冷却塔性能研究与升级改造

2021-03-04王永全蔡蓝燕叶校圳

能源与环境 2021年1期

关键词：冷却塔制冷系统冷却水

王永全蔡蓝燕叶校圳

（厦门烟草工业有限责任公司福建厦门 361000）

1 原有冷却塔存在的问题

冷却水温度是影响制冷机组效率的关键因素，是实现整个制冷系统节能降耗的关键［1］。我公司原有的冷却塔为2002年建成的卧式横流式冷却塔。在长期的使用中存在如下问题。

1.1 冷却效果差

冷却塔存在进出水冷却温差仅有3.5 ℃左右，导致夏季制冷机的冷凝温度高，冷凝压力大，制冷机容易喘震。

1.2 结构件被严重腐蚀

冷却塔承重钢架为热镀锌钢材，由于在冷却循环水中投加了水处理药剂，加速了热镀锌钢架被腐蚀的情况，影响了冷却塔的结构安全。

1.3 填料脏堵严重

冷却塔的填料，由于长时间的使用，被粉尘淤泥脏堵，影响了冷却水流和空气的充分换热。使用较久后的冷却塔填料，性能变脆，取出清洗时，容易破碎，只能更换。

1.4 塔体严重破损

由于工具如螺丝刀的掉落，存在砸碎下水盘的情况，已修补多个破损的地方。冷却塔填料上方的走道，由于踩踏，也存在多处破损。

2 改造内容

我公司对冷却塔存在的问题进行分析，并通过改造解决冷却塔使用中存在的问题。

2.1 确定冷却塔主要技术参数

系统布置有5 台2 638 kW 制冷量的的离心式制冷机。结合原有冷却塔的冷却状况和安装位置进行选型。经过测算，选用5 台冷却循环水流量为700 m3/h 的冷却塔。主要参数如表1所示。

2.1.1 采用不锈钢冷却塔

由于玻璃钢冷却塔较脆，容易受硬物的撞击破损，因此采用不锈钢上水盘、下水盘及边框的冷却塔。为了防止与冷却循环水接触部位的冷却塔钢架腐蚀，采用不锈钢框架。由于现有的冷却塔需满足工厂的日常生产使用，采用不锈钢冷却塔，可以在冷却塔工厂或项目周边进行拼装、吊装就位和接管，项目对工厂生产的影响时间短。可分7 个模块现场拼装，缩短安装时间，拼装方便快捷。独立整塔设计，快速吊装就位，冷却塔可以快速投入调试、使用。

表1 主要技术参数

2.1.2 采用大风量、低风压的风机

由于冷却塔的主要功能是通过冷却循环水与空气的热湿交换，使得少部分的冷却循环水由液相变为气相，需要大量的气化潜热。吸收了冷却循环水的热量，使得冷却循环水的温度降低。为了保证冷却效果，需要采用足够的风量［2］来与冷却循环水换热。

而冷却塔的损失，包括漂水损失。风压大，会加大冷却塔的漂水损失。因此需要采用大风量小风压的风机。在个别情况下，可以采用多个小功率风机的形式，代替1 个大功率风机，以减少冷却塔的水耗。

2.1.3 选用高性能填料

填料选用加厚改性聚氯乙烯（PVC）胶片，平片厚度0.33 mm，经真空吸塑成型，保证散热片之质量；可承受50 ℃之高温，防腐蚀且不变形；入风口处呈蜂窝状，具有导风和阻挡漂浮杂物的功能；出风口处亦成蜂窝状，具有扰流、收水的功能；可防止水滴随气流飘出塔外，使漂水降至最低。填料的散热段采用独特的坑纹设计，具有大的散热面积和小的风阻。

2.1.4 设计冷却塔加药装置

对于玻璃钢式冷却塔，目前的杀菌剂经常采用滤饼。氯饼的外形为直径为100 mm，高为40 mm，重量0.2 kg 的圆柱体。放置冷却塔下水盘中，逐步溶解，实现一段时间内，例如5 d～10 d 的持续杀菌。氯饼是主要的杀菌剂，药片溶解时，药片周围的氯离子浓度高，当水体流动缓慢时，对金属的腐蚀性大。因此对于不锈钢冷却塔，设计1 种加药装置，使得氯饼在此装置中能够充分溶解。溶解后的杀菌剂投加到冷却循环水中迅速混合，避免冷却循环水中局部氯离子浓度偏高，腐蚀冷却塔中的不锈钢材质。

