line

«Эксплуатация градирен в холодном климате. Охлаждающие устройства с водным охлаждением» (Научно-технический журнал МАСЛОЖИРОВОЙ КОМПЛЕКС)

3.1

 

 

Выпуск №3 (50) сентябрь 2015.

 

 

Компания АЭРФОРС совместно с компанией SPX Cooling Technologies (США), продолжает публикацию серии статей о системах охлаждения водооборотных циклов на промышленных предприятиях, правилах выбора градирен, материалах и эксплуатации градирни  при различных условиях.

 

 

 

 

 

 

3.2Предисловие

 

Целью настоящей технической статьи является, прежде всего, описание эксплуатации в холодное время года градирен разомкнутого контура, связанных с охлаждающими системами посредством воды, включая системы с экономичным режимом со стороны воды (водным экономайзером). Градирни замкнутого контура и испарительные конденсаторы обладают особыми параметрами, которые не описываются в настоящей статье.

 

Системы с водяным охлаждением обеспечивают самый низкий уровень расхода энергии при выполнении большинства циклов охлаждения. Для многих производств требуется круглогодичное охлаждение.

В таких случаях применяется экономичный режим либо с воздушной, либо с водной стороны (воздушный/водный экономайзер) с целью дополнительного снижения уровня расхода энергии. Действительно, положения стандарта 90.1-2013 ASHRAE (американское общество инженеров отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха) расширили использование экономичного режима работы в большем числе климатических зон.

В случае с теми производствами, таких как металлургия, химическая, пищевая и т .д., в которых используются водный экономайзер, градирни должны работать круглогодично.

 

В случае с регионами с более холодным климатом или зимний период года, многих конструкторов и специалистов беспокоит вопрос эксплуатации градирен при температурах ниже точки замерзания. Соблюдение простых правил эксплуатации обеспечивает возможность успешной эксплуатации  градирен  при  очень  низкой  температуре -15 0C и ниже, как показано на фотографии, приведенной справа.

 

Условия длительной работы при минусовой температуре, такие как работа в течение более 24 часов при температуре по влажному термометру, не поднимающейся выше 0 0С, могут рассматриваться как «длительные условия замерзания», так как в таких условиях отсутствует ежедневный цикл замораживания-размораживания.

Должны также учитываться и другие факторы, такие как скорость ветра.

В общем, когда в прогнозе погоды указывается коэффициент охлаждения ветром до температуры ниже 0 0С в течение более чем одного дня, специалисты должны применить стратегию работы при минусовых температурах. Желательно чтобы такая стратегия была встроена в систему, автоматизирована и использовалась постоянно.

 

По сравнению с некоторыми производствами , предприятия непрерывного цикла работают круглый год при большой нагрузке, в связи с чем размеры градирни определяются в соответствии с использованием экономичного режима в зимнее время.

 

1

 

Это, в свою очередь, приводит к чрезмерно большому размеру градирни для использования в летнее время. Градирни, работающие в экономичном режиме, должны создавать температуру воды, которая, по меньшей мере, равняется или ниже температуры охлажденной воды, которая в противном случае производилась бы при работе обычного водяного охладителя. Следует также учесть, что во время незначительной нагрузки на предприятии, что обычно бывает на начальном этапе его работы, существует вероятность потенциального воздействия в виду большего размера градирни в условиях замерзания.

 

Эксплуатация градирен в холодное время года – общая информация

 

Градирни успешно применяются по всему миру в самых суровых погодных условиях с минусовыми температурами. Чем холоднее погода, тем более важно соблюдение относительно простых протоколов и мер предосторожности во избежание проблем с эксплуатацией. Промышленные предприятия, работающие с полной нагрузкой, – это, на самом деле, идеальные кандидаты для применения экономных режимов с водной стороны в период  минусовых температур благодаря круглогодичной тепловой нагрузке.

 

Базовые принципы работы в холодных погодных условиях:

  • Не следует эксплуатировать градирни без тепловой нагрузки, и не следует оставлять работающие градирни без присмотра в случае их длительной эксплуатации при постоянных минусовых температурах.
  • Следует обеспечить расчетный минимальный или максимальный уровень подачи воды на ороситель градирни во время эксплуатации.

