冷却塔平衡管的作用—解决拼装冷却塔“一边溢流、一边补水”问题？

采用水冷集中空调系统的建筑规模通常较大，需要设置多台冷却塔，广泛采用如下方案：冷却塔拼装，多台冷却塔共用进出水干管，在每台塔进水支管上设置电动阀与对应冷却水泵联动开关，在每台塔出水支管上设置手动检修阀，并在多台冷却塔集水盘之间设置平衡管以平衡各塔集水盘水位，其连接情况如图1所示。对此方案，冷却塔运行后发现了如下现象：在冷却塔间歇运行时，一部分冷却塔进水阀关闭，运行的冷却塔不断溢水，而不运行的冷却塔持续补水（下文简称）。对此有以下解决方案：方案1，在各塔出水支管上装电动阀，电动阀与进水管上的电动阀联动开关；方案2，在各塔之间加平衡管，加大平衡管管径和出水干管共用管段管径，并建议计算平衡管管径。实践证明，方案1可以在关闭部分冷却塔时，有效解决“一边溢流、一边补水”的问题，但在工程设计技术措施和设计规范中对此无强制规定，仅要求“拼装冷却塔无集水箱或公用集水盘时，冷却塔的出水管应设置与对应冷却水泵联锁开闭的电动阀”，因此很多工程中实际采用方案2。笔者通过对近2年来采用方案２的多个工程项目进行调查发现，虽然设计方案符合设计规范和标准规定，但关闭一些进水管阀门后依然出现“一边溢流、一边补水”的现象，运行管理人员无法解决，只能打开关闭了风扇的冷却塔进水管电动阀，已关风扇的冷却塔的冷却水冷却效果很差，与开启冷却塔处理过的低温水混合后返回制冷机，提高了进入制冷机的冷却水温度，降低了制冷效率。这种情况在工程中较为常见，影响了空调系统正常运行和节能节水，针对此问题，本文进行了一些分析，尝试进一步确定其原因并寻找解决方案。
图1，2台拼装冷却塔接管示意图

1 问题分析
以图1所示的2台冷却塔拼装的例子进行分析，每台冷却塔的设计处理水量为300 m3/h，每台冷却塔的进出水支管管径为DN250，平衡管尺寸与单台冷却塔的出水支管尺寸一致，出水干管尺寸加大到DN400，出水干管1（1台塔水量）的设计比摩阻为13 Pa/m，出水干管2（2台塔水量）的设计比摩阻为47 Pa/m，该设计方案基本符合改进方案2。
现在对关闭1台冷却塔的运行工况进行初步分析（见图2），正常运行时，冷却塔集水盘控制水位高度H0，溢水口与水盘控制水位高差为ΔH0（水盘控制水位指冷却塔补水系统停止补水的最低水位）。假设此时关闭2号冷却塔的进水支管电动阀V2，仅运行1号冷却塔，此时对应的冷却水泵也仅开启1号冷却塔对应水泵，为简化问题，假设此时进入1号冷却塔的水量仍然是设计水量（实际情况是此时开启的冷却塔水量会增加）。进入1号冷却塔的冷却水量会通过以下通道返回制冷机：
通道1，1号塔水盘→出水支管1→出水干管1→P点；
通道2，1号塔水盘→平衡支管1→平衡干管→平衡支管2→2号塔水盘→出水支管2→P点。
图2 2台冷却塔拼装运行示意图
对通道2，冷却水从水盘1流到水盘2需要克服平衡管的沿程阻力和局部阻力，其动力来源于2个水盘的运行水位差ΔH。假设系统不发生溢水，2号塔集水盘水位保持在控制水位H0，1号塔集水盘水位需要上升ΔH，而实际上1号塔水位最多上升ΔH0，那么是否会发生溢水，就取决于ΔH与ΔH0的大小。如果冷却塔的ΔH0＞ΔH，不发生溢水，如图2a所示；反之如图2b所示，发生溢水，2号塔水位下降，从而开始补水。通过上述分析可见，开启的冷却塔水经平衡管流向关闭的冷却塔的阻力造成的水头损失大于ΔH0时就会产生“一边溢流、一边补水”现象。
综上，造成“一边溢流、一边补水”现象有2个关键点：溢水口与水盘控制水位高差ΔH0、通过平衡管的水头损失ΔH。ΔH0的大小由设备及安装确定，一般受限于水盘深度，其数值一般不超过100 mm，很多项目的ΔH0仅50 mm左右，ΔH0越大，越不容易溢水，反之越容易溢水。ΔH主要受平衡管设计参数和管道布置的影响，也与冷却塔开关情况有关，其数值越大，越容易溢水。由于实际工程ΔH0不大，而ΔH又几乎未经计算分析，因此本文讨论的这种冷却塔管道设计方案是存在较大风险的。
2 计算分析(详见原文)
