劉 鋒，張 宇，肇 群

(沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110043)

空冷器是以空氣為冷卻介質(zhì)的熱交換設(shè)備，可用于各種流體的冷凝和冷卻。近十余年來(lái)，在我國(guó)節(jié)能環(huán)保政策的強(qiáng)力推動(dòng)下，各類(lèi)大型空冷器在電力、石化等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。按管束布置方式，空冷器主要?jiǎng)澐譃樗绞胶托表斒絒1]，也有立式、V型、環(huán)形、多邊形等少數(shù)類(lèi)型?？绽淦鞯拈_(kāi)放式布置使之容易受到外界環(huán)境、空氣的污染和影響并引發(fā)換熱性能下降，夏季高溫超出設(shè)備設(shè)計(jì)溫度，散熱效果不達(dá)標(biāo)等實(shí)際問(wèn)題[2-3]，會(huì)給整個(gè)工藝系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)。因此，空冷翅片定期清洗和高溫季節(jié)噴淋降溫已經(jīng)成為空冷器運(yùn)行必不可少的2個(gè)運(yùn)行輔助系統(tǒng)[4-8]。這2個(gè)系統(tǒng)集成為1個(gè)系統(tǒng)可提高水的利用率并降低設(shè)備投資，筆者研究了空冷器高壓水清洗系統(tǒng)和空冷器噴淋降溫系統(tǒng)組成，介紹了正在進(jìn)行的集成方案設(shè)計(jì)和集成系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)研究。

1 空冷器清洗系統(tǒng)主要構(gòu)成[9]

1.1 高壓水泵

典型高壓水泵外型圖見(jiàn)圖1[10]。高壓水泵選用三柱塞高壓往復(fù)泵，其特點(diǎn)是適合在高壓力、小流量工況使用?？绽涑崞系奈酃敢曰覊m、柳絮及飛鳥(niǎo)糞便為主。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，通常采用壓力為8～10 MPa、質(zhì)量流量為10～20 t/h的高壓柱塞泵。高壓水泵常配有柔性進(jìn)出口接管、壓力開(kāi)關(guān)、壓力表、調(diào)壓閥、安全閥及過(guò)濾器等管路連接附件。

圖1 典型高壓水泵外型圖

1.2 管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)由輸水管路、閥門(mén)、高壓橡膠軟管及快速接頭等組成。管路系統(tǒng)的作用是將高壓水從地面輸送到空冷器的工作平臺(tái)上，并與清洗裝置執(zhí)行末端實(shí)現(xiàn)快速連接。

典型高壓管路系統(tǒng)與清洗裝置執(zhí)行末端連接系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 典型高壓管路系統(tǒng)與清洗裝置執(zhí)行末端連接系統(tǒng)

1.3 清洗裝置

斜頂式空冷器清洗裝置組成見(jiàn)圖3。清洗裝置由上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌、可以移動(dòng)的鋁合金梯架、水平驅(qū)動(dòng)組件、垂直驅(qū)動(dòng)組件、垂直傳動(dòng)組件、垂直行走組件以及帶噴嘴的不銹鋼架等主要部件組成。

圖3 斜頂式空冷器清洗裝置布置圖

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、限位開(kāi)關(guān)及控制電纜等部分組成。便攜式控制箱可以在平臺(tái)上遠(yuǎn)程控制柱塞泵的啟動(dòng)和停止，可就地控制清洗裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向以及啟停，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制清洗過(guò)程的位移速度。

2 空冷器噴淋降溫系統(tǒng)主要組成[11]

2.1 多級(jí)水泵

多級(jí)水泵多采用臥式多級(jí)離心泵，水泵揚(yáng)程一般150～200 m，流量根據(jù)需要計(jì)算配置。泵出水管路上配備手動(dòng)閘閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、止回閥、壓力表和壓力變送器。止回閥后面安裝一路排水口及閥門(mén)。

2.2 管路及噴淋裝置[12]

常見(jiàn)噴淋裝置布置示意圖見(jiàn)圖4。管路為獨(dú)立布置，分為主管路和支管路，由泵出口處引至空冷器下方，依據(jù)噴嘴布置需要，支管路均勻布置。噴淋裝置噴射角度一般選擇120°，在翅片高度方向上布置不少于3個(gè)實(shí)心錐噴嘴，盡量使射流范圍覆蓋整個(gè)翅片面。

圖4 常見(jiàn)噴淋裝置布置示圖

2.3 控制系統(tǒng)

噴淋系統(tǒng)的離心泵啟動(dòng)和停止、系統(tǒng)內(nèi)各處電動(dòng)閥門(mén)的調(diào)節(jié)直接由DCS遠(yuǎn)程控制。

