随着国务院《中国制造2025》规划的提出,科技产业变革与加快转变经济发展方式形成历史性交汇,现代工业技术发展日新月异,工业生产过程中的各种能源需求也呈现出多样性与复杂性,突出表现为工业生产设备生产运行过程中的能源消耗及散热量不断增加,为保证工业设备安全、稳定运行,消除工艺设备散热,所需冷却水系统规模不断增大,工艺设备对循环冷却水系统要求越来越苛刻。笔者日前所设计的工程中循环冷却水系统就显现了以上所述特点。该工程位于北京亦庄经济技术开发区,为某汽车生产厂新建MFA前驱车项目。本厂区建筑规划总用地面积为1 454 114.6m²,新建厂区共包括冲压车间、焊装车间、涂装车间、总装车间4大工艺生产车间。各生产车间内均设计有循环冷却水系统,其中以冲压车间伺服压机及开卷线循环冷却水系统的要求最为复杂,对循环冷却水质控制最为严格。

　　 冲压车间总建筑面积为78 825m²,为戊类生产厂房。由于本汽车厂商为中德合资企业,因此车间内汽车生产工艺均由德方设计完成后对中方进行设计要求输入。冲压车间伺服压机工艺循环冷却水对中方的设计要求为供水温度最高不能高于28℃,温差7℃,同时最低供水温度不应低于20℃。通常情况下工艺循环冷却水冷源由室外冷却塔提供,而冷却塔的处理出水温度直接取决于工程所在地的室外空气湿球温度。冷却塔出水温度与空气湿球温度之差即逼近度在正常处理水量下通常为4℃。通过采取加大冷却塔物理尺寸,逼进度的最小值通常也只能够达到2℃。北京地区室外空调计算湿球温度为26.4℃,按正常逼近度计算的冷却塔额定处理水量下出水温度为30.4℃,采用适当加大冷却塔选型型号,夏季工况下的最低出水温度也只能保证30℃。通过以上技术分析可知,在北京夏季工况下,常规的单一冷却塔供冷出水温度是无法满足工艺生产提出的冷却水最高供水温度不超过28℃的要求。为了进一步分析全年冷却塔出水温度的分布情况,通过全年室外气象参数模拟软件得出全年室外空气湿球温度下的冷却塔出水温度分布如图1所示。

　　 通过图1可知,冷却塔夏季出水温度≥30℃的天数为23d,冷却塔出水温度<20℃的天数为168d,满足工艺要求的20℃≤T≤28℃的天数为174d(全年按365d计)。

　　 通过以上对冷却塔出水温度的全年定量分析可以得知,为了满足工艺设备对冷却水进水温度20℃≤T≤28℃的苛刻要求,常规的单一冷却塔冷源处理循环水已经无法实现。夏季高温季节必须考虑设置辅助冷源,以保证循环冷却水供水温度满足要求。在其余过度季节中随着室外湿球温度的降低,冷却塔处理后的出水温度随之降低,当室外湿球温度低于24℃,通过冷却塔单一冷源即可保证循环冷却水供水温度不高于28℃。此工况下辅助冷源停止运行。同时,随室外湿球温度的进一步降低,单一冷源冷却塔运行出水温度低于20℃时,通过旁通措施,保证循环水供水温度不低于20℃。由于本工程位于北京地区,因此还必须考虑到春节放假期间,厂区放假停产结束后再次投产运行的情况,由于生产线工艺设备在放假期间均停止使用,所以再次投产前循环冷却水管道内水温度必然低于20℃,管道水温仅为电伴热设计防冻温度5℃,因此,必须采取预热措施,以保证冷却水供水温度在正式投产前达到不小于20℃,确保工艺设备的正常运行。

　　 通过上述分析,冷却水系统总冷负荷Q_冷需由两部分组成即冷却塔承担冷负荷Q₁与辅助冷源承当冷负荷Q₂。冷却塔计算制冷能力如式(1)所示:

　　 式中Q₁———冷却塔承担冷负荷,kW;