 

При любом уровне подачи воды, устанавливаемом специалистом, следует следить за тем, чтобы был обеспечен, по меньшей мере, минимальный уровень подачи воды, предусмотренный производителем на каждый сектор градирни. Количество секторов, принимающих воду, должно регулироваться для обеспечения минимального уровня подачи на сектор, требуемого производителем градирни. Сектора градирни должны быть спроектированы с учетом

50 %-го уменьшения подачи воды, хотя некоторые конструкции обеспечивают большее регулирование подачи воды

 

  • Если желаемый уровень подачи воды охлаждения в системе опускается ниже минимума, количество секторов должно быть сокращено одновременно с сокращением уровня подачи воды, чтобы подача была больше или равнялась минимальному уровню подачи на сектор.
  • Производитель градирни может сократить подачу подачи до минимального значения за счет распределения воды внутри секции, таким образом приспосабливая работу системы под меньший объем подачи воды посредством соответствующего сокращения активной площади в горизонтальной проекции (за счет использования перегородок в резервуаре сбора теплой воды или защиты от перелива, установленных в перекрестно-точных градирнях) при сохранении уровня влажности и нагрева внутри градирни.
  • Поддержание требуемого уровня потока воздуха для сохранения температуры воды выше уровня замерзания во всех частях теплообменника в пределах всех рабочих секций градирни.

 

Поддержание тепловой нагрузки

 

Без тепловой нагрузки ток воды в градирне закончится либо при определенной температуре воздуха, либо при формировании льда, в зависимости от того, что наступит раньше, как показано на рисунке 1. Это произойдет быстрее при работающих вентиляторах и медленнее если они выключены. Следует учитывать, что температура по смоченному термометру определяет передачу испарительного тепла и равняется температуре сухого термометра или меньше ее. Например, при температуре сухого термометра в

1,7 °С, что выше температуры, обычно рассматриваемой как температура замерзания, температура смоченного термометра зачастую может быть ниже 0 °С, при этом вода, текущая в градирне, может замерзнуть, если не будут предприняты надлежащие меры.

 

2

 

Следует соблюдать осторожность. Не важно, насколько автоматизирована работа вашей градирни, при постоянной эксплуатации при температуре ниже нуля необходимо регулярно проверять систему. Скорее всего, одной проверки за смену будет достаточно, но может быть и нет. Все зависит от условий на месте эксплуатации. Требуемое количество проверок определяется на основании опыта. Зачастую наблюдение за градирней можно осуществлять дистанционно из пункта управления с использованием камер видеонаблюдения. Чем холоднее погода, тем чаше следует лично проверять градирню.

 

Обеспечение обходной линии, при необходимости

 

При слишком большом падении тепловой нагрузки для предотвращения обледенения при низкой температуре следует обеспечить наличие обходной линии для подачи воды непосредственно в резервуар (-ы) для холодной воды. Не следует подавать воду в градирню, пока она не достигнет желаемой температуры. Не следует изменять скорость потока воды в обходной линии, так как это может привести к замерзанию воды на тех участках, где объем потока наименьший. Размер и маршрут прохождения обходной линии следует определить с помощью производителя градирни или можно приобрести ее в качестве опции для новой градирни. См. рисунок 2.

 

3

 

РИСУНОК 2.  Обеспечение обходной линии для подачи воды непосредственно в емкость для холодной воды, когда температура воды падает ниже указанного производителем минимума в холодное время и при уже выключенных вентиляторах

 

Надлежащее управление потоком воздуха

 

Вентиляторы многосекционных градирен иногда работают в определенной последовательности: все включены, один выключен, два выключены и т. д. Тем не менее, приведенные ниже данные показывают, что это может привести к возможности замерзания в определенных секциях, например, при температуре в -1,1 0С влажного термометра. Температура воды с работающими во всех трех секциях вентиляторами равняется температуре, показанной на рисунке 3.

 

12

 

РИСУНОК 3.  Одинаковая температура воды на выходе из каждой секции при всех вентиляторах, работающих с одинаковой скоростью.