上一章分析了拼装冷却塔产生“一边溢流、一边补水”现象的原因，现通过计算分析进行验证。
3 解决方案
从冷却塔管道设计角度，在不改变溢水口与水盘控制水位高差ΔH0的情况下，避免“一边溢流、一边补水”现象，就要降低关闭塔后两塔水盘需要达到的水位差ΔH（不溢水时），也就是降低平衡管流通阻力，有2个途径：减小平衡管的阻力系数和减小平衡管的流通水量。前者可通过增大平衡管管径实现，后者可通过增大冷却塔出水管管径实现（增加冷却塔出水管的流量以减小平衡管流量）。基于此考虑，对本案例几个调整方案的分析结果见表3。
表3 调整冷却塔接管方案分析
方案1只增大了平衡干管管径，效果很差，原因是平衡管阻力主要是在平衡支管上。实际工程中，受安装空间、设备接口尺寸限制，往往都是只增大平衡管干管尺寸，而很少放大各塔平衡管支管尺寸，理论分析和实际效果都证明，这种设计收效甚微。
方案2把平衡管整体管径由DN250加大为DN300，水盘水位差明显下降，但仍有溢水风险。
方案3把平衡管整体管径由DN250加大为DN350，水盘水位差明显下降，基本可避免“一边溢流、一边补水”的风险。通过加大各塔平衡管支管管径，可以实现不溢水，对不同的管道布置和设备配置，要经详细计算确定，限于空间和造价，不能盲目将管径加大过多。
方案4和方案5分别将冷却塔出水支管管径加大为DN300和DN350，水盘水位差虽有下降，但仍有溢水风险。考虑安装空间及投入，继续加大出水管管径也不妥当。
方案6同时把平衡管和冷却塔出水管管径加大为DN300，水盘水位差明显下降，基本可避免“一边溢流、一边补水”的风险。相比于方案3，通过整体调整出水管和平衡管管径，各塔平衡支管比原设计加大一号即可，减少了安装空间需求。
以上分析表明，对拼装冷却塔，在进水管设置电动阀与对应水泵联动、出水管不设置电动阀的设计方案，如不经详细计算确定管道设计方案，存在很大的“一边溢流、一边补水”风险，而通过计算分析，选择合适的冷却塔出水管径和平衡管径，可以避免此问题。本文所述2个冷却塔的案例相对简单，如是多台冷却塔拼装，需要选择各塔之间平衡管流量较大的工况进行计算。
对冷却塔出水管不设电动阀的情况，通过调整管径虽然可以解决，但需要详细计算，在冷却塔台数较多时计算很复杂，并要增加管道尺寸和安装空间，同时需要产品支持更大的管道接口尺寸（需要在招标时提出要求，一般需要厂家对产品加以调整，实现难度较大），当调整管径有困难时，还可以考虑采取以下措施：
1）从设计角度，对拼装冷却塔进水支管和出水支管都设置电动阀，进出水管电动阀与对应冷却水泵联动开闭，可避免关闭塔水盘水位降低造成持续补水；
2）从设备角度，冷却塔选型时加大水盘尺寸，安装时适当提高溢水口与水盘运行时控制水位高差ΔH0，建议最少达到100 mm。
4 结论
1）工程实践证明，拼装冷却塔采用在进水管设计电动阀、在出水管不设电动阀的方案时，即使管道布置和平衡管设计符合相关设计规范和技术措施要求，运行中仍经常出现“一边溢流、一边补水”的现象，需要引起重视。经计算分析，造成该问题的直接原因是冷却塔水盘溢水口与控制水位高差较小、平衡管流通的阻力损失相对较大。
2）对上述设计方案，冷却塔管道的分析计算不能仅按照所有塔同时运行工况分析，需要考虑冷却塔进水管水阀关闭时的间歇运行工况，即平衡管水量较大时的不利工况。通过管道阻力计算研究此设计的改进方案，有以下结论：
①选择合适的平衡管和冷却塔出水支管管径，可以解决“一边溢流、一边补水”问题。
②仅加大平衡管干管管径的改善效果非常有限，这是实际工程运行效果不佳的原因。
③加大各塔平衡管支管管径或者整体加大平衡管支管、出水支管管径是有效的解决方案。这需要产品支持，设计阶段应明确提出对产品接管的要求，设备招标时重点考核此指标。
3）当调整管道设计有困难时，也可通过以下措施对此设计方案进行调整，避免“一边溢流、一边补水”：
①设计层面，拼装冷却塔进水支管和出水支管都设置电动阀；
②设备层面，适当提高溢水口与水盘运行时控制水位高差。