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        冷卻塔白煙形成機(jī)理及治理技術(shù)應(yīng)用

        2024-04-23 01:29:50
        設(shè)備管理與維修 2024年7期
        關(guān)鍵詞:白煙盤(pán)管冷卻塔

        江 平

        (上海一建安裝工程有限公司,上海 200437)

        0 引言

        冷卻塔在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域中具有重要作用,主要用于散熱和降溫,常用于發(fā)電廠、化工廠、空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)施。冷卻塔通過(guò)將冷卻水暴露于大氣中,利用水在蒸發(fā)過(guò)程中需要吸收熱量的原理,從而使沒(méi)有蒸發(fā)的水降溫,水可能被冷卻的最低溫度為室外空氣的濕球溫度。降溫后的冷卻水被輸送至設(shè)備換熱裝置吸收熱量,確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

        1 冷卻塔白煙問(wèn)題的背景和重要性

        白煙問(wèn)題是冷卻塔排放的水蒸氣在特定條件下,如濕度、室外溫度、氣流等因素的影響下,形成可見(jiàn)的白煙。這可能導(dǎo)致以下問(wèn)題:

        (1)環(huán)境影響:白煙可能被風(fēng)吹向周?chē)鷧^(qū)域,影響附近居民或環(huán)境,引起公眾關(guān)切和衛(wèi)生擔(dān)憂(yōu)。雖然白煙本質(zhì)是水蒸氣冷凝而成,但容易被公眾誤解為著火煙霧,從而引起心理恐慌,增加公共安全風(fēng)險(xiǎn)。

        (2)健康影響:冷卻水質(zhì)量差、放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或不潔凈會(huì)導(dǎo)致冷卻塔內(nèi)聚集大量細(xì)菌、藻類(lèi)等微生物。如果軍團(tuán)菌等微生物附在細(xì)小水滴上隨白煙擴(kuò)散,可能誘發(fā)肺炎等呼吸系統(tǒng)疾病。

        (3)交通安全影響:靠近馬路和機(jī)場(chǎng)的冷卻塔形成的白煙,可能使附近區(qū)域能見(jiàn)度下降,從而對(duì)交通造成一定影響,增加行車(chē)風(fēng)險(xiǎn)。

        因此,解決冷卻塔白煙問(wèn)題對(duì)于環(huán)保、健康及交通安全都是有重要意義的。本文采取合適的措施、調(diào)整操作條件、優(yōu)化設(shè)計(jì),以有效減緩或解決白煙問(wèn)題,確保冷卻塔系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。

        2 冷卻塔白煙的產(chǎn)生原因

        2.1 環(huán)境因素影響

        溫度和濕度是冷卻塔白煙生成的重要環(huán)境因素。冷卻塔在熱交換過(guò)程中將熱量從冷卻水傳遞給外界空氣,使空氣升溫并增加濕度(狀態(tài)接近飽和曲線)。白煙現(xiàn)象產(chǎn)生的原因分析如圖1 所示,當(dāng)加熱加濕的空氣(A 點(diǎn))遇到室外低濕球溫度或高相對(duì)濕度的空氣環(huán)境(B 點(diǎn))時(shí)會(huì)發(fā)生冷卻和凝結(jié),導(dǎo)致水蒸氣凝結(jié)成微小水滴,形成白煙現(xiàn)象(D 點(diǎn))。

        圖1 白煙形成原理

        這與冬天口中吐氣成白煙的原理相似,因?yàn)樵诤涞臍鉁叵拢梭w呼出的濕熱氣體遇冷凝結(jié)成小水滴,形成可見(jiàn)的白色蒸汽。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在寒冷潮濕的季節(jié)或清晨,結(jié)霧區(qū)不穩(wěn)定,析出的多余水分凝結(jié)成水,形成飽和濕空氣。

