闭式与开式循环冷却水系统比较研究
发布时间：2020-06-15
摘要：介绍了几种闭式冷却塔和开式—消雾节水型冷却塔的工作原理和结构型式，从节水、耗电、投资、运行成本、技术可靠性几个方面作了比较分析。对比分析表明，闭式冷却塔系统具有较好的节水效果，其中干湿联合型可节水59~75%，增湿空冷器可节水81%。但闭式循环冷却水系统总体而言，投资、电耗、占地、运行成本均较高，技术可靠性不确定，其在煤化工行业应用上，应在有限范围内审慎选择。开式—节水消雾冷却塔，可节水15~20%，技术相对成熟可靠。
关键词：闭式与开式循环;冷却水系统;比较
1 闭式循环水系统工作原理
1.1 干湿联合型冷却塔
干湿联合型冷却塔是闭式系统的一种。系统中循环给水经加压后送工艺装置，在装置内与工艺物料进行间接换热后，压力作用下送回循环水系统进行冷却，由此往复循环。干湿联合型冷却塔主要是由干式空冷管束和湿式空冷管束组成，特点为根据外界气象条件的不同，即可以干式运行，也可以湿式运行。
根据结构形式的不同，可分为三种类型：
(1)以A型为代表的干湿联合型冷却塔：该形式的湿式空冷器管束立式布置在空冷塔的两侧，湿式空冷器设计在某一环境温度下完全干式运行满足循环水冷却要求，该环境温度称之为干工况设计温度。在环境温度超过干工况设计温度时，湿式空冷器通过向进风侧管束翅片表面喷水来满足冷却要求。喷淋水除了加湿进风空气，降低进风温度(湿球温度)，增加循环水与空气间的换热温差外，还在翅片表面直接蒸发强化换热增加散热器的传热系数，两部分共同作用保证了湿式空冷器在夏季高温时段的冷却能力。
实际业绩呼伦贝尔国华电厂一套试验装置在运行。
(2)以B型为代表的干湿联合型冷却塔：该类型空冷器由上到下分为三部分，包括翅片管，湿式盘管，最下方为填料气液热交换层，提供充足的传热传质面积。空冷翅片盘管换热在湿式运行出风口上方，管内热流体先进入翅片盘管预冷却，换热不足部分由蒸发换热盘管通过蒸发少量喷淋水来补充。运行模式包括①夏季干湿混合运行，②过渡季节绝热运行，③冬季低温干式运行模式，通过调节湿盘管蒸发水量来实现全年节水目标。国内化工行业无运行案例。
循环回水先进入翅片空气预冷管束，进行部分冷却，然后进入盘管内进一步冷却。通过预冷的循环回水在蛇形的热交换器盘管内部流动，外部有喷淋系统以持续湿润盘管表面。喷淋到盘管上的水流经一段具有高效冷却作用的PVC热交换层进行冷却后，再落至集水盘。系统采用FXV的复合流技术，空气自上向下通过翅片管和盘管并同时由侧向进入PVC热交换层，使得一部分水蒸发。气流中所夹带的所有水分均由飞溅水挡水板进行回收，并送回集水盘。
(3)以C型为代表的干湿联合型冷却塔：该类型空冷器由干式空冷管束和湿式空冷管束组成的，热水先进入翅片空气预冷管束，进行部分冷却，然后进入被直接喷淋的蒸发冷却管束，进一步冷却。空气从下部向上进入蒸发冷却器，再向上进入翅片空气预冷管束。风机置于设备顶部。在翅片空气预冷管束和蒸发冷却光管束之间，设有喷淋水系统。实际案例为国内钢铁行业。
1.2 闭式系统-增湿型空冷器
闭式循环水系统中的循环给水经循环水泵加压后送各工艺装置，在装置内与工艺物料进行间接换热后，压力送回闭式增湿型空冷器进行冷却，冷却后的循环给水再加压送工艺装置使用。冷却设备为增湿型空冷器。增湿型空冷器是在传统的干式空冷器的基础上增加增湿单元，在空气入口处对空气进行喷雾，提高空气的湿度，将空气的干球温度降低到接近湿球温度，使传热温差增加，冷却能力提高。