 

Температура воды в секциях градирни с вентиляторами, работающими в двух секциях, показана на рисунке 4. Температура воды на выходе двух секций ниже температуры воды на выходе из градирни, поступающей в установку охлаждения .

 

13

 

РИСУНОК 4.  Температура воды охлаждения в секции с выключенным вентилятором выше температуры воды в двух других секциях.

 

Температура воды охлаждения при вентиляторе, работающем только в одной секции, показана на рисунке 5. Возможно замерзание воды в пределах секции 3, что будет показано далее в данной статье, даже несмотря на то что средняя температура воды на выходе из секции будет составлять 4,4 0С, а температура воды на выходе из градирни в линии подачи воды в установку охлаждения будет составлять 10 0С.

 

1

 

РИСУНОК 5.  В одной секции с работающим вентилятором температура воды охлаждения на выходе намного ниже, чем температура воды на выходе из двух других секций.

 

Если раньше использовались циклы работы (включения / выключения) вентиляторов и двухскоростные моторы, сейчас приводы с частотным регулированием могут устранить перепады температуры воды охлаждения на выходе разных секций.

Использование приводов с частотным регулированием предпочтительно по многим причинам, но особенно при эксплуатации градирен при низких температурах в течение длительного времени. Каждая секция градирни должна быть оборудована приводом с частотным регулированием и каждая должна работать с одинаковой заданной температурой.

Использование приводов с частотным регулированием является наиболее эффективным методом с точки зрения экономии энергии.

Для наиболее эффективной работы и наиболее устойчивой к замерзанию работы вентиляторов, требуется синхронизация работы приводов всех секций в соответствии с положениями ASHRAE 90.1-2013 (пункт 6.5.5.2.2b).

 

Виды градирен

 

Конструкции градирен с перекрестным током и противотоком различаются по характеристикам работы в холодное время года.

Две базовые конфигурации градирен показаны на рисунке 6 – перекрестный ток и

рисунке 7 – противоток.

 

2

 

РИСУНОК 6.  Перекрестный ток – вода течет вниз по теплообменнику из емкости для теплой воды, расположенной в верхней части, воздух течет горизонтально и поперечно направлению тока воды.

 

 

Некоторые аспекты, общие для градирен обеих конструкций:

  • Необходимость избегать контакта холодного воздуха с участками очень низкого заполнения водой;
  • Необходимость предотвращать вылет капель воды за пределы градирни;
  • Работа при недостаточной тепловой нагрузке в условиях температуры замерзания представляет очевидную проблему для градирен обеих конструкций;
  • Некоторое обледенение градирен в ходе эксплуатации при температуре ниже нуля является нормальным и обычно не представляет проблемы для работы. Прежде всего, обледенение происходит в местах контакта воздуха и воды, таких как впускные жалюзи;
  • Задача заключается в предотвращении чрезмерного обледенения, которое может привести к повреждению градирни.

 

3

 

РИСУНОК 7  Противоток – вода разбрызгивается сверху вниз, течет вниз через теплообменник, а воздух поступает внутрь с боков градирни и направляется вверх. Направление потока воды противоположно направлению потока воздуха.

 

Контроль обледенения – перекрестный ток. На рисунке 8 показаны линии постоянной температуры в теплообменнике градирни с перекрестным током. Здесь показано, что должно произойти в секции 3 (рисунок 5), чтобы обеспечить температуру воды на выходе в 4,4 0С при температуре воды на входе в 15,6 0С. Вода стекает вниз между листами теплообменника градирни самотеком. Температура в нижней части воздухоприемного отверстия составляет приблизительно 0 0С, даже при средней температуре на выходе из секции в 4,4 0С.

 

 

4

 

РИСУНОК 8.  Градиент температуры в теплообменнике градирни с перекрестным током при температуре замерзания в нижней части подачи воздуха.

