冷却塔防冻设计

作者：杨文涛 易钏

来源：《科技创业月刊》 2014年第6期

杨文涛１ 易 钏２

（１中国人民解放军总后勤部建筑工程规划设计研究院武汉分院 湖北 武汉 ４３００１０２武汉都市环保工程技术股份有限公司 湖北 武汉 ４３００７１）

摘 要：针对冬季北方寒冷地区的冷却塔运行情况，对其产生冰冻的现象和原因进行了分析。从冷却塔产生冰冻现象的各个环节入手，逐一提出了行之有效的解决措施。同时介绍了大型钢混结构机力通风逆流式冷却塔的防冻技术和冬季运行技巧。

关键词：冷却塔；防冻；冬季运行

中图分类号：TU991.42

文献标识码：Ａ

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１4．06．０80

０ 引言

工业生产或制冷工艺过程中产生的废热，一般要用冷却水来导走，挟带废热的冷却水在冷却塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气，经过冷却的水再回到系统从而形成水资源的循环利用。工业生产的连续性要求冷却塔需全天候工作，在我国北方寒冷地区，冷却塔在冬季运行中存在一定的冰冻隐患，若设计处理不当，会产生严重结冰现象，不利于生产运行和管理。结合北方寒冷地区冷却塔运行特点和产生冰冻的原因，在设计中对冷却塔进行技术保证，可有效防止冰冻产生。现以目前在工业企业中使用较为普遍的钢混结构逆流式冷却塔为例，介绍行之有效的冷却塔冬季防冻设计方案。

１ 冷却塔产生冰冻的部位及原因分析

在实际生产过程中，冷却塔进风口产生了冰冻现象。

要进行有效的防冻设计，首先要了解冷却塔产生冰冻的部位及形成结冰的原因，归纳如下：

（１）冷却塔进风窗上沿混凝土横梁下冰棱。产生原因：冷却塔壁流水沿进风窗上沿流下时遇外界冷空气在混凝土横梁下结冰。

（２）冷却塔进风口混凝土立柱两侧产生的冰柱。产生原因：冷却塔壁流水沿进风口立柱流下时遇外界冷空气在混凝土立柱两侧产生冰柱（见图１）。

（３）喷淋式化冰管管周围结冰。产生原因：化冰管设计不当。

（４）冬季停车时配水管道内积水结冰，造成管道冻裂。产生原因：配水系统设计不当。

（５）靠近进风窗侧的填料中及填料架下产生的冰冻。产生原因：经填料冷却后的循环水由于温度较低，在靠近进风窗侧与外界冷空气接触，或者由于配水不匀，造成局部淋水密度小、水温降大，在填料中及填料架下产生冰冻现象。

（６）长期停用的集水池内的积水冰冻。产生原因：集水池没有必要的排空防冻措施。

（７）进风口两侧塔周围结冰。产生原因：进风侧集水池顶层梁设计不合理，造成冷却塔雨区淋水淋在梁上从而溅落到水池外，造成塔周围结冰。

（８）塔顶平台及周围构筑物结冰。产生原因：收水器效果不好，造成飘水严重，飘滴在塔平台上及周围结冰。

２ 冷却塔产生冰冻的危害

冷却塔冬季运行产生冰冻状况时，对塔的性能、安全运行等方面都将产生不利影响，甚至危及人身安全。

（１）冷却塔进风口梁、柱结冰，将使塔的进风面积减少，进塔风量减少，影响塔的性能；严重时可能压坏进风口百叶窗板及拉坏横梁。此处结冰时，有的用户派工人到现场采用硬物敲击的方式除冰，容易被落冰碰伤和滑落水池，给除冰人员带来安全隐患。

（２）管道内存水造成的结冰可能草成管道冻裂，影响系统正常的使用。

（３）淋水填料的结冰是极危险的，由于水雾缭绕，阳光下呈现出五颜六色的彩虹，结冰不易被发现，因而不能及时被清除，直至填料被拉坏、破坏，严重时填料支撑梁也会被拉断。

（４）由于混凝土梁、柱及墙板的施工质量不高、有蜂窝、麻面、孔隙，使水渗入这些混凝土构件中，一旦具备结冰条件形成结冰，由于冻胀使这些孔隙加大，待其融化后再行冻结。又一次扩大孔隙，这就是冷却塔中混凝土构件的冻融循环，这种循环一年要发生几次，甚至几十次，以致使混凝土墙板到处漏水，用不了几年就使塔体遭到破坏，危害十分严重。

（５）冷却塔冬季运行时，考虑节能有时不开风机，空气挟带的水滴和水蒸汽过饱和而凝结为水，使风机叶片结冰 这些冰是不可能均匀的，因而使风机平衡遭到破坏。

（６）冬季外界环境温度很低，经在冷却塔内热交换而趋于饱和的湿空气，出塔后遇冷而过饱和，使水蒸汽凝结为水滴。而形成在塔的四周降雨，落地后结冰，以及从进风口被穿堂风和侧向风带出塔外的水滴落地结冰，这些冰将影响环境和操作人员的安全。