3 高壓霧化射流技術(shù)與試驗(yàn)研究

3.1 液滴分散技術(shù)比較[13-14]

高壓霧化射流設(shè)計(jì)以?xún)?yōu)化噴淋系統(tǒng)為預(yù)定研究目標(biāo)。常見(jiàn)噴淋系統(tǒng)在理論上以及使用初期效果明顯，但長(zhǎng)時(shí)間使用就會(huì)由于噴淋液滴顆粒較大出現(xiàn)水無(wú)法完全蒸發(fā)、降溫過(guò)程耗水量巨大、噴淋水直接噴至翅片表面、液滴聚集、長(zhǎng)期使用結(jié)垢、換熱效率降低及無(wú)法清洗等問(wèn)題。

相對(duì)于常規(guī)水噴霧或水噴淋，高壓射流會(huì)產(chǎn)生更高的噴射速度，從而產(chǎn)生更為細(xì)小的霧滴粒徑且分布均勻。液滴的直徑越小，其在空氣中蒸發(fā)換熱的速度就越快，降溫效果就越好，并且減少液滴凝結(jié)下落帶來(lái)的資源浪費(fèi)。分別采用噴淋、低壓霧化和高壓霧化方式對(duì)相同體積的水進(jìn)行分散處理并對(duì)處理效果加以比較，統(tǒng)計(jì)的液滴參數(shù)見(jiàn)表1，水滴的相對(duì)大小見(jiàn)圖5。

表1 噴淋水滴、低壓霧滴和高壓霧滴參數(shù)統(tǒng)計(jì)[15]

3.2 試驗(yàn)裝置及關(guān)鍵部件構(gòu)成

高壓霧化射流試驗(yàn)以水為工質(zhì)，其系統(tǒng)組成示意圖見(jiàn)圖6。此系統(tǒng)主要由柱塞泵、壓力變送器、流量計(jì)、高速攝像機(jī)、激光粒度分析儀及噴嘴等組成，其中高壓噴嘴為關(guān)鍵部件。在高壓噴嘴設(shè)計(jì)上采用了內(nèi)部旋芯結(jié)構(gòu)，可有效迫使水流高速通過(guò)噴嘴而破碎霧化。高壓噴嘴內(nèi)部的旋芯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。

圖6 高壓霧化射流試驗(yàn)系統(tǒng)示圖

圖7 高壓噴嘴旋芯結(jié)構(gòu)示圖

3.3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

高壓泵噴嘴壓力調(diào)節(jié)范圍為0～10 MPa，體積流量為7.4 L/min，粒度分析儀量程為1～800 μm。用孔徑分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm的3種規(guī)格噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。以粒子分布概率分別為10%、50%、90% 對(duì)應(yīng)的粒子直徑, 即D10、D50、D90來(lái)描述每一流動(dòng)工況下噴嘴的霧化效果。

3.3.1噴嘴壓力對(duì)噴嘴體積流量的影響

噴嘴工作壓力與流量的關(guān)系是研究噴嘴及其應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。噴嘴工作壓力越高，其輸出介質(zhì)流量就越大。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)噴嘴的數(shù)值影響不同，研究其影響關(guān)系，可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參數(shù)選型依據(jù)。試驗(yàn)得到的3種不同孔徑高壓噴嘴壓力與體積流量的特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

圖8 噴嘴壓力與體積流量特性曲線(xiàn)

圖8顯示，在不同工作壓力下，噴嘴的瞬時(shí)體積流量隨著壓力的升高而增大，同時(shí)在相同壓力下，孔徑大的噴嘴其體積流量也大，但噴嘴體積流量變化與孔徑變化并不是成比例關(guān)系。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總可為不同工況下合理匹配噴嘴提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.3.2噴嘴孔徑和壓力對(duì)霧化效果影響

以孔徑0.1 mm噴嘴在8 MPa壓力下、距離噴嘴出口300 mm位置處的霧化射流試驗(yàn)為例說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法。霧滴的粒徑、體積分?jǐn)?shù)、累計(jì)體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 孔徑0.1 mm噴嘴8 MPa下獲得的霧滴粒徑與體積分?jǐn)?shù)

根據(jù)表2做霧滴粒徑分布圖,見(jiàn)圖9。由圖9可知，D10、D50、D90、D95、D97對(duì)應(yīng)平均霧滴粒徑依次為12.56 μm、30.93 μm、62.44 μm、72.89 μm和79.51 μm，粒徑小于100 μm的霧滴累積體積分?jǐn)?shù)為99.72%，說(shuō)明獲得了較好的霧化效果。