 

Поток воды идет с уклоном по направлению потока воздуха, как показано на рисунке 8. Ороситель, установленный в градирне с противотоком, спроектирован с уклоном под углом, соответствующим тяге воды по направлению к выпуску воздуха. Таким образом, вода остается между вентиляционной решеткой и каплеуловителями. Когда вентиляторы выключены, вода стекает непосредственно вниз, вызывая сильный поток воды на поверхности вентиляционной (жалюзийной) решетки, как показано на рисунке 9. Такой сильный поток теплой воды может эффективно снимать обледенение с жалюзийной решетки в большинстве случаев.

 

 

5

 

РИСУНОК 9.  Вода омывает поверхность жалюзийной решетки при выключенном вентиляторе.

 

 

6

 

РИСУНОК 10.  Работа секции с сокращенной подачей воды, когда вода подается на участок теплообменника ближе к внешней стороне градирни за счет использования перегородки резервуара подачи или установки колпаков на распылители, расположенные ближе к внутренней стороне.

 

При использовании перегородки или колпаков (насадок) на распылителях (форсунках), сокращенная подача воды концентрируется в части оросителя, расположенной ближе к внешнему краю градирни. При пониженном уровне подачи, вода не переливается в зону, расположенную ближе к внутреннему краю оросителя и остается в соответствующей половине резервуара подачи теплой воды, огороженной перегородкой, как показано на рисунке 10.

Внутренняя часть оросителя градирни остается влажной и теплой за счет воздуха, нагреваемого при прохождении через внешнюю часть. При полной подаче, вода переливается через перегородку и заполняется вся площадь оросителя.

 

Контроль обледенения – противоток.

 

Градирни с противотоком отличаются незначительно меньшим градиентом в нижней части оросителя по сравнению с системами перекрестного тока, но градиент подобен тому, который имеется в конструкциях с перекрестным током в нижней части дождевой зоны между нижней поверхностью оросителя и уровнем воды в резервуаре сбора холодной воды, как показано на рисунке 11.

 

При средней температуре воды в резервуаре сбора холодной воды в 4,4 0С температура в нижней части поверхности отверстия подачи воздуха в дождевой зоне под оросителем может быть равной 0 0С, как в примере с градирней с поперечным потоком. Температура повышается приблизительно до 6 0С к центру градирни.

 

Градирня с противотоком без жалюзийной решетки (обычно это крупногабаритные градирни полевой установки) и конструкционно чистым отверстием для подачи воздуха более устойчива к обледенению, так как в ней меньше мест для скопления или улавливания вылетающих капель воды. Капли воды за пределами нагретого воздуха и водных зон создают обледенение.

 

 

7

 

РИСУНОК 11. Градиент температуры в оросителе градирни с противотоком отличается более низкой температурой по периметру и более высокой температурой в центре.

 

Обычно установка жалюзийных решеток требуется в большинстве противоточных градирен производственных систем, включая градирни заводской сборки, где обеспечение адекватного расстояния между градирней и краями резервуара для сбора воды непрактично. Следует учесть то, что при наличии установленной жалюзийной решетки, обледенение в оросителе противоточной градирни или под ней может быть незаметным, так как лед формируется на внутренней поверхности решетки.  Иногда в градирнях с противотоком используются многоструйные системы для обеспечения работы системы при низком уровне подачи воды, но при этом могут возникать определенные проблемы.

В градирнях с противотоком обычно не используется деление на сектора при уменьшении подачи воды в отдельном секторе.

Отдельные участки обычно изолируются для обеспечения минимальной подачи.

 

При работе установленных на градирне вентиляторов с полной мощностью вода втягивается с поверхности отверстия подачи воздуха, как показано на  рисунке 12.

 

 

8

 

РИСУНОК 12. Втягивание воды вентилятором, работающим на градирне с противотоком.

 

При выключенных вентиляторах существует незначительный отрицательный поток воздуха из-за тягового усилия, создаваемого водой в распылительной камере и под оросителем градирни. Поэтому вода немного выходит за вертикальный предел оросителя. Такое усилие обычно достаточно сильное, чтобы преодолеть естественную тягу, создаваемую нагревом воздуха теплой водой от тепловой нагрузки на градирню. Воздух поступает в обратном направлении с низкой скоростью и выходит из впускных отверстий, как показано на рисунке 13. Такое движение воздуха усиливает обледенение жалюзийных решеток при низкой температуре.

