劉 鋒，張 宇，肇 群

(沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司, 遼寧 沈陽 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，在我國節(jié)能環(huán)保政策的強力推動下，各類大型空冷器在電力、石化等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。按管束布置方式，空冷器主要劃分為水平式和斜頂式[1]，也有立式、V型、環(huán)形、多邊形等少數(shù)類型。空冷器的開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)計溫度，散熱效果不達標(biāo)等實際問題[2-3]，會給整個工藝系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行帶來巨大風(fēng)險。因此，空冷翅片定期清洗和高溫季節(jié)噴淋降溫已經(jīng)成為空冷器運行必不可少的2個運行輔助系統(tǒng)[4-8]。這2個系統(tǒng)集成為1個系統(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，介紹了正在進行的集成方案設(shè)計和集成系統(tǒng)測試試驗研究。

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圖1[10]。高壓水泵選用三柱塞高壓往復(fù)泵，其特點是適合在高壓力、小流量工況使用?？绽涑崞系奈酃敢曰覊m、柳絮及飛鳥糞便為主。根據(jù)試驗經(jīng)驗，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出口接管、壓力開關(guān)、壓力表、調(diào)壓閥、安全閥及過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、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上，并與清洗裝置執(zhí)行末端實現(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圖3。清洗裝置由上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌、可以移動的鋁合金梯架、水平驅(qū)動組件、垂直驅(qū)動組件、垂直傳動組件、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、限位開關(guān)及控制電纜等部分組成。便攜式控制箱可以在平臺上遠(yuǎn)程控制柱塞泵的啟動和停止，可就地控制清洗裝置驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)方向以及啟停，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)變頻器來進行調(diào)節(jié)，從而控制清洗過程的位移速度。

2 空冷器噴淋降溫系統(tǒng)主要組成[11]

2.1 多級水泵

多級水泵多采用臥式多級離心泵，水泵揚程一般150～200 m，流量根據(jù)需要計算配置。泵出水管路上配備手動閘閥、電動調(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。

2.2 管路及噴淋裝置[12]

常見噴淋裝置布置示意圖見圖4。管路為獨立布置，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個實心錐噴嘴，盡量使射流范圍覆蓋整個翅片面。

圖4 常見噴淋裝置布置示圖

2.3 控制系統(tǒng)

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

3 高壓霧化射流技術(shù)與試驗研究

3.1 液滴分散技術(shù)比較[13-14]

高壓霧化射流設(shè)計以優(yōu)化噴淋系統(tǒng)為預(yù)定研究目標(biāo)。常見噴淋系統(tǒng)在理論上以及使用初期效果明顯，但長時間使用就會由于噴淋液滴顆粒較大出現(xiàn)水無法完全蒸發(fā)、降溫過程耗水量巨大、噴淋水直接噴至翅片表面、液滴聚集、長期使用結(jié)垢、換熱效率降低及無法清洗等問題。

相對于常規(guī)水噴霧或水噴淋，高壓射流會產(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)下落帶來的資源浪費。分別采用噴淋、低壓霧化和高壓霧化方式對相同體積的水進行分散處理并對處理效果加以比較，統(tǒng)計的液滴參數(shù)見表1，水滴的相對大小見圖5。

表1 噴淋水滴、低壓霧滴和高壓霧滴參數(shù)統(tǒng)計[15]

3.2 試驗裝置及關(guān)鍵部件構(gòu)成

高壓霧化射流試驗以水為工質(zhì)，其系統(tǒng)組成示意圖見圖6。此系統(tǒng)主要由柱塞泵、壓力變送器、流量計、高速攝像機、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)計上采用了內(nèi)部旋芯結(jié)構(gòu)，可有效迫使水流高速通過噴嘴而破碎霧化。高壓噴嘴內(nèi)部的旋芯結(jié)構(gòu)見圖7。

圖6 高壓霧化射流試驗系統(tǒng)示圖

圖7 高壓噴嘴旋芯結(jié)構(gòu)示圖

3.3 試驗及結(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)格噴嘴進行試驗。以粒子分布概率分別為10%、50%、90% 對應(yīng)的粒子直徑, 即D10、D50、D90來描述每一流動工況下噴嘴的霧化效果。

3.3.1噴嘴壓力對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)計提供參數(shù)選型依據(jù)。試驗得到的3種不同孔徑高壓噴嘴壓力與體積流量的特性曲線見圖8。

圖8 噴嘴壓力與體積流量特性曲線

圖8顯示，在不同工作壓力下，噴嘴的瞬時體積流量隨著壓力的升高而增大，同時在相同壓力下，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)計依據(jù)。

3.3.2噴嘴孔徑和壓力對霧化效果影響

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為例說明試驗數(shù)據(jù)的處理方法。霧滴的粒徑、體積分?jǐn)?shù)、累計體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)見表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,見圖9。由圖9可知，D10、D50、D90、D95、D97對應(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

采用相同的試驗方法和數(shù)據(jù)處理方法，改變噴嘴直徑和噴嘴壓力進行試驗和試驗數(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D50霧滴的統(tǒng)計粒徑，見表3。

表3 射流場300 mm處D50霧滴統(tǒng)計粒徑 μm

從表3可以看出，對于相同孔徑噴嘴，隨著工作壓力的升高，粒徑會逐漸減小，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，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

4.1 集成設(shè)計思路

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)交換強弱與液滴直徑有密切關(guān)系，液滴直徑越大，相對濕度變化使液滴壽命成倍增長，所以，用于熱交換的液滴直徑以小于100 μm為宜。上述試驗研究表明，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，與試驗中達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，在用水量的計算上需要統(tǒng)籌考慮2個系統(tǒng)，以達到平衡，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)管道儀表流程見圖10，集成系統(tǒng)由進水閥門、過濾裝置、高壓柱塞泵、調(diào)壓裝置、壓力表、管路系統(tǒng)、高壓閥門、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。夏季空冷器運行溫度高于設(shè)定值時，將高壓噴霧裝置安裝于空冷器空氣側(cè)入口，開啟霧化射流，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實現(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)場見圖11。

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

4.4 集成系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案對比

集成系統(tǒng)已經(jīng)在山西某項目得到了應(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)在多個方面具有優(yōu)勢，二者的對比見表4。

表4 集成系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案對比

5 結(jié)語

針對空冷器的高壓清洗和噴水降溫，分析了常見清洗系統(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，進行了霧化試驗，實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成設(shè)計與應(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)性價比更高。