        2.2 水質(zhì)問(wèn)題

        冷卻塔中使用的水質(zhì)可能含有溶解的鹽分和其他化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)這些物質(zhì)被帶到空氣中并與空氣中的濕氣相互作用時(shí),就會(huì)促使水蒸氣凝結(jié)成微小的水滴,形成白煙。因此,水質(zhì)的成分和處理方式會(huì)直接影響冷卻塔排放的白煙。

        2.3 運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        冷卻塔的運(yùn)行參數(shù),如水循環(huán)速度、噴淋系統(tǒng)、風(fēng)扇速度等,以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征,如冷卻塔的形狀和結(jié)構(gòu),都會(huì)影響白煙的形成。不同的運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致不同程度的水蒸氣凝結(jié),從而產(chǎn)生不同濃度的白煙。

        上述因素相互作用,決定了冷卻塔白煙的生成機(jī)制。綜合考慮這些因素,采取合適的控制措施,可以有效減少白煙的產(chǎn)生,降低其對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

        3 冷卻塔白煙治理技術(shù)應(yīng)用

        由白煙形成的機(jī)理不難看出,在排氣與大氣相混合的過(guò)程中,只要不通過(guò)濕空氣過(guò)飽和區(qū)域且不在濕飽和空氣曲線上的狀態(tài)點(diǎn)時(shí),就不會(huì)產(chǎn)生白煙,反之則會(huì)產(chǎn)生白煙。因此,解決冷卻塔排放白煙問(wèn)題需要針對(duì)濕空氣溫濕度和冷卻水水質(zhì)成分進(jìn)行具體分析[1-2]:

        (1)提高空氣溫度。優(yōu)勢(shì):通過(guò)在排風(fēng)口或進(jìn)風(fēng)口設(shè)置熱水盤(pán)管等方式提高出風(fēng)口或進(jìn)風(fēng)口空氣溫度,可以降低空氣相對(duì)濕度,減少白煙排放。劣勢(shì):需要根據(jù)具體氣候條件調(diào)整。

        (2)水質(zhì)預(yù)處理。優(yōu)勢(shì):在水進(jìn)入冷卻塔之前進(jìn)行預(yù)處理,如過(guò)濾、軟化或去離子處理,可以降低水中溶解的鹽分和其他化學(xué)物質(zhì)的含量,有助于減少形成白煙的潛在成分。劣勢(shì):需要額外的設(shè)備和成本。

        (3)化學(xué)添加劑。優(yōu)勢(shì):使用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)添加劑,如抗垢劑,有助于減少水中溶解物質(zhì)的影響,防止其在冷卻過(guò)程中結(jié)晶形成顆粒。劣勢(shì):需要仔細(xì)控制添加劑的濃度,以避免對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不良影響。

        應(yīng)綜合考慮提高空氣溫度、水質(zhì)預(yù)處理、化學(xué)添加劑等措施,制定綜合性的白煙治理和水質(zhì)管理方案,以最大程度地降低白煙排放的可能性。具體方案選擇應(yīng)根據(jù)冷卻塔的具體情況和環(huán)境條件進(jìn)行合理調(diào)整。本文結(jié)合具體工程實(shí)例,對(duì)冷卻塔設(shè)置熱水盤(pán)管提高冷卻塔進(jìn)風(fēng)或排風(fēng)空氣溫度的方案做出具體說(shuō)明。

        3.1 工程概況

        上海徐家匯中心地處徐匯區(qū)虹橋路和宜山路交匯處,地鐵9#、11#線徐家匯站出入口近在咫尺,總建筑面積約775 643 m2,是集合商業(yè)、辦公、酒店等于一體的綜合發(fā)展項(xiàng)目。其中,T1 塔樓為43 層辦公樓,總高約220 m;T2 塔樓為70 層辦公樓,總高約370 m,是目前上海浦西第一高樓;T3 為15 層酒店,總高約76.2 m,地下室共6 層,深達(dá)地下30 m。該項(xiàng)目規(guī)模超大,建筑功能大而全,配備的冷卻塔多達(dá)16 組,處理的冷卻水總量達(dá)到14 600 t/h。冷卻塔設(shè)置在裙房7 層屋面,周?chē)邫n住宅環(huán)繞,因此需要最大程度地降低白煙排放的可能性。冷卻塔位置布置如圖2 所示。