增湿单元采用带高压泵的喷雾装置，通过高压微细雾化喷嘴直接对空气进行雾化增湿。由于雾化率高，水雾随空气飘走，不需要另设回收水装置，并且喷水量可以通过调整高压泵的启动数量来控制。增湿空冷器在冬季等干球温度较低的时段不启动增湿单元，仅通过空冷器将循环回水温度降至需要的温度;在夏季等干球温度较高的时段，启动部分或全部增湿单元，在空冷器进风侧喷出雾化水汽来增加空气中的湿度，从而降低进风侧的空气温度，保证冷却效果。
实际工程运行案例：特立尼达600万吨甲醇项目、英吉利海峡海底隧道冷却系统，国内有内蒙古某煤制油项目。
特点：增湿型空冷器通过在空气入口处对空气进行喷雾，提高空气相对湿度，将干球温度降至接近湿球温度，增大传热温差，提高空冷器传热能力，不同于国内蒸发空冷器和湿表面空冷器，换热器/换热管表面无水膜形成。
2 比较分析
选用规模20000m3/h的循环冷却水系统，在相同的设计基础下，分别对“开式系统-机械通风逆流式冷却塔”、“开式系统-节水消雾型冷却塔”、“闭式系统-增湿型空冷器”、“闭式系统-干湿联合型冷却塔(包括3种类型)”4种系统进行了比较;为便于比较，以传统的开式系统—机械通风逆流式冷却塔系统的各项指标为1，作为参照基准;根据各系统的特点、应用业绩以及选取的各个参数进行综合比较。
综合比较分析：
采用节水消雾型冷却塔较传统机械通风逆流式冷却塔可节省约15~20%左右水量，一次性投资较传统开式冷却塔高30%。虽然具有一定的节水效果，由于风机电耗增加，年运行费用基本与机械通风逆流式冷却塔持平;在国内及国外近年均有应用业绩，技术相对可靠。但由于应用时间较短，节水消雾效果还需进一步确认。
采用增湿型空冷器的闭式系统，节水效果最好，与传统开式冷却塔相较可节省约81%左右水量。但在上述5种方案比较中，一次性投资较大，且占地最大，采用增湿型空冷器的投资约为传统开式冷却塔的2.6倍，占地约为开式冷却塔的2.8倍。由于节水效果明显，年运行费用与传统开式冷却塔基本持平。应用业绩在国内外较少。在煤化工行业暂无大规模应用业绩，大规模应用时存在潜在工程风险，技术可靠性不确定。
采用干湿联合型冷却塔的闭式系统中，节水效果低于增湿型空冷器，与传统开式冷却塔相较可节省约59~75%左右水量。其中一次性投资约为传统开式冷却塔的1.3~3倍，占地面积约为传统开式冷却塔的1.3~2.3倍。年运行费用与传统开式冷却塔的差别不大。干湿联合型冷却塔在煤化工行业有部分应用业绩，运行情况存在出水温度达不到设计要求、翅片管堵塞、管束结垢等现象。大规模应用时存在一定工程问题，技术可靠性不确定。
3 结语
节水方面，闭式系统的节水效果明显优于传统开式系统;闭式系统中的干湿联合型可节水59~75%;增湿空冷型可节水81%，节水功能最为优异。一次性投资方面，闭式系统的投资明显高于开式系统。若将水权转让费加入到投资中，闭式系统的节水优势有所体现，与开式系统的投资差距减小。年运行成本费用方面，考虑各系统的电耗费用及水耗费用，闭式系统和开式系统的各类型冷却塔差别不大。技术可靠性与业绩方面，节水消雾型冷却塔的冷却原理同机械通风逆流式冷却塔，冷却效果可靠，国内、国外均有业绩，节水效果有限，节水能力在工程中的实际效果有待进一步确认;增湿型空冷器大规模应用时存在工程问题暂无法评估，技术可靠性有待进一步验证，国内、国外业绩也较少;干湿联合型空冷器在国内煤化工领域有一些应用业绩，但大规模应用时存在一定工程问题，技术可靠性有待进一步验证。——论文作者：毕远军
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