　　 T₁———冷却塔进水温度,℃;

　　 T₂———冷却塔出水温度,℃;

　　 L———冷却水循环水量,L/s。

　　 通过上式可知,在夏季室外空调计算温度下冷却塔的最大出力能力仅为Q₁=L×(35-30)×4.18(kW),而冷却水供水由30℃降至28℃则需由辅助冷源提供制冷量即Q₂=L×(30-28)×4.18(kW)。本案中辅助冷源采用厂区能源中心制冷站提供的7/18℃冷冻水。在此工况下,冷冻水系统与冷却塔实现了联合向冷却水系统供冷。与此同时,循环冷却水系统还需防止冷却水在冬季厂区放假停产期间工艺设备长时间停产而导致冷却水供水水温过低的情况。在冬季厂区放假期间,冷却水温度仅能维持在5℃(电伴热启动温度),再次投产前必须对冷却水进行循环加热,以保证工艺要求的设备入口冷却水进水温度不低于20℃。要达到此目的,循环冷却水系统必须配套设置辅助热源,本案中引入了厂区动力站内的锅炉热水,通过板式换热器来预热管道中的循环冷却水,保证工艺设备的开机运行需求。本设计冷却水预热时间设计为8h,因此预热冷却水所需热负荷为Q_热=L_in×(20-5)×4.18(kW)(L_in为冷却水管道系统水容量,L/s)。冷却循环水二次侧冷却水循环泵为2用1备,投产前预热循环阶段按设计的8h预热时间,通过计算可知开启1台二次侧循环泵循环运行即可在8h内将管道内总水量由最低5℃预热到工艺要求的20℃。循环冷却水系统设计见图2。

　　 循环冷却水系统运行控制共分3种工况。

　　 (1)夏季运行。开启开式冷却塔及一、二次侧冷却水循环泵。MSV1、MSV2、MSV5、MSV6、MSV8、MFV4打开;MFV1、MFV2、MFV3、MSV3、MSV4、MSV7关闭。工艺生产线冷却水入口温度传感器设定温度20℃<T<28℃,控制MFV4电动流量阀调整阀门开度,保证冷却水供水温度不大于28℃。

　　 (2)春、秋、冬季节运行。开启开式冷却塔及一、二次侧冷却水循环泵。MSV1、MSV2、MSV7打开;MFV3、MFV4、MSV4、MSV5、MSV6关闭。工艺生产线冷却水入口温度传感器设定温度T<20℃时,控制MFV1、MFV2电动流量阀调整阀门开度,保证冷却水供水温度不小于20℃。

　　 (3)防低温工况(冷却水供水不低于20℃)。如前所述,冬季工艺停产再运行时,冷却水管道水温低于20℃,系统预热时,开启二次侧循环泵,开式冷却塔及一次侧循环泵关闭。MSV3、MSV4、MSV6、MSV8、MFV3打开;MSV1、MSV2、MSV5、MSV7、MFV1、MFV2、MFV4关闭。循环加热至工艺生产线冷却水入口温度T>20℃后,MSV1、MSV2打开,MSV3关闭,工艺设备开始正常投入运行。