        圖2 冷卻塔位置布置

        3.2 冷卻塔白煙治理

        該項(xiàng)目于裙房屋頂設(shè)置16 組冷卻塔,每組由2 臺(tái)相同設(shè)備組成,獨(dú)立電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)室外空氣溫度低于13 ℃且相對(duì)濕度較高時(shí),冷卻塔出口空氣與之混合后會(huì)發(fā)生冷卻和凝結(jié),導(dǎo)致水蒸氣凝結(jié)成微小水滴,形成白煙現(xiàn)象。在上海這一般是過(guò)渡季節(jié)或冬季,考慮到此時(shí)建筑內(nèi)區(qū)冷負(fù)荷不高,經(jīng)過(guò)核算相應(yīng)的冷負(fù)荷,計(jì)算出只需開(kāi)啟5 組冷卻塔進(jìn)行散熱。同時(shí)考慮設(shè)備的輪換運(yùn)行,總共設(shè)置了6 組加裝了熱水盤(pán)管的冷卻塔。

        設(shè)熱水盤(pán)管來(lái)消除冷卻塔白煙一般有兩種方案。

        3.2.1 在不設(shè)濕段填料的塔體兩側(cè)設(shè)熱水盤(pán)管(方案1)

        等濕加熱后的室外空氣和穿過(guò)濕段填料增焓增濕后的空氣混合后,再排出冷卻塔,與室外空氣混合,混合后空氣脫離結(jié)霧區(qū)。熱濕交換及混合過(guò)程如圖3 所示。

        圖3 熱濕交換及混合過(guò)程分析

        優(yōu)勢(shì):熱水盤(pán)管位于塔體低位,便于安裝和維修。

        劣勢(shì):塔體四面都需要進(jìn)風(fēng),需要預(yù)留進(jìn)風(fēng)距離,每臺(tái)設(shè)備占據(jù)空間大。冷卻塔單獨(dú)布置,不能組成條形設(shè)備,檢修不便。防白煙工況時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量增加較大,因此電機(jī)功率增大,能耗增加,初投資增加較多。且設(shè)備與部分建筑樓梯風(fēng)井碰撞(圖4)。

        圖4 方案1 平面布置示意

        3.2.2 排風(fēng)口設(shè)熱水盤(pán)管(方案2)

        與冷卻水熱濕交換后,增焓增濕的空氣經(jīng)過(guò)熱水盤(pán)管再熱后排出塔體,與室外空氣混合?;旌虾罂諝饷撾x結(jié)霧區(qū)。熱濕交換及混合過(guò)程如圖5 所示。

        圖5 熱濕交換及混合過(guò)程分析

        優(yōu)勢(shì):冷卻塔選型基本不變。風(fēng)機(jī)余壓略微增加,不需要調(diào)整電機(jī)功率,減少初投資和運(yùn)行費(fèi)用。

        劣勢(shì):熱水盤(pán)管要裝在出風(fēng)口收水器之上,增加冷卻塔高度,檢修和維護(hù)不便。

        設(shè)備層位于項(xiàng)目北裙房屋面,四周有擦窗機(jī)軌道及鋼架結(jié)構(gòu),空間狹小。如果采用方案1,則無(wú)法確保進(jìn)風(fēng)通暢,現(xiàn)有空間無(wú)法排布6 組12 臺(tái)設(shè)備。另外,冷卻塔需要考慮降噪問(wèn)題,在出風(fēng)口設(shè)有出風(fēng)消聲器,方案2 的熱水盤(pán)管可固定在出風(fēng)口消聲器鋼架下,不需要單獨(dú)設(shè)置鋼架,有利于施工的進(jìn)行。綜合考慮上述因素以及后期檢修方案,形成了以方案2 為基礎(chǔ)的最終方案,具體設(shè)備排布如圖6 所示。兩種方案的部分參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

