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】TQ085;TU991.4
密闭式循环冷却水广泛应用在冶金、电力、化工和石化等行业的工艺换热设备系统中，其水质比较稳定，能确保被冷却设备的换热效果和使用寿命，并有较高的系统效率，不易出现设备被污物堵塞和腐蚀穿孔现象。

密闭式循环冷却水基本与外界隔绝，杜绝了风沙、好氧微生物等对循环水系统的污染，维护费用低，运行稳定、可靠。

本文结合上海沙伯基础创新塑料三期扩建项目中的密闭式循环水系统，对密闭式循环水系统的工艺及特点进行了介绍，并对管路系统的设计、膨胀水箱的设置、循环水泵的选型及水泵进出口管道设计等做了初步的分析和探讨，可供类似工程参考。

上海沙伯基础创新塑料项目设有3套循环冷却水系统，一期循环水量为250 m3/h，为开式循环冷却水系统；二期循环水量为300 m3/h，为密闭式循环冷却水系统；三期循环水量为350 m3/h，为密闭式循环冷却水系统。

本工程为三期扩建项目。

从前两期循环冷却水系统运行情况来看，二期密闭式循环冷却水比一期开式循环冷却水水质好，节水节电，运行稳定和费用低，使用寿命长，能够间接地冷却循环冷却水，向需水设备供应洁净的冷却水使整个冷却系统安全、可靠。

因此，三期扩建工程也采用了密闭式循环冷却水系统。

三期工程所有工艺设备的软水循环冷却回水从工艺主车间回水至车间外循环冷却水处理站，经闭式冷却塔换热冷却后，由循环冷却水泵加压，送水至工艺主车间，循环给水和回水管道，管径均为DN 250。

设有高位安全水箱兼作膨胀水箱用，并设专用补水泵，补水泵与水箱液位连锁控制，高液位关泵，低液位开泵。

本工程采用密闭式冷却塔1座，冷却水量350 m3/h，冷却塔进水温度为40℃，
出水温度为32℃，配套风机风量197 280 m3/h，风机功率15 kW×2，风机直径
为3 353 mm；填料为专利EVAPAK；喷淋水泵功率11 kW×2，冷却塔飘洒率≤0.001%。

循环冷却水水泵 3台，2开1备，单台流量180 m3/h，扬程50 m，配电机功率45 kW。

密闭循环冷却水系统如图1所示。

2.1 密闭式循环冷却水系统的优点
（1）采用软水为冷却介质，水质稳定，能大幅地降低工艺过程中的结垢现象。

化工企业因工艺换热器多，大部分为碳钢材质，用软水密闭式循环冷却，可以减少腐蚀和结垢，使用寿命长，运行稳定，而且加药量少，运行费用省，从而确保在长期运行下恒定的工艺性能。

（2）最大特点为省水，在北方缺水地区，若使用开式冷却塔，其蒸发损失和排污损失水量大。

闭式系统为全封闭式循环，水和外界没有接触，没有排污损失和蒸发损失。

软水在循环过程中不消耗，只需补充由于跑、冒、滴、漏引起的损耗，只要工厂加强管理，严格监管工艺设备的质量，系统补水量可以控制在0.1%以下。

根据大多数企业的情况，每周仅补充很少量的软水。

闭式冷却塔将水的蒸发与空气冷却、传热与传质过程融为一体，利用空气冷却的翅片预冷段和水膜蒸发段相结合强化换热，热效率高；增加了空气预冷段后，降低流体进入蒸发段的温度，进一步减小了湿式管束的负荷，节省工业用水，避开管外结垢敏感区［1］。

一般气候条件下，在北方的冬季，可停开部分闭式冷却塔的喷淋水，甚至全部不用水，相当于干空冷器，所以，闭式冷却塔是节水的设备。

以闭式冷却塔为核心的密闭式循环冷却系统，完全回收了冷却介质的余压，软水循环泵只用增加部分压头即可完成系统循环。

在开式冷却塔系统中，冷却介质的余压经塔内配水喷洒后全部消失，冷水循环泵需从常压开始加压。

闭式冷却塔的喷淋需要加泵循环，其喷淋水量仅为冷却介质水量的1/5～1/3，在低温季节（如春初、
秋末和冬季）可以停止或减少喷淋水，故以闭式冷却塔为核心的闭式循环系统是节能的。

综上所述，密闭式循环冷却水系统在节水节能方面优势突出，对于水资源紧缺的北方地区，密闭式冷却塔能降低水资源的消耗量。

2.2 密闭式循环冷却水系统的缺点
密闭式循环冷却水系统的闭式冷却塔比起开式循环冷却水系统的冷却塔来说，投资比较大，而且闭式冷却塔为塔内换热，换热效果不如开式冷却塔；另外，其使用喷淋水泵将喷淋水送到水分配管到达喷嘴，需要一定的能耗；喷淋水与空气接触，含盐量越来越高，浓缩倍数变大，会腐蚀闭式冷却塔的主要部件水盘管，所以，喷淋水需要定期排污，也会有蒸发损失和排污损失。

