横流式冷却塔溢水故障分析及处理措施

　　冷却塔是循环冷却水系统排放废热的通用设备，与节能、节水及减少热污染密切相关。在冷却塔的设计过程中，均匀配水是冷却塔设计的关键环节之一，直接关系到冷却塔的效率、能耗与投资，但同时也是冷却塔设计中从理论到实践都被弱视的一个环节。在冷却塔实际运行过程中发现，冷却塔的管线布置也会影响冷却塔布水的均匀性，进而影响冷却塔冷却能力的发挥，对于横流式冷却塔还可能造成溢水，因此在冷却塔设计过程中应注意进水管线的合理布置。

　　1 冷却塔运行状况

　　某钢厂烧结净环水系统采用2台机械通风横流式玻璃钢冷却塔安装于密封的凉水池顶部，设计冷却水量为600 t／h，循环冷却水经过工艺设备升温后回流到热水池，经热水泵增压后上塔，热水通过布水干管后经等径直流三通分配到冷却塔顶部风筒两侧的布水池内，经过消能后采用细孔布水方式向冷却塔内填料进行布水。循环冷却水系统投运一段时间后，现场巡检过程中经常发现冷却塔存在某侧顶部溢水的现象，冷却水沿着塔壁溢水到凉水池四周的场地造成水量损失。在对冷却塔溢水现象进行多次观察后发现，冷却塔溢水一侧布水池进水量大，另一侧布水池进水量很小，有时甚至接近断流。通过调整2个支管阀门开度的大小甚至重新启动热水泵，才能使2个支管水量分配恢复近似均衡。经过一段时间的运行后会再次出

　　现溢水，而且溢水有时会发生“转移”，即原先溢水的一侧水量逐渐减小，另一侧发生溢水现象。由于该泵房采用无人值守、远程监控与现场定期巡视相结合的操作制度，溢水现象不能及时得到发现。当凉水池液位到达低液位并触发低液位报警后，远程监控室会向巡视人员下达加大补充水量的指示，在这一过程中巡视人员有可能发现冷却塔溢水，并对冷却塔支管路的阀门进行调节或者重启热水泵以消除溢水，直到水池达到高液位报警后降低补充水量。溢水消除后，冷却塔的运行恢复到一个暂时的“稳定期”，而这个“稳定期”经过一段时间又被打破，如此反复，冷却塔运行过程中就会频繁出现溢水现象。

　　2 溢水故障影响

　　2.1 水位加速下降

　　一旦冷却塔溢水没有及时发现或者发生在夜间，就会引起循环冷却水泄漏量猛增，进而导致凉水池水位下降速度加快，为了维持凉水池的液位、防止凉水池抽空，需要在短时间内迅速加大补充水量，造成用水浪费。

　　2.2 出塔水温升高

　　当冷却塔一侧出现溢水，另一侧会伴随着流量降低甚至断流的现象，造成断流侧出现负荷不足甚至空塔运行的状态，填料风阻损失减小、通风量增大，冷却塔的冷却能力无法得到充分利用，造成电能浪费；而溢水的一侧运行负荷增大、风阻损失增大、通风量减小，循环冷却水无法充分冷却造成出塔水温升高，有时冷却塔进、出塔温差仅有2℃左右，不得不通过加大补充水量来给循环冷却水降温，造成用水浪费。

　　2.3 药剂用量增加

　　对循环冷却水和补充水的水质化验数据进行分析，该循环冷却水系统浓缩倍数在1.2～1.3之间波动，浓缩倍数很低，为了控制缓蚀阻垢剂的浓度必须增大加药量，造成了缓蚀阻垢剂用量的增加。

　　3 溢水原因分析

　　3.1 支管阻力损失不均

　　通过对冷却塔进水管线设置和运行操作的观察，发现了冷却塔运行故障发生的规律和产生的原因，冷却塔进水管路分布如图1所示。

　　图1 冷却塔进水管路分布示意Fig.1 Distribution of influent water pipeline of cooling tower

　　热水通过DN 250 mm干管在A点经等径三通分为1、2支管分别上塔，由于干

　　管和2个支管管径相同，根据伯努利方程，分配到支管的水流流速降低，动压减小，静压增大，其中在支管1、2上分别装有闸阀用于调节2个支管的流量，如果调节不当容易出现2个支管动压头差距过大的情况，支管1和支管2之间的阻力

　　损失差值ΔH近似计算如下：

　　式中：ΔH——支管1、2之间的阻力损失差值，m；

　　ΣΔhf 1、ΣΔhf 2——支管1、2的总阻力损失，m；

　　iA-B——A-B管段的水力坡度；

　　lA-B——A-B管段的长度，m；

　　Σξ1、Σξ2——支管1、2的管件局部阻力系数之和；

　　v1、v2——支管1、2的水流速度，m／s。由于2个支管进水管线布置的原因，支管2比支管1多出A-B管段的沿程阻力损失，且2个支管都有大阻力损失的闸阀，阻力损失很难调节平衡。当ΔH＞0时，Q1＞Q2，出现支管1上塔水量增大，支管2上塔水量减小的状况，通过对2个支管阀门的调节，将冷却塔两侧的上塔

