循环冷却水系统设计要点

姜 旭 升

(上海环境工程设计研究院有限公司，上海 200072)

1 机械通风式冷却塔选型

冷却塔是将设备或系统产生的多余热量传递到大气中的一种设备，主要部件有淋水填料、布水器、风机、收水器及结构支撑件、挡板等。工程中应用类型最多的是机械抽风式冷却塔，风机布置在冷却塔上部，将外界空气由塔体下部抽吸进塔，由上部风筒排出。由于出风口风速较高，可有效降低湿空气回流，提高冷却效率。这类冷却塔又可根据塔内空气路径形式区分为逆流式和横流式两大类。一般而言，工业项目用冷却塔多为逆流式，暖通空调用冷却塔多为横流式。横流式冷却塔相比逆流式冷却塔具有噪声低、气室空间大、方便维修等优点。冷却塔选型时要注意如下几个方面。

1.1 所选产品应达到国家标准性能

冷却塔国家标准GB/T 7190—2008玻璃纤维增强塑料冷却塔，将冷却水流量小于1 000 m3/h的冷却塔划分为中小型，冷却水流量不小于1 000 m3/h的冷却塔划分为大型。标准中对冷却塔产品性能指标分别作了规定，见表1。设计选用时应确保选用的冷却塔符合此性能标准。

表1 GB/T 7190—2008玻璃纤维增强塑料冷却塔主要性能标准

1.2 冷却塔选型的4个参数

影响冷却塔使用性能的4个主要参数分别是进水温度t1、出水温度t2、空气湿球温度τ、循环水量Q。进水温度和循环水量由系统需求确定，出水温度受空气湿球温度限制。空气湿球温度是冷却塔出水温度能达到的极限温度，设计中一般是按出水温度比空气湿球温度高3 ℃～5 ℃考虑。我国标准的湿球温度为28 ℃，暖通空调系统进出水温度一般为37 ℃/32 ℃，工业冷却系统进出水温度一般为43 ℃/33 ℃。

冷却塔的实际循环水量与额定循环水量相比过大或过小都将影响塔内气水比，偏离过大时将造成冷却能力严重下降。根据经验，逆流式冷却塔淋水密度一般不应大于25 t/(m2·h)，实际循环水量为额定循环水量的0.6倍～1.25倍；横流式冷却塔的淋水密度一般不应大于50 t/(m2·h)，实际循环水量为额定循环水量的0.4倍～1.30倍。

2 循环冷却水系统设计

间冷开式循环冷却水系统是目前应用最多的一种冷却系统，常作为一般设备的间接冷却或为换热器提供冷媒水，其工艺流程为：冷却塔集水池、循环水泵、循环水供水管、冷却设备、循环水回水管、冷却塔、冷却塔集水池。为降低距离能耗，在条件许可的情况下，循环水泵房的选址要尽量贴近主工艺，紧邻主要用水点布置。冷却塔集水池的容积确定非常重要，过大则浪费投资和用地，过小则可能影响系统运行安全。需要注意的是，不可根据GB/T 50050—2017工业循环冷却水处理设计规范中第3.2.2条“间冷开式系统水容积宜小于循环冷却水量的1/3”而直接将冷却塔集水池容积按系统水量1/3确定。冷却塔集水池的容积可按下式确定：

Vt=Ve+Vr+Vp。

其中，Ve为循环冷却水泵、换热器、处理设施等设备中的水容积，m3；Vr为循环冷却水管道水容积，m3；Vp为工艺生产设备内的水容积，m3。

冷却塔集水池应设便于清除淤泥的设施，循环水泵吸水池前应设便于清洗的拦污滤网，并宜设置两道。

3 循环冷却水处理系统设计

3.1 循环冷却水补水量

间冷开式系统随着系统运行时间增长，系统水量将会由于蒸发损失、风吹损失而减少。并且随着系统运行，循环水内微生物、管道锈蚀及外界粉尘污染物都会增加，由此引起系统水质浓度变大。当水质恶化到一定程度时，为维持一定浓缩倍数(一般控制为2～5)，将不得不排放掉一部分高浓度循环水。所以，循环水系统需要定期补充新鲜水。补水量按蒸发损失率、风吹损失率及排污损失确定。蒸发损失率P1=kΔt，k为蒸发损失系数，当进塔大气温度为30 ℃～40 ℃时，k=0.001 5～0.001 6，设Δt=10 ℃，则P1可取为1.5%。风吹损失P2可取为0.2%～0.5%[3]。排污损失P3=P1/(N-1)，取N=4时，则P3=1.5%/(4-1)=0.5%。开式系统的补充水量可按下式计算：