３ 防冻设计措施

针对产生冰冻问题的部位及原因分析，必须在冷却塔中采取有针对性的设计，可完全避免冰冻现象的发生，结合具体工程情况论述如下：

吉林省望奎县生物发电工程新建一台３０ＭＷ抽凝式汽轮发电机，配一台１３０ｔ／ｈ秸秆锅炉，是利用生物质燃料发电的项目，符合国家节约能源、支持利用可再生能源发电的产业政策和发展热电联产集中供热的产业政策。该电厂冷却水系统配用机力通风冷却塔的二次循环冷却水系统，一台机组配一座双格机力通风冷却塔，总设计循环水量为５０００ｍ３／ｈ，补给水采用地下水。

望奎县地处中高纬度，属中温带大陆性季风气候，春迟、秋早、夏短、冬长。主要气候特点是：春季多风少雨，干旱低温；夏季受东南风影响，温热湿润，降雨集中，光照时间长；秋季天气晴朗，降温急剧，常有早霜危害；冬季寒冷干燥，昼短、夜长。其中累年极端最低气温－４０．９℃，出现日期为１９８０年１月１６日。

在本项目冷却塔设计中，针对当地冬季气温低的特点，设计中采用了如下措施防止冬季冷却塔冰冻。

（１）为防止壁流水沿进风口立柱流下时在混凝土立柱两侧产生的冰柱，将进风口立柱由常规的外平设计调整为内缩１．００ｍ（见图２），这样处理将使立柱处于水中而不是直接接触外界冷空气。

（２）在冷却塔的结构设计时，进风窗上沿混凝土横梁下部进行尖端处理，由常规设计的矩形梁调整为梯形梁，冷却塔壁流水无法沿梯形面上流，防止壁流水外涎。同时即使水流在此处结冰，由于梯形尖端的接触面较小，当冰凌体积增大时自重增加，会直接从梁上脱落。

（３）从进水总管上引出热水支管至塔内配水系统的下部（两侧进风口处）形成化冰管系，并设置控制阀门，冬季运行时开启，增大边区淋水密度，使进风口处的填料下部无法结冰。

（４）设计中配水系统主管及支管下部装有泄水装置以防止停车时管道积水和运行时管道污泥沉淀。使配水管道不存在污泥沉淀的情况。

（５）冷却塔的上水管和化冰管设置放空阀门和旁通管，冬季冷却塔停运时可将管内存水放空或根据需要使循环水直接进入冷却塔水池。

（６）在水池设计时充分考虑到水池放空的需要设放空管，当冷却塔冬季停用时将此管阀门打开使塔内无积水。

（７）在冷却塔水池设计中，对进风侧水池顶层梁采取下沉５００ｍｍ设计，使该梁设置于集水池水面以下，冷却塔内经过填料的下淋水落入池内时将不会溅落到混凝土梁上而是直接落到水面，水面对水滴具有一定的缓冲作用，外溅距离大大缩短。同时将塔下水池池壁外扩１ ５００ｍｍ，使淋水外溅的现象可以得到彻底的解决（见图３）。

（８）由于收水器性能的优劣也对结冰有重要的作用，因此在收水器的选择上要需要收水效率高、强度大、风阻小的产品。这里推荐采用一种高效加筋弧形收水器，该产品具有上述优点，收水效率可达９９．８％，使出塔空气的含湿量较低，解决了塔顶及塔周围结冰问题。

（９）考虑到操作不当时填料结冰的可能，填料的支撑应采用加强型设计，设计承载能力应按８００ｋｇ／ｍ３以上取值。

（１０）设计中采用可短时反转风机，当其它防冻措施无法正常运行和起效时，产生塔进风口冰幕，使风机短时反转，时间约５～１０ｍｉｎ，使塔内气流反向流动，利用塔内热空气消除冰幕。

（１１）冷却塔冬季运行操作建议：循环水温≮１５℃，塔内淋水密度≮１４ｍ３／（ｍ２·ｈ）。

采用上述措施后，经两个冬季的运行，进风口梁柱无冰冻现象，上水管和配水管无冻坏，

塔四周无结冰。设备运行良好，平稳可靠，从根本上解决了冷却塔冬季低温运行时的冰冻现象。

值得说明的是，预防冷却塔冰冻不仅是技术上的问题，运行管理和操作同样重要，因此应对现场操作人员进行专门的冬季操作技术培训，使他们掌握冷却塔冬季运行的特点和操作要领，在气候变化时做好设备检查并及时开启化冰管，确保设备处于最佳的运行状态，从根本上解决冷却塔冬季运行的冰冻问题。

４ 结语

随着社会经济的不断发展，大型的工业项目不断上马，用水量日益增加，水资源的循环利用显得尤为重要，冷却塔作为循环水系统的关键设备，保证其冬季的安全稳定运行将对节约水资源意义重大。

参考文献

１ 赵振国．冷却塔［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，１９９７

２ 刘明宏，葛红峰，李欣悦，等．最新冷却塔设计、施工新工艺新技术与运行维护检修及质量检验标准规范实用手册［Ｍ］．北京：中国科技文化出版社，２００７

（责任编辑 晓 扬）