2.3 密闭式、开式循环冷却水系统经济性比较
目前化工工程中循环冷却水系统是必不可少的，循环冷却水系统形式的选择对工程的投资、运行等各方面起着很重要的作用。

本工程就密闭式循环冷却水系统和开式循环冷却水系统的各项指标进行了比较，对类似工程有一定的参考价值。

本工程循环冷却水水量为350 m3/h，冷却塔进水温度为40℃，出水温度为32℃。

配有循环水泵3台，单台流量180 m3/h，扬程50 m，功率为45 kW。

循环冷却水系统年运行时间为8 000 h。

密闭式循环冷却水系统采用密闭式冷却塔1座，喷淋泵流量为200 m3/h，功率为11 kW×2，配套风机风量为197 280 m3/h，风机功率15 kW× 2。

装机功率
187 kW，实际消耗功率142 kW。

工业水补充水量2 t/h，软水补充水量0.25 t/h。

开式循环冷却水系统采用逆流式冷却塔1座，配套风机风量为210 000 m3/h，
风机功率15 kW。

为保证循环冷却水水质，需设置加药装置1套，加氯机1台。

为降低循环冷却水中悬浮物的含量，设置循环冷却水过滤器1套，单台处理能力
20 m3/h。

装机功率150 kW，实际消耗功率105 kW。

工业水补充水量6 t/h。

根据实际调查，当地工业水价格为5元/t，软水价格为85元/t，工业用电价0.5元/kW·h，密闭式循环冷却水系统与开式循环冷却水系统经济性比较见表1。

由表1可知，密闭式循环冷却水系统比开式循环冷却水系统在耗水量方面要少很多，运行费用也要少，在投资方面比开式循环冷却水系统要高。

近年来我国水资源短缺日益突显，特别是三北（华北北部、西北和东北大部）地区缺水更为严重，密闭式循环冷却水系统在节水方面的优势明显，因此，缺水地区在循环冷却水系统形式的选择上，可以优先考虑密闭式循环冷却水系统。

3.1 管路系统的设计要点
管路系统的设计要点包括管道设置方式以及管路系统的排气等。

3.1.1 管道设置方式
管网漏失水量在所难免，但管道漏水对于密闭式管路系统的影响很大，循环冷却水干管上少许的漏水就会引起整个管网压力的巨大波动。

这是因为密闭式管路系统循环水泵提供的压力主要为克服管路系统的水头损失，密闭式管路系统本身须提供基准压力。

如果循环冷却水主干管道有漏水点，该处与大气相通，就起到了泄压的作用，将会直接使管网压力大幅度下跌。

二期密闭式工业循环冷却水系统，埋地敷设的密闭式回水管路主干管上发生了多点漏水，漏水量约为4～5 m3/h，不开启膨胀水箱补水泵，仅过3～4 min循环回水压力就下降很多，导致回水压力不能上冷却塔。

由此可见，密闭式循环冷却水系统管道设置应贯彻便于维护和检修为原则，管道的设置方式应尽可能架空设计，如架空确有困难，按照管廊、管沟、埋地的次序执行设计。

本项目中，循环冷却水处理站的管道采用架空的方式，DN 250的软水循环冷却水管道设置在地上管廊内。

3.1.2 管路系统的排气
密闭式工业循环冷却水管网中的积气在所难免，主要来源于以下2个方面：①管
网系统充水时所残留的空气；②管道局部流速过高，导致水中空气析出。

密闭式工业循环冷却水管网的管道要避让工艺设备、水处理设备、其它管线以及土建的平台、柱子、基础等，因此管道的上下翻越是普遍的现象。

管路本身又是密闭式的，管网中产生积气后，往往难于迅速排除，就会造成局部气阻或气蚀，对正常的管道水流工况（包括流量和压力）产生影响，甚至会出现管道振动的现象。

因此，对于密闭式工业循环冷却水系统而言，管路系统的排气问题，必须在设计时加以注意。

密闭式管路系统上的安全膨胀水箱可以起到一定的排气作用，但更多的排气是依靠设置自动排气阀。

在确定主工艺车间排气阀的安装位置时要注意以下几点：
（1）排气阀要设置在管路系统上容易积气处；
（2）排气阀要尽量设置在管路系统中最高处；
（3）排气阀要尽量靠近车间边缘设置，因为排气阀在排气的同时往往会带有少量的水喷出，应尽量减小排气阀水喷出对生产的影响；
（4）排气阀设置的位置要便于检修，如在地面或平台上检修人员无法靠近排气阀，应增设检修平台。

