冷却水塔效能评估模型的发展

李焱　姚姗姗

【摘要】冷却水塔普遍应用在发电厂、化学工厂、钢铁厂及大型冷冻空调系统。上述场所产生或消耗的电量都极为庞大，其操作系统的热效率可经由冷却水塔效能改善及操作调节而得到提升。本研究构想评估既有冷却水塔的效能，及提出改善诊断，以期在节能减碳上能有所贡献。

【关键词】冷却；水塔；效能；评估

一、系统简介

系统中包含一座冷却水塔（CT-4）、两部汽轮发电机CT-4藉由塔顶六座风扇并提供固定约2.1×107kg/hr冷却水量供两部TG的冷凝器冷却水降温。而CT-4即为本研究对象。

一般冷却水塔包含若干个风扇与数个泵，并会有其相对应的汽轮机、鼓风机或其他设备。冷却水入口温度大约在40℃上下，冷却水出口温度大约在32℃上下。冷却水塔经由风扇将空气吸入塔中与冷却水做热交换。风扇的运转模式分为高转速、低转速或多段变频。

冷却水塔冷却水提供若干个汽轮机、鼓风机或其他设备的冷凝器使用，冷却水与风扇所吸入的空气做能量与质量的交换以达到冷却之用，外气湿球温度对冷却水塔的效能影响甚巨，因此整体系统的优化操作中，湿球温度为一重要因素。

研究过程需要完整的操作数据，如冷却水出入口温度、冷却水出入口水流量、风扇电流量等，以分析建立冷却水塔性能评估。

二、冷却水塔

冷却水塔对于石化厂、发电厂及空调设备的冷凝器及热交换器的冷却循环水的降温应用非常重要，塔内装有填充材料促使汽液接觸良好，温水经由分散喷嘴、板路或管路溢流分配于填料间，空气则藉由强制通风或诱导风的风扇向上吹送穿过冷却水塔的填料，或利用其他设计使空气藉由自然对流进入。主要可分为自然通风式冷却水塔与机械通风式冷却水塔。

本研究中冷却水塔为一机械引导通风横流式如图2所示，总尺寸为60m×22.55m×22.04m，并设有四部离心式泵浦，主要功能是提供冷却水给TG-6与TG-7的主机冷凝器，用以冷却作功后的蒸汽以维持其真空度，经过热交换后的温水则回收至冷却水塔予以强制冷却，供再次循环使用，因为系统中CT-4冷却循环水量约为定值，因此不列入模型中。

CT-4冷却水塔，共分成6个单位，塔底每单位设置6个水池，在气、液能量与质量交换过程中所蒸发的水量或溢散的水量，会经由补水而保持其冷却循环水的流量稳定，塔顶共设有460V风扇6座，每座负责一个单元，分为高转速、低转速两段速度控制式，电流量则分别为200A与40A，可视其运转需要作选择。

三、冷却水塔空气进出口温度湿度

在每座风扇的空气出口端，至少安排两支以上温度计，六个风扇共配置了20支温度计。因为出口空气温度是影响能量平衡计算的重要变量，而且受到风扇影响，出口空气的扰动相当大。多配置几支温度计可确保出口空气温度的准确性，可以拿温度计交叉比对来做确认，或者进一步研究风扇之间的相互关系。出口空气无配置湿度计，乃是由于在现场观测冷却水塔时，发现出口空气中已含有水气，因此可假设出口空气湿度已达饱和，亦即相对湿度达到100%来做计算。影响能量平衡计算的主要因素还包括空气入口端的温湿度数值，因此也需在此配置温度计与湿度计。少了风扇的扰动，在此配置一个温度计与湿度计就够了。需注意的是，温湿度计要与水塔保持距离，以避免冷却水塔内的冷却水影响温度与湿度的测量值。但也不能离得太远，确保量到的空气确实进入冷却水塔中。因此在距离入风口二至三公尺的距离配置一个温度计与湿度计。相关温湿度测量仪器配置完成后后，即可着手收集数据，开始进行风量计算的工作。

四、CTI效能评估方法简介

1.测试时，湿球温度不高于设计值30F；不低于设计值70F，且1小时内误差不超过20F。2.测试时，温差介于设计值上下20%以内，变化幅度在5%以内。3.测试时，循环水介于设计值上下10%以内，变化幅度在5%以内。4.测试时，热负荷介于设计值上下20%以内，变化幅度在5%以内。

前置作业完成后，即可开始进行测试与搜集数据并对冷却水的效能作评估。CTI方法，先由关系式求得液气比（L/G），再取测试区间冷却水出入口温度与湿球温度的平均值计算KaV/L值。将求得的KaV/L值与（L/G）值标示于原设计曲线图上，由此点画一平行于原特性曲线的直线，交于状态曲线于一点，往下即可求得相同于设计条件的（L/G）值。此值与（L/G）的比值即为效率值。CTI也有提到，他们建立的效能评估方法其准确度可能会受下列四点影响。

1.测试时，冷却水流量与设计值差异太大。2.测试时，冷却水的温差和湿球温度与设计值差异太大。3.每一座冷却水塔的特性曲线，不一定皆为A×e-0.6（A为常数）。4.风扇耗电功率的变化略小于实际风量变化。当测试时冷却水量和风扇耗电功率与设计值愈接近，上述第3及第4点造成的误差就愈小。

以本研究的冷却水塔为例，本冷却水塔因为与汽轮发电机相联结，操作员为了避免发电机组过热，造成当机，因此冷却水量无法任意调整。冷却水量太多，则提升操作成本；冷却水量太少，则可能会造成过热当机。再加上湿球温度受天气影响无法控制，而且工厂操作冷却水塔皆有安全或利润上的考虑，工厂的操作员也会去调整冷却水塔风扇的转速，使得风扇耗电功率改变，间接影响出口水温、温差等变量。因此本冷却水塔无法维持操作条件在设计值附近，若以CTI的方法来评估本冷却水塔的效能，则会造成误差，其准确度会受影响。所以，CTI的方法不能适用于所有在工厂中运作的冷却水塔。

五、CTI效能评估方法改良

1.以能量平衡来计算风扇的风量，减少风扇耗电功率与风量关系式的误差，增加风量数值的准确性。2.建立冷却水塔运转模式的模型，以此模型来描述冷却水塔的行为，如此一来，即可对冷却水塔在正常操作外的行为做预测。3.以不同的风扇操作来计算液气比与特性值，如此可建立较完整的特性曲线，不会因为特性曲线为A×e-0.6的假设，而造成误差。

总结

以此方法来取代CTI的方法，即可减少CTI效能评估的误差，建立较完整的特性曲线，其效率计算结果也较为客观。本效能评估方法计算结果，冷却水塔效率值为46.7%，而CTI效能评估方法计算结果，冷却水塔效率值则为76.3%。两者有段差距，以现场观测判断效率值不可能还有70%，显然CTI的方法在效能评估上有误差，CTI的方法高估了本冷却水塔的效率。

参考文献

[1]张学镭.冷却塔冷却性能的评价模型[J].汽轮机技术，2002（05）.