　　水量调节到接近平衡。但是当循环冷却水运行期间水量、水温等参数发生变化，2个支管阻力损失就会发生改变，从而打破已经形成的平衡，阻力损失较大的支管水量减少，阻力损失较低的支管水量增大，当2个支管的阻力损失差值ΔH达到一

　　定值之后，即可出现一个支管不上水的现象。当某一支管路流量超过布水槽最大配水量的时候即出现溢水。这就是当发现冷却塔溢水之后，虽然及时调节阀门，但是经过一段时间的运行会再次出现溢水，而且溢水经常会在冷却塔的两侧交替发生的主要原因。

　　3.2 菌藻堵塞布水孔

　　在观察冷却塔顶部水流流量变化的过程中还发现，水流进入布水槽之后，流速迅速降低，水槽内存在流速缓慢的“死角”，由于布水池敞口设置，一方面阳光直射造成了菌藻的滋生，另一方面周围环境中的粉尘也容易进入布水池，粉尘沉淀之后和菌藻混合形成粘泥。水槽内有些布水孔被粘泥附着之后孔径减小，造成布水池水头损失增大，进一步加剧了溢水的发生。

　　4 改造与处理措施

　　4.1 上塔支管改造

　　GB／T 50392—2006《机械通风冷却塔工艺设计规范》规定池式配水前的配水管应能向各配水池均匀供水。由于原先的2个支管长度不同，管路上的管件不同，而且2个支管都安装了阻力损失较大的闸阀，从而导致2个支管的沿程阻力损失和局部阻力损失都不相同，而且不容易调节均匀。为了克服这一缺陷，需要改造冷却塔进水管路，保证2个支管阻力损失相等，从而实现水流的均匀分配，遵循这一原则设计2套改造方案，如图2所示。

　　图2 冷却塔进水管路改造Fig.2 Modification schemes of influent water pipeline of cooling tower

　　改造方案1进水流经2个支管路水头损失相等；方案2改等径三通为异径三通，将支管的管径改为DN 150 mm，从而提高支管的动压头。同时，2个方案均将支管上的闸阀移至三通前。2个方案均不需要频繁地调节各支管的阀门，可以实现进水稳定均匀的分配。实际改造中考虑到施工的难度采用了方案1。此外，设计连通

　　管将冷却塔两侧的布水池连通，这样改造之后，即使冷却塔两侧水量分配存在轻微不均的现象，也可以通过2个布水池之间的连通管实现再分配，对于消除溢水起

　　到了双保险的作用。

　　4.2 菌藻控制

　　敞开式的布水池存在阳光直射问题，容易滋生菌藻，在采用横流式冷却塔的场合应该避免采用敞开式布水池进行布水；对于已经选用敞开式布水池进行布水的冷却塔可在布水池上方加遮阳板［3］，因此设计在布水池上方增加活动盖板。此外，在冷却塔日常运行过程中向布水池内定期投加缓释型的氧化性杀菌剂抑制菌藻的生长。具体措施是定期将氯片投加于布水池内，通过水力冲刷使药剂溶解以保持布水池内有一定浓度的余氯，从而起到抑制菌藻繁殖的作用。

　　5 效果分析

　　5.1 节约补充水量

　　通过改造进水管道并且连通冷却塔两侧的布水池实现水量均匀分配之后，循环冷却水的浓缩倍数从改造前的1.2倍提高到3倍以上，每小时节约补充水15～20 t，

　　补充水量降低了70%，按年运行时间8 000 h计算，每年可节约补充水120 000 t以上，具有显著的经济效益。

　　5.2 降低出塔水温

　　改造后冷却塔布水均匀性大幅度提高，冷却能力得到充分发挥，冷却塔进出塔温差较改造之前提高了4～6℃，再也没有出现靠加大补充水量来降低水温的状况。此外，由于冷却塔的冷却能力设计上存在一定富裕量，在低温天气下可以减少风机开启数量，甚至停开风机都能达到冷却效果，可以实现风机的节能。

　　5.3 减少药剂投加量

　　由于补充水量降低了约400 t／d，每日可减少缓蚀阻垢剂投加量10～15 kg，同时，缓蚀阻垢剂投加量的降低也减少了总磷等污染物向环境中的排放总量。

　　5.4 实现运行稳定

　　冷却塔进水管道改造之后消除了冷却塔顶的溢水现象，循环冷却水通过集水槽全部进入凉水池内，避免凉水池水位的异常波动，降低巡视工作量，为循环冷却水系统的稳定运行提供了保障。

　　6 结语

　　（1）在循环冷却水系统设计过程中，进水管路的设计细节会对冷却塔布水的均匀性产生重要影响，应保证冷却塔进水支管阻力损失平衡，避免在支管设置大阻力损失的阀门。

　　（2）采用池式布水的横流式机械通风冷却塔，应该避免使用敞开式布水池或者对布水池加装盖板，防止阳光照射滋生菌藻以及粉尘进入。

　　（3）对于采用池式布水的冷却塔可以在布水池内投加缓释型氧化性杀菌剂用于控制菌藻的生长，防止菌藻堵塞布水孔。