3.2 循环水泵选型时应注意的问题
水泵的流量和扬程应根据用户需求和管网的水力计算确定。

在本工程中，循环冷却水系统为密闭式循环，压力都损失在管道和设备上，循环水泵出水先经过冷却塔，按闭式冷却塔厂家提供资料，损失定为20 m；从冷却塔到工艺换热器管道长度为200 m，管径DN 250，管道总损失约为6.5 m；工艺换
热器损失5 m，最高点换热器高出地面7 m（水泵置于地面上）；可见，从水泵
到换热器总损失为38.5 m，即换热器出口压力为60－38.5＝21.5m（暂定循环水泵出口压力为60 kPa）。

回水计算：换热器出口压力为21.5 kPa，高出地面 7 m，
总水压为28.5 kPa，管路损失为6.5 m，到循环水泵处水压为22 kPa［2］。

可见，循环水泵进口压力为22 kPa，出口压力为60 kPa，水泵扬程可取为60－22＝38 m，本项目循环水泵扬程定为40 m。

因此，在密闭式循环冷却水系统中，确定循环水泵扬程时，要考虑其进水（循环冷却水回水）压力的因素，如忽视这个因素，会导致循环水泵扬程过高；另外，闭式冷却塔压力损失很大，在设计中要引起注意。

3.3 膨胀水箱的设置
密闭式工业循环冷却水系统必须设置膨胀水箱。

膨胀水箱有3个用途，一是收容和补偿系统中水的胀缩量；二是向密闭式循环冷却水系统提供稳定的压力，起到系统稳压的作用；三是作为系统补水泵的指示，通常由膨胀水箱发出信号启动或关闭系统补水泵。

3.3.1 膨胀水箱有效容积的计算
膨胀水箱有效容积可采用公式（1）确定［3］：
式中：Vp——膨胀水箱有效容积，m3；
ɑ——水的体积膨胀系数，约为0.0006℃-1；
Δt——最大的水温变化值，℃；
Vs——系统内的水容量，即系统中管道和设备内存水量的总和，应增加15%的安全余量。

密闭式工业循环冷却水系统一般供回水水温变化值不超过15℃，以本项目为例，软水密闭循环冷却水系统的供回水温差为8℃。

在实际确定膨胀水箱的有效容积时，还须用系统补水量对上述计算值进行校核。

密闭式系统的补水量主要考虑管网系统水量的漏损，一般化工企业，密闭式系统设计小时补水量为系统内的水容量的0.5%。

为避免水泵启动过于频繁造成设备损坏，从而影响生产，工业企业一般要求膨胀水箱的有效容积应能保证补水泵启动的次数
在1～2次/h。

本项目密闭循环冷却水系统的总容积约为50 m3，按管网系统漏损考虑，补水量应为0.25 m3/h；按系统膨胀计算，膨胀水箱的有效容积应为0.25 m3，本项目膨胀水箱有效容积设为0.5 m3，按膨胀水箱有效容积校核补水量，水泵每小时启动次数可以满足要求。

3.3.2 膨胀水箱形式的确定
密闭式工业循环冷却水系统常用的膨胀水箱有2种：①借助工业系统的安全水塔或安全水箱兼做膨胀水箱用；工业系统安全水塔或安全水箱小则几十立方米，大则几百立方米，安全水塔或水箱均设置于距离地面几十米的地方，无论是从膨胀水箱的容积还是从稳定压力的可靠性而言，都是首选的方法。

②设置专门的闭式膨胀水箱；工业企业一般不采用一次充气式的膨胀水箱，而是采用外接可靠气源（如氮气等）的水箱；从生产安全和维护方便的角度出发，闭式膨胀水箱一般设置于车间地坪上或是水处理站。

本项目膨胀水箱位于工艺厂房距离地面16 m的平台上。

膨胀水箱最好接入在回水管路上，二期循环冷却水系统因接在水泵出口管道上，因水泵出口压力大，水箱的水不易补进去，所以本项目膨胀水箱的水接到回水管路上。

密闭式工业循环冷却水系统能保护工艺流程中的流体不被污染、节省安装和运行费用，确保最大的流量效率，因此越来越广泛用于各行业中。

在工程设计中应根据密闭式工业循环冷却水系统节水节能的特点，管道设置应尽可能采用架空管道、安装排气阀、合理选用循环水泵、设置膨胀水箱，以降低水资源的消耗、减少不必要的能量消耗。

【相关文献】
［1］徐寿昌.工业冷却水处理技术［M］.北京：化学工业出版社，1984.
［2］华东建筑设计研究院有限公司主编.给水排水设计手册（第4册）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.
［3］GB 50050—2007，工业循环冷却水处理设计规范［S］.。