        表1 兩種方案部分參數(shù)對(duì)比

        圖6 方案2 設(shè)備平面布置示意

        3.3 白煙治理效果

        冷卻塔頂部出風(fēng)口經(jīng)加裝熱水盤(pán)管后,有效減少了冷卻塔部分室外工況運(yùn)行時(shí)的白煙產(chǎn)生,尤其是在冬季潮濕的雨天和春季室外溫度較低的濕冷天氣里。

        通過(guò)在冷卻塔出口設(shè)置熱水盤(pán)管,可以有效調(diào)控出口空氣的溫度。提高空氣溫度有助于減少混合后的濕空氣在冷空氣中的凝結(jié),通過(guò)提高露點(diǎn)溫度降低白煙產(chǎn)生的可能性。這一調(diào)控機(jī)制能夠有效應(yīng)對(duì)在低溫環(huán)境下白煙生成的問(wèn)題。同時(shí),采取類(lèi)似原理方案時(shí)需要兼顧現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,采用最適合相應(yīng)項(xiàng)目的方案。

        本文方案的主要目標(biāo)是降低白煙排放,但同時(shí)需要注意加熱過(guò)程的環(huán)保性。選擇清潔能源供熱,或采用高效能的加熱系統(tǒng),有助于降低對(duì)環(huán)境的影響,并符合可持續(xù)發(fā)展的原則。

        設(shè)置熱水盤(pán)管涉及到額外的能源消耗。因此,在方案實(shí)施前需要對(duì)能源成本進(jìn)行評(píng)估,并確保加熱過(guò)程的能效較高,以降低對(duì)企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本的影響。本項(xiàng)目就近采用屋面的鍋爐熱水一次水對(duì)加熱盤(pán)管供熱,當(dāng)室外空氣溫度低于設(shè)定值、濕度較大,且冷卻塔開(kāi)啟時(shí),通過(guò)控制程序化智能開(kāi)啟相應(yīng)的熱水供回水電動(dòng)閥,對(duì)盤(pán)管進(jìn)行供熱,確保在必要時(shí)開(kāi)啟盤(pán)管加熱功能,防止或減少白煙產(chǎn)生,同時(shí)減少能源浪費(fèi)。此外,熱水盤(pán)管系統(tǒng)的定期維護(hù)對(duì)于方案的長(zhǎng)期有效性至關(guān)重要。保持盤(pán)管的清潔和良好狀態(tài),有助于維持系統(tǒng)的高效運(yùn)行,減少白煙排放。

        總體而言,通過(guò)在冷卻塔出風(fēng)口設(shè)置熱水盤(pán)管的方案,從調(diào)控溫濕度到環(huán)保和能源消耗等多個(gè)方面綜合考慮,才能在降低白煙排放方面取得顯著效果。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文從冷卻塔白煙問(wèn)題的背景和重要性出發(fā),簡(jiǎn)述白煙問(wèn)題對(duì)環(huán)境、健康和交通安全的危害,詳細(xì)分析了白煙問(wèn)題產(chǎn)生的原因、焓濕圖示意和熱量守恒原理等表述其深層機(jī)理。介紹冷卻塔白煙問(wèn)題的常見(jiàn)解決方案,重點(diǎn)對(duì)比研究了從提高冷卻塔出口溫度出發(fā)的兩種方案,通過(guò)熱濕交換及混合過(guò)程分析、外形尺寸影響安裝、電機(jī)功率匹配等角度的具體案例實(shí)踐闡述不同方案選擇的利弊,從而確定適合項(xiàng)目實(shí)際情況的最終方案。該方案實(shí)際應(yīng)用效果較好,可以為相似項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

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