刘 锋，张 宇，肇 群

(沈阳仪表科学研究院有限公司, 辽宁 沈阳 110043)

空冷器是以空气为冷却介质的热交换设备，可用于各种流体的冷凝和冷却。近十余年来，在我国节能环保政策的强力推动下，各类大型空冷器在电力、石化等领域获得广泛应用。按管束布置方式，空冷器主要划分为水平式和斜顶式[1]，也有立式、V型、环形、多边形等少数类型。空冷器的开放式布置使之容易受到外界环境、空气的污染和影响并引发换热性能下降，夏季高温超出设备设计温度，散热效果不达标等实际问题[2-3]，会给整个工艺系统的安全、经济运行带来巨大风险。因此，空冷翅片定期清洗和高温季节喷淋降温已经成为空冷器运行必不可少的2个运行辅助系统[4-8]。这2个系统集成为1个系统可提高水的利用率并降低设备投资，笔者研究了空冷器高压水清洗系统和空冷器喷淋降温系统组成，介绍了正在进行的集成方案设计和集成系统测试试验研究。

1 空冷器清洗系统主要构成[9]

1.1 高压水泵

典型高压水泵外型图见图1[10]。高压水泵选用三柱塞高压往复泵，其特点是适合在高压力、小流量工况使用。空冷翅片上的污垢以灰尘、柳絮及飞鸟粪便为主。根据试验经验，通常采用压力为8～10 MPa、质量流量为10～20 t/h的高压柱塞泵。高压水泵常配有柔性进出口接管、压力开关、压力表、调压阀、安全阀及过滤器等管路连接附件。

图1 典型高压水泵外型图

1.2 管路系统

管路系统由输水管路、阀门、高压橡胶软管及快速接头等组成。管路系统的作用是将高压水从地面输送到空冷器的工作平台上，并与清洗装置执行末端实现快速连接。

典型高压管路系统与清洗装置执行末端连接系统图见图2。

图2 典型高压管路系统与清洗装置执行末端连接系统

1.3 清洗装置

斜顶式空冷器清洗装置组成见图3。清洗装置由上导轨、下导轨、可以移动的铝合金梯架、水平驱动组件、垂直驱动组件、垂直传动组件、垂直行走组件以及带喷嘴的不锈钢架等主要部件组成。

图3 斜顶式空冷器清洗装置布置图

1.4 控制系统

控制系统由可编程控制器、变频器、限位开关及控制电缆等部分组成。便携式控制箱可以在平台上远程控制柱塞泵的启动和停止，可就地控制清洗装置驱动电机的旋转方向以及启停，驱动电机的转速可以通过调节变频器来进行调节，从而控制清洗过程的位移速度。

2 空冷器喷淋降温系统主要组成[11]

2.1 多级水泵

多级水泵多采用卧式多级离心泵，水泵扬程一般150～200 m，流量根据需要计算配置。泵出水管路上配备手动闸阀、电动调节阀、止回阀、压力表和压力变送器。止回阀后面安装一路排水口及阀门。

2.2 管路及喷淋装置[12]

常见喷淋装置布置示意图见图4。管路为独立布置，分为主管路和支管路，由泵出口处引至空冷器下方，依据喷嘴布置需要，支管路均匀布置。喷淋装置喷射角度一般选择120°，在翅片高度方向上布置不少于3个实心锥喷嘴，尽量使射流范围覆盖整个翅片面。

图4 常见喷淋装置布置示图

2.3 控制系统

喷淋系统的离心泵启动和停止、系统内各处电动阀门的调节直接由DCS远程控制。

3 高压雾化射流技术与试验研究

3.1 液滴分散技术比较[13-14]

高压雾化射流设计以优化喷淋系统为预定研究目标。常见喷淋系统在理论上以及使用初期效果明显，但长时间使用就会由于喷淋液滴颗粒较大出现水无法完全蒸发、降温过程耗水量巨大、喷淋水直接喷至翅片表面、液滴聚集、长期使用结垢、换热效率降低及无法清洗等问题。

相对于常规水喷雾或水喷淋，高压射流会产生更高的喷射速度，从而产生更为细小的雾滴粒径且分布均匀。液滴的直径越小，其在空气中蒸发换热的速度就越快，降温效果就越好，并且减少液滴凝结下落带来的资源浪费。分别采用喷淋、低压雾化和高压雾化方式对相同体积的水进行分散处理并对处理效果加以比较，统计的液滴参数见表1，水滴的相对大小见图5。

表1 喷淋水滴、低压雾滴和高压雾滴参数统计[15]

3.2 试验装置及关键部件构成

高压雾化射流试验以水为工质，其系统组成示意图见图6。此系统主要由柱塞泵、压力变送器、流量计、高速摄像机、激光粒度分析仪及喷嘴等组成，其中高压喷嘴为关键部件。在高压喷嘴设计上采用了内部旋芯结构，可有效迫使水流高速通过喷嘴而破碎雾化。高压喷嘴内部的旋芯结构见图7。

图6 高压雾化射流试验系统示图

图7 高压喷嘴旋芯结构示图

3.3 试验及结果分析

高压泵喷嘴压力调节范围为0～10 MPa，体积流量为7.4 L/min，粒度分析仪量程为1～800 μm。用孔径分别为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm的3种规格喷嘴进行试验。以粒子分布概率分别为10%、50%、90% 对应的粒子直径, 即D10、D50、D90来描述每一流动工况下喷嘴的雾化效果。