圖9 孔徑0.1 m噴嘴在8 MPa下霧化粒徑分布

采用相同的試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，改變噴嘴直徑和噴嘴壓力進(jìn)行試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得到0.1～0.3 mm孔徑噴嘴在6～10 MPa下霧化射流場(chǎng)D50霧滴的統(tǒng)計(jì)粒徑，見(jiàn)表3。

表3 射流場(chǎng)300 mm處D50霧滴統(tǒng)計(jì)粒徑 μm

從表3可以看出，對(duì)于相同孔徑噴嘴，隨著工作壓力的升高，粒徑會(huì)逐漸減小，從6 MPa到8 MPa，粒徑減小幅度較大，從8 MPa到10 MPa，粒徑減小的幅度逐漸減小。同時(shí)，在相同壓力下，噴嘴孔徑越小，粒徑越小。

4 高壓水清洗與霧化降溫系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

4.1 集成設(shè)計(jì)思路

霧化性能的提升可有效改善傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)的不足，能提高水的利用率。有研究表明[12]，液滴與空氣熱質(zhì)交換強(qiáng)弱與液滴直徑有密切關(guān)系，液滴直徑越大，相對(duì)濕度變化使液滴壽命成倍增長(zhǎng)，所以，用于熱交換的液滴直徑以小于100 μm為宜。上述試驗(yàn)研究表明，在噴嘴孔徑小于0.3 mm、壓力不低于8 MPa情況下，均能使霧化顆粒粒徑小于100 μm的霧滴累積體積分?jǐn)?shù)達(dá)到99.72%。因此，噴嘴孔徑一般選在0.3 mm以下，霧化壓力以不低于8 MPa為宜。高壓水清洗系統(tǒng)的工作壓力為8～10 MPa，與試驗(yàn)中達(dá)到良好霧化效果所需壓力基本相同，具備形成高壓水清洗與霧化降溫集成設(shè)計(jì)的基本條件。系統(tǒng)集成還應(yīng)包括設(shè)備材料共用，在用水量的計(jì)算上需要統(tǒng)籌考慮2個(gè)系統(tǒng)，以達(dá)到平衡，獲得最優(yōu)化效果。

4.2 集成系統(tǒng)管道儀表流程

高壓水清洗與霧化降溫集成系統(tǒng)管道儀表流程見(jiàn)圖10，集成系統(tǒng)由進(jìn)水閥門(mén)、過(guò)濾裝置、高壓柱塞泵、調(diào)壓裝置、壓力表、管路系統(tǒng)、高壓閥門(mén)、連接軟管、高壓清洗裝置、高壓噴霧裝置及集中控制系統(tǒng)構(gòu)成。

圖10 高壓水清洗與霧化降溫集成系統(tǒng)管道儀表流程圖

4.3 集成系統(tǒng)水清洗和噴霧功能使用

集成系統(tǒng)的高壓水清洗主要用于春季空冷器翅片的清洗。春季風(fēng)沙大，柳絮多，造成泥沙和雜物在翅片外表面的沉積，降低換熱效率，影響空冷器的正常運(yùn)行。集成系統(tǒng)的高壓水噴霧功能主要用于夏季空冷器的降溫。夏季空冷器運(yùn)行溫度高于設(shè)定值時(shí)，將高壓噴霧裝置安裝于空冷器空氣側(cè)入口，開(kāi)啟霧化射流，水霧滴懸浮于空氣中，完全蒸發(fā)吸熱，可以有效提升空冷器換熱性能。系統(tǒng)間切換可由切換閥門(mén)實(shí)現(xiàn)，冬季可將管路中的水全部排出，防止管路凍壞。集成系統(tǒng)的高壓水清洗和噴霧降溫工作現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖11。

圖11 高壓水清洗與霧化降溫系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片

4.4 集成系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案對(duì)比

集成系統(tǒng)已經(jīng)在山西某項(xiàng)目得到了應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。與傳統(tǒng)的高壓清洗+噴淋系統(tǒng)相比，高壓水清洗與霧化降溫集成系統(tǒng)在多個(gè)方面具有優(yōu)勢(shì)，二者的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 集成系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)空冷器的高壓清洗和噴水降溫，分析了常見(jiàn)清洗系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)的組成及使用效果，提出了噴淋系統(tǒng)存在的問(wèn)題，研究了高壓霧化射流技術(shù)，探究了高壓水清洗和霧化降溫系統(tǒng)集成的可能性，進(jìn)行了霧化試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)與應(yīng)用。集成系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果表明，將高壓水清洗與霧化集成設(shè)計(jì)是可行的，可使高壓水發(fā)生裝置及介質(zhì)輸送管路形成共用，減少系統(tǒng)安裝施工量，降低投入成本，系統(tǒng)性?xún)r(jià)比更高。