大型工业横流式冷却塔寒冷地区冬季结冰的原因及防冰技术
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【摘 要】冷却塔结冰是目前国内冷却塔冬季运行中存在的一大难题。地处寒冷地区，无论是引进的国外冷却塔，还是国内自行设计施工的冷却塔，均在冬季运行中存在严重结冰现象，至今还没有提出一套彻底解决的方法。特别是横流式冷却塔两侧进风口百叶窗冬季结冰非常严重。
【关键词】冷却塔；防冰；新技术
横流式冷却塔是八十年代末国内冷却塔专业公司建造的，大庆地区位于北纬45°5′～47°，年平均气温3.3℃，冰冻期5个多月，严酷的气候条件给冷却塔冬季运行带来困难，在当时建造时由于没有好的冷却塔防冰技术每年冬季寒冷时期进风口百叶窗都会出现严重结冰现象，详见右上图片。中化工程沧州冷却技术有限公司根据冷却塔的现状，结合多年积累的老塔改造经验和防冰专利技术，提出了冷却塔防冰新技术改造方案，实施后经过2011～2013年度冬季运行，防冰效果非常明显，详见右下图片。
1.横流式冷却塔冬季运行现状
横流式钢结构冷却塔，冬季运行，结冰导致最大的危害性如下： （1）横流塔常见结冰处为进风口双侧每层百叶窗板上平面堆积冰块。百叶窗下檐挂冰幕，最终上下两者结合导致冷却塔进风道全部被冰封死。众所周知，横流塔的进风口一但被冰封死，外界冷空气就无法与塔内热循环水进行良好的置换。最终导致循环水温严重超标，从而影响化工装置正常生产，（2）结冰还会造成塔内填料、百叶窗， 塔体结构遭到不同程度的损坏。（3）最为严重的是由于冬季长期结冰不得不经常采风机反转融冰.形成了结冰融冰、再结冰再融冰。风机经常性反转不仅会造成风机的严重损坏而且还消耗大量的电能。并且每次风机反转融下的冰块会顺着百叶窗直接冲击边层填料，由于冰块较大、较硬，在很短的时间里就将边层填料砸得破烂不堪.破碎下来的填料片最终会顺着循环水直接进入装置内的换热器，导致换热器大面积堵塞，以致影响整个化工装置的正常生产或造成全厂停产。这种现象在北方地区非常普遍。
2.一台Φ8.53米风机横流式冷却塔冬季结冰企业仅电费损失如下
得知一台Φ8.53米的风机大型横流塔，由于冬季结冰每年可使企业多消耗10余万元的电费来满足生产工艺要求，原因是横流塔的冷却所需求的冷空气全部来自于塔双侧百叶窗，一旦百叶窗被冰幕封死，冷空气无法进入塔内，水温会急剧升高。平时通常采用风机反转融冰、化冰的方法采消除百叶窗两侧的冰幕、冰块。在北方一般严寒期可达155天，如每天用2小时时间风机反转，那幺一台160kw的电机一冬要多消耗155天×160kw×2小时/天=49600kw/小时。我们认为风机反转并不是消耗电能最大一方面，消耗能量最大的是当百叶窗的结冰面积达到30%～60%这段时间里塔的冷风量相应减少30%-60%，水温也随着进风量的减少而升高。为了满足生产工艺要求，通常企业都采取风机连续运转的方法，强行抽入塔外的冷空气进入塔内与热循环水交换来满足生产要求。由于风机运行时间较长，平均每天据统计至少需比不结冰的冷却塔多运转6小时以上。那么每年仅消耗在这上面的电能计（当百叶窗的结冰面积超过60%时风机就必须进行反转）155天×160kw×6小时/天=148800kw/小时。两项合计49600+148800=198400×0.5元/度=99200元。如果能彻底消除百叶窗的结冰现象，这些原不该消耗的费用自然就能有效的节省下来，如果运行十年、二十年或十间、二十间塔累加起来，那费用是相当惊人的。
横流式钢结构冷却塔，进入冬季，冷却塔结冰严重，使塔体结构、百叶窗、边层填料损坏严重。每年需投入大量资金、人力维修和维护，其主要维护措施之一就是一直采用强制风机反转的方式来解决凉水塔冬季结冰的问题，化冰效果虽好，但也付出了风机部件加速损坏的代价。前面叙述了横流塔百叶窗结冰的主要原因是水滴飞溅所造成的要想完全消除飞溅现象，无论采用何种填料。何种防溅措施都无法做到不结冰 多少年来己达成共识，只能起到缓解目的。进入冬季在零下20℃左右的恶劣环境中，无论在塔的何处，只要有水滴就必然有冰出现。根据这一情况我们采取的防冰办法是：（1）将上塔水管内的温水通过管道引入到每层百叶窗的顶端.在每层百叶窗顶端安装Φ60不锈钢管，不锈钢管上每100毫米之间打Φ10喷淋孔，使上塔管内的温水经过喷淋管均匀的喷淋在每层百叶窗表层进入冬季后由于有喷淋管的作用、使每层百叶窗板表面始终形成了一层很薄的热水膜，即使水滴飞溅落在百叶窗表面，由于热水膜的作用再无法形成冰源，从而有效达到防结冰目的。（2）为了防止边层填料及百叶窗上下之间结冰幕，我们通常采用冬季加大边层出水量，夏季减少边层出水量，具体措施是在塔顶端配水池边层增加一至二排喷头.该喷头是可调节的，冬季开启，夏季关闭，防冰成熟经验告知进入寒冷时期只要加大边层水量.使水温不低于7～10℃，塔边层的冰幕是完全能消除的，所以说提高边层水温是最有效的防止塔结冰幕措施。
4.改造后的运行情况
安装化冰管后，循环水平均温差增大，供水平均温差为10.35℃，与安装化冰管前相比平均降低了4.63℃，这表明空气流通，冷却效率显著提高，增强了对循环水温度的宏观调控能力。从凉水塔的外观看，冬季凉水塔的结冰状况得到了根本改善，百叶窗基本未结冰，达到化冰管设计要求。
安装化冰管后，由于百叶窗基本未结冰，因此东塔风机风机冬季未反转，节约了电能，符合立项要求，与2010年同期相比，可节约电量为：99200元×4台塔=396800 元。
由于冬季风机未反转，减少了反转对风机部件的负面影响，使风机叶片、齿轮等部件的损坏频率降低，延长了风机部件使用周期，根据以前风机反转所产生的故障平均数统计，化冰管投用可避免CT-001塔风机叶片损坏2起/年，齿轮故障1起/年，与2010年相比，可节约检维修费用2×1600+1×40000=4.32万元。