3.3.1喷嘴压力对喷嘴体积流量的影响

喷嘴工作压力与流量的关系是研究喷嘴及其应用的关键参数。喷嘴工作压力越高，其输出介质流量就越大。不同结构参数喷嘴的数值影响不同，研究其影响关系，可为系统设计提供参数选型依据。试验得到的3种不同孔径高压喷嘴压力与体积流量的特性曲线见图8。

图8 喷嘴压力与体积流量特性曲线

图8显示，在不同工作压力下，喷嘴的瞬时体积流量随着压力的升高而增大，同时在相同压力下，孔径大的喷嘴其体积流量也大，但喷嘴体积流量变化与孔径变化并不是成比例关系。试验数据的汇总可为不同工况下合理匹配喷嘴提供设计依据。

3.3.2喷嘴孔径和压力对雾化效果影响

以孔径0.1 mm喷嘴在8 MPa压力下、距离喷嘴出口300 mm位置处的雾化射流试验为例说明试验数据的处理方法。雾滴的粒径、体积分数、累计体积分数数据见表2。

表2 孔径0.1 mm喷嘴8 MPa下获得的雾滴粒径与体积分数

根据表2做雾滴粒径分布图,见图9。由图9可知，D10、D50、D90、D95、D97对应平均雾滴粒径依次为12.56 μm、30.93 μm、62.44 μm、72.89 μm和79.51 μm，粒径小于100 μm的雾滴累积体积分数为99.72%，说明获得了较好的雾化效果。

图9 孔径0.1 m喷嘴在8 MPa下雾化粒径分布

采用相同的试验方法和数据处理方法，改变喷嘴直径和喷嘴压力进行试验和试验数据处理，得到0.1～0.3 mm孔径喷嘴在6～10 MPa下雾化射流场D50雾滴的统计粒径，见表3。

表3 射流场300 mm处D50雾滴统计粒径 μm

从表3可以看出，对于相同孔径喷嘴，随着工作压力的升高，粒径会逐渐减小，从6 MPa到8 MPa，粒径减小幅度较大，从8 MPa到10 MPa，粒径减小的幅度逐渐减小。同时，在相同压力下，喷嘴孔径越小，粒径越小。

4 高压水清洗与雾化降温系统集成设计

4.1 集成设计思路

雾化性能的提升可有效改善传统喷淋系统的不足，能提高水的利用率。有研究表明[12]，液滴与空气热质交换强弱与液滴直径有密切关系，液滴直径越大，相对湿度变化使液滴寿命成倍增长，所以，用于热交换的液滴直径以小于100 μm为宜。上述试验研究表明，在喷嘴孔径小于0.3 mm、压力不低于8 MPa情况下，均能使雾化颗粒粒径小于100 μm的雾滴累积体积分数达到99.72%。因此，喷嘴孔径一般选在0.3 mm以下，雾化压力以不低于8 MPa为宜。高压水清洗系统的工作压力为8～10 MPa，与试验中达到良好雾化效果所需压力基本相同，具备形成高压水清洗与雾化降温集成设计的基本条件。系统集成还应包括设备材料共用，在用水量的计算上需要统筹考虑2个系统，以达到平衡，获得最优化效果。

4.2 集成系统管道仪表流程

高压水清洗与雾化降温集成系统管道仪表流程见图10，集成系统由进水阀门、过滤装置、高压柱塞泵、调压装置、压力表、管路系统、高压阀门、连接软管、高压清洗装置、高压喷雾装置及集中控制系统构成。

图10 高压水清洗与雾化降温集成系统管道仪表流程图

4.3 集成系统水清洗和喷雾功能使用

集成系统的高压水清洗主要用于春季空冷器翅片的清洗。春季风沙大，柳絮多，造成泥沙和杂物在翅片外表面的沉积，降低换热效率，影响空冷器的正常运行。集成系统的高压水喷雾功能主要用于夏季空冷器的降温。夏季空冷器运行温度高于设定值时，将高压喷雾装置安装于空冷器空气侧入口，开启雾化射流，水雾滴悬浮于空气中，完全蒸发吸热，可以有效提升空冷器换热性能。系统间切换可由切换阀门实现，冬季可将管路中的水全部排出，防止管路冻坏。集成系统的高压水清洗和喷雾降温工作现场见图11。

图11 高压水清洗与雾化降温系统现场应用照片

4.4 集成系统与传统方案对比

集成系统已经在山西某项目得到了应用，应用效果良好。与传统的高压清洗+喷淋系统相比，高压水清洗与雾化降温集成系统在多个方面具有优势，二者的对比见表4。

表4 集成系统与传统方案对比

5 结语

针对空冷器的高压清洗和喷水降温，分析了常见清洗系统和喷淋系统的组成及使用效果，提出了喷淋系统存在的问题，研究了高压雾化射流技术，探究了高压水清洗和雾化降温系统集成的可能性，进行了雾化试验，实现了系统的集成设计与应用。集成系统应用结果表明，将高压水清洗与雾化集成设计是可行的，可使高压水发生装置及介质输送管路形成共用，减少系统安装施工量，降低投入成本，系统性价比更高。