Qm=Qr·(P1+P2+P3)。

其中，Qm为补充水量，m3/h；Qr为循环冷却水量，m3/h。

3.2 循环冷却水处理方式

对循环冷却水进行处理可以归结为阻垢、缓蚀、灭菌藻、除悬浮物四大目标。处理方式有物理处理法、化学加药法、电化学法三大方法，一般至少选择两种方法组合应用，以达到预期的处理效果。

化学加药法可选择药剂种类多，效果直接快速，节省能耗，采用多种药剂组合应用或者一种多效药剂可同时达到阻垢、缓蚀、灭菌藻效果。

常见的杀菌灭藻药剂为氧化型杀生剂，主要有次氯酸钠、液氯、有机氯、无机溴化物等。氧化型杀生剂的投加方式可以采用连续投加或冲击投加两种方式。连续投加时使循环冷却水中有效氯浓度保持为0.2 mg/L～0.5 mg/L，冲击投加时每次控制循环冷却水中有效氯浓度达到2 mg/L～4 mg/L，每天投加1次～3次。为减少受体耐药性，宜采用两种以上杀生剂交替使用。

缓蚀阻垢类药剂种类较多，常见的有三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、丙烯酸及甲基丙烯酸的聚合物、水解聚马来酸酐、聚丙烯酸钠、氨基三甲叉磷酸(ATMP)、羟基乙叉二膦酸(HEDP)等。当采用多种药剂时，应注意药剂的共溶性，避免共用药剂引起反应沉淀。比如季铵盐与聚丙烯酸反应生成沉淀。还应注意，磷系配方药剂虽然具有价格便宜、效果良好的优势，但系统排污水如果直接排放易造成磷浓度超标，进而引起水体富营养化。因此，应优先采用无磷配方药剂或将含磷系配方药剂排污水排入市政污水管网。常见阻垢缓蚀剂加药浓度见表2，可供参考，具体项目加药量需根据试验确定。

表2 常见阻垢缓蚀剂加药浓度

循环冷却水系统处理药剂投加根据投加时间分为两类，一种是系统启动时的首次投药，一种是系统正常运行后的例行投药。这两种投药在计算投药量时依据的水量是不同的。首次投药量按下式计算：

Qf=V·g/1 000。

其中，Qf为首次加药量，kg；V为系统水容积，m3；g为每升循环冷却水加药量，mg/L。

正常运行时例行投药量按下式计算：

Qr=(Qb+Qw)·g/1 000。

其中，Qr为系统运行时加药量，kg/h；Qb为排污水量，m3/h；Qw为风吹损失水量，m3/h；g为每升循环冷却水加药量，mg/L。

循环冷却水物理处理方法主要有旁滤法及强磁处理法。旁滤法选用砂、多介质等介质过滤器过滤去除循环水中悬浮物。旁滤水量为循环水量的1%～5%，旁流过滤器出水浊度应小于3 NTU。强磁处理法利用超高永磁场(20 000高斯)使管道和水形成两极化，管道为负极性，水为正极性，对管道形成阴极性保护，防止电化学腐蚀发生，并可使已形成的结垢及沉淀晶体变成松软状淤泥，通过旁滤或排污排出。离子化反应产生的氢氧根离子具有氧化杀菌作用，从而对菌藻类也可产生抑制作用。

电吸附除盐是通过外加电场周期性变化，使离子向电极处移动，通过排放浓水方式实现脱盐。有报道[4]将该技术应用于循环冷却水处理，其系统产水率为76%，耗电量为1.34 kWh/m3。

3.3 加药系统设计

循环冷却水系统当采用化学加药处理时应设加药间，其功能为药剂贮存、配制及投加。药剂贮存量一般按7 d～15 d消耗量考虑。贮存次氯酸钠液体、酸液、碱液的储罐周围应设安全围堰，围堰容积应能容纳1.1倍最大储罐容积，围堰内壁做防腐处理。加药间地坪排水常含酸、碱等物质，不能直接外排，应在加药间靠墙周围及配药设备处布置排水地沟，地坪坡向地沟，收集排水至集水坑，统一处理。相互可以混合在一起的药剂可以合用一套加药设备。投药一般选用计量泵投加，根据经验，计量泵的最佳开度为50%，即当工作流量为计量泵额定最大流量的一半时计量泵处于最佳工作状态，工作流量相对其额定流量过大或过小都将影响投加药量的精度。加药管内各种药剂一般具有腐蚀性，因此加药管道采用塑料材质，并宜沿墙明敷，以便检修维护。

4 结语

循环冷却水系统是公共建筑及工业生产中经常用到的重要辅助设施，系统相对而言比较复杂。设计人员在进行系统设计时，除要遵守《工业循环冷却水处理设计规范》的基本要求外，还应注意总结经验，积极审慎采用新技术，以求达到更好的使用效果及节水节能目的。