 

 

1

 

РИСУНОК 13. Вода за пределами оросителя градирни с противотоком при неработающих вентиляторах.

Резервуар для сбора холодной воды больше площади горизонтального сечения оросителя, что сделано для сбора воды.

 

Работа вентилятора в обратном направлении.

 

Целью является защита от обледенения, но если появляется корка льда, первое, что можно сделать, это выключить вентиляторы сектор за сектором, чтобы теплая вода растопила лед в определенном секторе за определенное время.

 

В  случае с более сильным обледенением, следует сделать так, чтобы вентиляторы вращались в обратном направлении (реверс) с замедленной скоростью (обычно 30 % от обычной скорости или меньше с приводом с частотным регулированием) в течение незначительного времени для оттаивания жалюзийной решетки на впускных отверстиях.

 

Это еще одно преимущество от использования привода с частотным регулированием в градирнях, эксплуатируемых при низких температурах.

 

Вращение вентилятора в  обратном направлении направляет определенное количество воды из градирни, а также проводит холодный воздух вниз через оборудование вентилятора.

 

Персонал должен внимательно следить за процессом удаления льда при помощи обратного вращения вентилятора и должен стараться максимально сократить время такого процесса.

 

Работа в холодное время года

 

Градирни с системами «сухого водосборного резервуара».

Системы «сухого водосборного резервуара» или дистанционного сборного колодца обеспечивают автоматическую защиту от замерзания воды в резервуарах для сбора холодной воды и дренажных трубах, как показано на рисунке 14.

Вся вода охлаждения стекает в резервуар самотоком. Производитель предоставляет информацию по объему дренажа градирни для определения требуемого объема дистанционного сборного колодца.

Объем системы сверх уровня перетекания резервуара должен быть добавлен для определения необходимого объема резервуара.

 

2

 

РИСУНОК 14.  Схема системы «сухого резервуара» с емкостью для сбора воды, установленной внутри помещения.

 

Градирни без системы «сухого резервуара»

 

Без сухого резервуара для сбора воды на момент выключения тепловая нагрузка уходит, и вода остается неподвижной на указанном уровне. Все участки, заполненные водой, при минусовой температуре подвержены замерзанию,  как  показано  на

рисунке 15.

 

3

 

РИСУНОК 15.  Схема системы без сухого резервуара – вода остается в градирне, возможны проблемы с системой трубопровода.

 

Если система выключается на зимний период, следует слить воду с градирни и всех труб системы трубопровода, как показано на рисунке 16.

Следует отключить подачу воды в градирню и слить воду с данной линии трубопровода.

 

4

 

РИСУНОК 16.  Условия дренажа для предотвращения обледенения градирни без системы сухого резервуара после ее выключения.

 

Если система будет выключена без дренажа, тепло должно быть подано на участки системы, подверженные воздействию низких температур, как показано на рисунке 17. Следует узнать у производителя необходимую тепловую нагрузку. Необходимо контролировать работу нагревателей резервуара накопления воды таким образом, чтобы они работали, когда поток воды в системе выключен и холодная вода находится в резервуаре для накопления холодной воды. Система подогрева резервуаров для накопления холодной воды обычно поставляется как опция с новыми градирнями. Нагреватели не должны включаться, если они не полностью покрыты водой.

Для поддержания в резервуаре постоянной температуры, превышающей 4,4 0С, при определенной внешней температуре, должен использоваться термостат. Внешний источник тепла (система подачи пара или горячей воды) обычно также имеется в качестве опции. Производится обогрев всех линий, заполненных водой и открытых воздействию минусовых температур, как показано на рисунке 17. Линия подачи воды подпитки также относится к этой категории (обычно, данная линия меньше в диаметре, по сравнению с другими трубами циркуляции холодной воды и поэтому замерзает быстрее).

 

5

 

РИСУНОК 17. Участки системы, требующие подогрева для защиты от замерзания при отключении системы без дренажа воды.

