闭式冷却塔冬季运行防冻改造与自动控制

2019-05-18师宇腾张清华

制冷 2019年4期

师宇腾，张清华

（国家图书馆，北京 100081）

水的冷却循环使用是节约水资源和保护环境的重要途径。闭式冷却塔具有保持冷却水的清洁、功能多、节约能源、用途广泛、对环境的适应能力强、可用于冷却高温水等优点。由于工艺需要，有时北方冬季也需要供冷。闭式冷却塔是在冷却塔基础上发展起来的新型冷却设备，它可以利用自然冷源在冬季及过渡季供冷，具有较好的节能效果。

1 闭式冷却塔的工作原理

闭式冷却塔将冷媒置于一个干净的封闭回路中，将冷却塔和热交换器的功能集于一个系统，这些都带来优越的运行性能和维护的便利性。闭式冷却塔由盘管、风机、喷淋水泵、配水盆、集水盆、排污管、溢水管、填料、进风百叶、补水装置等组成。

闭式冷却塔包括内循环水系统和外循环水系统两个系统。内循环水系统：盘管内被冷却后的循环水从塔体流出，由系统循环水泵送往空调机组冷凝器，经过升温后的循环水再进入盘管冷却。外循环水系统：外部喷淋水通过与盘管、填料接触换热达到冷却盘管内部循环水的目的后，落入下部集水盆，由喷淋水泵送至配水盆再次循环。内循环被冷却水通过盘管与管外喷淋水和空气进行热交换，避免了被冷却水与空气直接接触而导致的水质污染。

2 闭式冷却塔应用实例

北京市某数据中心机房空调采用的是水冷机房精密空调机组，共15台机组，总制冷量1093kW，全年365天不间断运行。冷却塔选用的是横流式闭式冷却塔，水用作传热冷媒。在闭式冷却塔进入空气的设计湿球温度为28℃情况下，能将280m3/h的水从36℃冷却到31℃，散热能力1618kW。盘管的压降不超过113kPa。风机共有2台，每台风机电机功率11kW。喷淋水泵一台，电机功率5.5kW，喷淋水流量292m3/h。闭式冷却塔示意图如图1所示。

图1 闭式冷却塔示意图

3 闭式冷却塔防冻问题

冬季北方寒冷地区闭式冷却塔可能仍需运转，在环境低于0℃、负荷降低的情况下，闭式冷却塔低温区域里存在结冰的可能，主要问题是冷却塔结冰压垮填料、集水盆结冰、盘管冻裂等，影响冷却塔的正常运行［1］。

一般采取以下防冻措施：使盘管内具有充足的流量和冷媒具有充足的热负荷，提高允许的内循环水最低供水温度；在集水盆中增加电加热防冻系统；使用防冻液防止内循环水结冰冻裂盘管和管道；在管道上增加保温和电伴热。如果没有采取防冻保护措施，且冬季需要间歇运行，集水盆、露天管道和盘管中的水在停止运行后都必须排空。

4 闭式冷却塔防冻改造方案

本实例闭式冷却塔在建成投入运行的第一个冬季未采取防冻保护措施，运行过程中发生了盘管冻裂事故。在集水盆增加电加热和管道电伴热等保护措施的情况下，仍然出现盘管冻裂无法工作的情况。由于内循环水系统管路较长，系统水容量将近40吨，若使用乙二醇溶液作为防冻液，每隔三到五年需要全部更换，且乙二醇溶液具有一定的腐蚀性和毒性，存在排污、污染、环保等问题，还会增加运输、搬运、补充防冻液等许多工作，运行费用较高。另闭式冷却塔改造前只有一台喷淋水泵，无备用，一旦该泵发生故障，将影响到整个系统的正常运行。

为解决冬季运行集水盆结冰、盘管冻裂、喷淋水泵无备用泵等问题对系统进行了改造设计，改造原理图如图2所示。在冷却塔下方机房内增设集水箱、盘管换热器和两台喷淋循环泵（一用一备）。在喷淋水供、回水管之间增设回流管，回流管上安装电磁阀，防止冬季闭式冷却塔停止运行时管道积水冻结。集水箱上连接有补水管道、溢水管道和排污管道。

集水箱上分别安装水位指示器显示液位高度，水位传感器用于控制补水，水温传感器监测水箱温度。

图2 闭式冷却塔改造原理图

5 闭式冷却塔运行自动控制

闭式冷却塔自带的盘管、集水盆供夏季和过渡季节使用，冬季运行时切换到集水箱内的盘管换热器，同时将闭式冷却塔自带盘管中的水排空并用氮气吹扫。

闭式冷却塔控制采用的是集中分散式控制系统，现场控制器选用PLC控制器，上位机组态监控界面如图3所示。

图3 闭式冷却塔运行监控界面

5.1 水泵、风机控制

控制柜上设远程/就地选择旋钮和手动启停按钮，远程状态由控制器自动控制，就地状态手动控制启停，便于检修时使用，就地控制优先。

冬季运行时根据循环冷却水回水温度、集水箱内水温控制喷淋循环泵和风机的启停。为防止冷却塔结冰，可适当提高循环冷却水回水温度，当循环冷却水回水温度高于22℃时开启喷淋循环泵和风机，循环冷却水回水温度低于15℃或者集水箱内水温低于5℃时停止喷淋循环泵和风机运行。

风机可以远程控制转向，反向运转用来除冰。冬季运行时如果闭式冷却塔进风百叶上结冰过多，停止运转风机几分钟，百叶附近的水流就会加快，减少冰的形成。在持续极度低温情况下，可将风机反向运转，使热空气吹过百叶，融化积冰。反转风机的时间控制在1~2分钟，化冰时进行监控以决定化冰时间。冷却塔风机加装霍尔传感器监测风机转速。

5.2 集水箱补水控制

夏季和过渡季节集水盆补水由浮球阀自动补水。冬季运行时集水箱的补水和排污分别由补水电磁阀和排污电动阀控制。排污电动阀按时间表或根据集水箱内水的电导率自动排污，集水箱水位由水位传感器检测。PLC控制器设有4个水位来控制补水电磁阀和喷淋循环泵的启停，分别为：最高水位、最低水位、补水启动水位、补水停止水位。

（1）最高水位：任何情况下超过最高水位，停止自动补水，补水阀关闭。

（2）补水停止水位：水位达到补水停止水位，关闭补水阀，停止补水。

（3）补水启动水位：低于补水启动水位，打开补水阀开始补水。

（4）最低水位：低于最低水位时关闭喷淋循环泵，防止水泵因空转产生汽蚀而损坏。