　　 循环冷却水系统中,由于循环水长时间使用,冷却水吸收热量后,在冷却塔中与空气充分接触,随着水分的蒸发和二氧化碳逸散,溶解氧和浊度增加,水质中盐分浓度也随之增加;同时,开式冷却塔由于冷却水与空气直接接触,实际运行中冷却水水质污染较严重,给系统带来结垢腐蚀、污泥和菌藻等问题,这些问题主要通过水质处理来解决。通常的冷却水水质处理方法主要有化学药剂法与物理处理法。本工程中冷却塔采用了开式冷却塔,循环水水质无法满足工艺设备的要求。为了达到设备需求,采用了二次冷却水循环系统,在冷却塔与工艺设备间设置了板式换热器进行隔绝,冷却塔侧为一次侧,工艺设备侧为二次侧,避免开式冷却塔水质较差的冷却水直接进入工艺生产设备,二次侧冷却水系统设计为闭式系统,系统补水采用软化水,通过离子交换器置换补水中的Ca、Mg离子,有效防止了二次侧管道的管壁结垢现象。一次侧冷却水系统中采用了物理水质处理方案,在循环水管道上设置了旁通式EST电解水处理器,通过直流电解法,利用电极反应及其相关过程,通过直接和间接的氧化还原、凝聚絮凝对水中的Ca、Mg离子及藻类污染物进行去除,有效减少了系统管道的结垢现象并降低了循环水中的菌藻类污染物含量。但与此同时,由于设置了板式换热器进行换热,存在换热温差,这就导致了二次侧冷却水循环水温度必然升高,经过对换热器的遴选,此温差最小控制在2℃,即一次侧冷却塔的夏季最低30℃出水,经过板式换热器传热后,二次循环水的最低温度只能达到32℃,这就又只能通过提高辅助冷源制冷量来保证必须的冷却水供水温度。

　　 本工程设计中,夏季为了保证最不利室外空气计算温度下工艺生产所需要的28℃的冷却水供水温度,就必须通过板式换热器与冷冻水进行热量交换来实现。而在其余季节中,通过图1可知,全年中湿球温度有约130d低于22℃,在此期间,通过单一冷源冷却塔的直接供冷,就完全能够满足工艺生产对冷却水供水温度的要求。随着室外空气湿球温度的不断降低,冷却塔供冷能力的逐渐增强,通过对冷却塔出水温度的监测控制冷却塔风机变频运行,以便能更好地节约运行成本。同时,当冷却塔出水温度过低时,通过开启冷却塔进出水管间的旁通电动流量调节阀(MFV1),可控制冷却塔投入运行的台数,从而进一步节约了运行成本。在冷却水的二次循环侧,二次循环泵设计为变频泵,实际运行时通过供水温度变化来实现二次侧的变频流量调节,在保证系统安全可靠运行前提下,提高了系统的运行经济性。与此同时,避免了在低温情况下启动热水加热循环水而造成的冷热抵消,仅仅只是在工艺设备停产再次启动前,才需要利用热源对其进行循环加热。

　　 北京地区冬季室外温度低于-5℃的情况下,冷却塔极易发生结冰现象。室外低温情况下运行的冷却塔,其进风百叶极易形成冰挂,进而影响设备及系统的安全运行。原因主要是冬季冷却塔进水温度偏低本身易结冻,而飘水散落在进风百叶上,由于金属百叶表面的冷桥效应可使飘水迅速结冻,短时间内就会累计成冰层,堵住进风口,甚至压弯进风百叶。另外,开式冷却塔塔盘直接暴露于室外空气中,冬季冷却塔塔盘容易发生冻结现象。

　　 根据工程实践,设计中在以下几个方面进行改善可以有效减少冷却水冻结、结冰现象。一是沿进风口百叶方向加装喷淋管道,水源取自冷却水进水管,减少高温冷却水自上而下经过填料,改为均匀地洒落在百叶上,顺着倾斜的百叶流向填料,防止百叶处结冰。二是设置由冷却塔出水温度控制的冷却水进出水管路旁通调节阀(MFV1),只要冷却水出水温度满足设定的出水温度要求,即可打开旁通调节阀将部分冷却水旁通回流,这样既可以有效降温,也不至于在塔上结冰。三是开式冷却塔塔盘内设置防冻电加热棒,通过冷却塔塔盘的温度传感器设定最低防冻温度值,控制电加热棒的开启,防止开式塔塔盘在冬季发生冻结。

　　 为了满足日益复杂的工业生产对设备专业的要求,工程技术人员以理论知识为基础,通过实践创新并结合以往工作经验将传统的冷却塔冷却水系统与冷冻水系统进行整合设计,既有效保证了工艺生产的苛刻要求,又实现了冷却水系统安全、经济、可靠地运行,为工艺生产的正常进行提供了可靠保障。