 

Другие инструкции

 

Необходимо следить за формированием льда вокруг градирни, особенно на дорожках и лестницах, так как обледенение может представлять опасность. Следует использовать выключатели вентиляторов, срабатывающие при высоком уровне вибрации, для предотвращения проблем, которые могут вызываться обледенением при запуске вентиляторов или при эксплуатации системы при минусовых температурах с низкой тепловой нагрузкой.

 

Экономичный режим со стороны воды (водный экономайзер) – естественное охлаждение

 

При использовании экономичного режима, необходимо учитывать объем рециркуляции воды и диапазон температур охлаждения. Уменьшение подачи воды повышает диапазон темпера-тур охлаждения при постоянной тепловой нагрузке.

 

Примеры на рисунках 8 и 11 показывают, что в диапазоне -6,7 0С, вода с температурой на выходе из секции градирни в 4,4 0С, может приводить к возникновению температуры замерзания в нижней части воздухоприемного отверстия или жалюзийной решетки.

 

Более низкий диапазон температур охлаждения при более высокой скорости подачи воды приводит к меньшему градиенту. Другими словами, работа системы с удвоенной подачей воды и диапазоном охлаждения в -12,2 0С при той же температуре воды охлаждения в 4,4 0С приведет к более высокой температуре воды в нижней части воздухоприемного отверстия, и таким образом, система меньше будет подвержена замерзанию в нижней части поверхности жалюзийной решетки. Самая низкая температура в нижней части воздухоприемного отверстия может составлять 2,2 0С вместо 0 0С при диапазоне в -6,7 0С.

 

Уменьшение подачи и повышение диапазона для более низких температур холодной воды на выходе при экономичном режиме не предусматривает защиту от замерзания.

 

Следует поддерживать высокую скорость подачи воды и обеспечить цикличную работу частотно-регулируемых приводов вентиляторов (минимальные обороты – выключение), если необходимо поддерживать в заполнении градирни самую высокую возможную температуру при работе в экономичном режиме.

 

Очевидно что, чем выше будет заданное для экономайзера значение, тем меньше будет риск замерзания.

 

При установочном значении температуры в 7,2 0С и выше при самой высокой скорости подачи воды, которая может быть обеспечена, вероятность замерзания в экономичном режиме будет уменьшена.

 

Встроенные экономайзеры

 

Использование встроенных экономайзеров для промышленных предприятий или других видов применения рассматривается как преимущество при эксплуатации градирен в общем, но в частности, при их эксплуатации в холодных погодных условиях.

 

Наличие экономайзера позволяет обеспечить плавный переход в любом направлении от экономичного режима до режима системы охлаждения.

 

Использование экономичного режима считается желательным для обеспечения наилучшего контроля в условиях замерзания и требуется стандартом 90.1-2013 ASHRAE.

 

Резюме

 

Градирни могут успешно эксплуатироваться в любых погодных условиях, включая условия низких температур

Для этого требуется внимание к основным принципам и основным характеристикам системы.

 

Использование частотно-регулируемых приводов в системах любого размера уменьшает риск замерзания!

 

При использовании систем в местах с сильными морозами, следует рассмотреть возможность использования дистанционных сточных колодцев.

 

Владельцы и конструкторы систем, предназначенных для использования градирен в холодный период, могут с уверенностью использовать преимущества существенной экономии энергии систем с водяным охлаждением, а также экономичным режимом со стороны воды (водным экономайзером), также известным как «естественное охлаждение».

 

Пример инсталяции поперечноточной градирни с установленым реверсом вращения электродвигателя вентилятора

 

Установка градирни SPX Marley серии NC на маслоэкстракционном заводе в республике Молдова.

 

Год ввода в эксплуатацию – 2014

Место – г. Бельцы

Назначение градирни – охлаждение воды оборотного цикла.

 

Цель реконструкции:

  • Обеспечить более высокую эффективность и стабильность работы производства
  • Достичь на новой градирне перепад температур в летний период нагретой и охлажденной воды не менее 7 градусов

 

Технические характеристики:

  • Объем оборотной воды – 900 м3/час
  • Горячая воды – +35 0C
  • Холодная вода – +28 0C
  • Температура влажного термометра – +22 0C

 

 

6