2.2 节能设计与控制

制冷系统能源消耗大，冷却塔的节能及控制对制冷系统的能源消耗具有重大影响。因此很有必要对制冷系统运行的节能性进行设计，并利用自控系统加以实现。

2.2.1 系统节能的观点

把冷却塔系统作为制冷系统的子系统，可以根据冷却塔的进出水温度判断制冷系统的负荷，并根据环境湿球温度，为制冷系统提供最合适的冷却水流量和温度；把冷却塔作为一个整体，冷却塔与冷却水泵不是一一对应关系。在冷却水泵未全部投入运行时，1 台冷却水泵的冷却水可以分布在2 台或3台冷却塔中，同样水量的冷却水可以在更大面积的填料中散热，冷却水得到更充分散热，冷却塔出水逼近温差可以达到最小。

把冷却塔出水逼近温差目标值、冷却塔出水最低目标温度、冷却塔出水最高目标温度作为控制依据。控制系统随制冷系统的负荷、环境湿球温度的变化，可以调整冷却塔布水台数、冷却水泵频率、冷却塔风机频率，在满足制冷系统所需最优冷却水的条件下，实现冷却塔子系统最小能耗（见图1）。

图1 实施例冷却塔安装示意图

2.2.2 变频节能

由于风机的电功率与风机的转速是三次方的关系。风机的电功率与风机风量为一次方关系。降低风机的转速，能够快速降低风机的电功率。所以在部分负荷时期，采用变频器对冷却塔风机进行变频，具有显著的节能效果。

由于冷却塔一般按照夏季工况选型且多为成组设置，冬季具备切换为1 台冷却泵对应2 台甚至多台冷却塔的能力［3］。在冬季，室外的温度、湿度都较低，仅开启冷却循环水泵进行冷却水循环，不开启冷却塔风机。通过冷却循环水沿填料下流过程中，冷却循环水与空气热交换，就能满足冷却循环水的冷却要求。为了扩大此效果并利用上文所提的变频风机，项目采用并联送水管路加电动调节阀的方式，将冷却水尽量分布到所有的冷却塔中，并按需求开启一定频率的冷却塔风机，使得所有的冷却塔一起分摊冷却水的散热功能。不开启或者变频开启冷却塔风机，从而降低冷却塔的风机电耗。

冷却塔自控系统考虑全年多工况节能控制运行策略。冷却塔自控系统能够根据冷却塔进出水温度、环境干湿球温度，以及设定出水温度要求，自动控制冷却塔布水数量、电动调节阀开度、电机运转数量及电机运转频率，以达到节能的目的。

同时具备所有冷却塔的远程手动/就地手动冷却塔布水数量、

电机运转数量及电机运转频率。

2.2.3 自控系统的实现

系统在设计过程中，1 台塔开启即可满足1 台冷水机组的冷却需求，此冷却塔冷1 台塔对应1 台风机，冷却塔在需要开启时，风机开启。在夏季，天气比较炎热，冷水机冷却侧冷却充分对机组正常运行及节约能耗方面都很有意义。在过渡季节，冷却塔可以稍微晚一点开，等到冷水机开启后，冷却水出水温度上升到一定温度值（此温度值可在上位机界面上修改优化，程序自动判断）才允许冷却塔开启。

另外，冷却塔风机增加变频控制，当冷却水温接近湿球温度时，水温将不能再降低，此时可变频降低冷却风机转速，甚至可以减开1 台冷却塔；当冷却回水温度大于湿球温度较高时，会导致主机效率增加，此时可增加冷却风机转速甚至新增开1 台冷却塔。

当自动状态时，识别温度信号启动或关闭相应的电动机。当进出水温差在小于5 ℃时，1#～5# 冷却塔变频器工作，1#～5#冷却塔电机运行频率降低5 Hz。当前冷却塔风机频率到达30Hz 后，关闭1# 冷却塔风机及阀门，如此类推直到冷却塔全部关闭。

当进出水温差在大于5 ℃，并冷却塔未全部开启时，开启冷却塔，风机运行频率30 Hz，并开启冷却塔阀门。当进出水温差在大于5 ℃，并冷却塔全部开启时，1#～5# 冷却塔风机频率提升5 Hz，重复检测直到冷却塔风机频率为50 Hz。