冷却塔节能方案优化研究

刘建中，赵 宇

（中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 201108）

0 引言

随着生活水平的提高，制冷系统应用越来越普遍，技术日趋成熟，制冷效率逐步提高，但冷却塔的节能问题经常被忽略。结合江苏凤凰数据中心冷电联供分布式能源项目冷却塔群控系统的优化实践，从运行方式改变、控制策略优化等方面阐述冷却塔高效应用的节能措施。

1 冷却塔工作原理

一般情况下，冷却塔通过两种方式进行换热，即热传导和蒸发散热。本文针对横流式冷却塔进行研究，此类型冷却塔以蒸发散热为主，传导散热为辅。由于热传导换热速度与换热面积及温差成正比，所以当温差固定时，提高传导换热量需要增加换热面积；蒸发散热速度与水表面的水汽扩散速度成正比，而扩散速度与水的表面积、空气湿度、空气流量成正比，由于空气湿度是不可控因素，所以提高蒸发换热量需要增加换热面积和提高通风量。

冷却塔运行时，除蒸发散热带走部分冷却水外，还有部分小水滴随空气流动进入大气，即水的飘散损失，风量越大、风速越高，飘散损失的水量越大。

2 实例介绍

2.1 设计简述

江苏凤凰数据中心天然气分布式能源项目的冷电联供系统的冷却水系统（以下简称“本案例”），由3 台2 MW 燃气内燃发电机组、3 台2.3 MW 烟气热水型溴化锂制冷机组、4 组800 t/h冷却塔组组成，每组冷却塔由5 台横流式冷却塔拼接而成，每台冷却塔配1 台7.5 kW 的轴流风机进行通风（图1）。1#塔组为3 台内燃发电机组提供冷却水，配置2 台冷却水泵，1 用1 备；3台内燃机的冷却水采用母管制方式连接，通过阀门调节各机组间的水力平衡。2#、3#、4#塔组为1#、2#、3#烟气热水型溴化锂制冷机组提供冷却水，配置3 台冷却水泵，2 用1 备；3 台烟气热水型溴化锂制冷机组的冷却水采用母管制方式连接，通过阀门调节各机组间的水力平衡。

图1 冷却塔系统

冷却塔运行控制为单元制方式，即2#、3#、4#塔组对应1#、2#、3#溴化锂机组。冷却塔风机为定频风机，冷却塔供水温度未设计自动控制，运行时按工频方式运行。循环水泵为变频水泵，根据冷却塔回水温度变化，即溴化锂机组的冷却水出水母管温度变化，分别进行自动调节。

2.2 优化思考

经过对原设计的分析研究，现对冷却塔系统进行适当的优化，以提升系统的节水、节电、降噪等方面性能，具体方案如下。

（1）本案例的冷却水管道采用母管制方式连接，因此可以打破塔组与机组间的一一对应关系，将2#、3#、4#塔组视为1 个塔组使用。根据冷却原理分析可知，优化后的平均实际使用换热面积加大，换热效率上升，蒸发散热量下降，单位面积通风量下降，进风阻力下降，因此可以少开风机减少耗电量，可以减少蒸发损失、减少飘散损失，减少补水。

（2）由于每个塔组的5 台冷却塔内部连通，尽管本案例的风机为定频风机，仍可以通过改变风机的运行台数调节通风量，达到节约用电的目的。风机位置不同，通风效能不同，中间的风机运行效能优于边缘的风机，因此风机的启动顺序按由中间向两边依次启动为佳。

（3）冷却水泵均投自动状态容易出现相互干扰，影响自动控制的稳定性，如果一台投自动状态，另一台固定频率运行，水泵工作状态不一致，根据水泵工作特性分析，转速高的水泵工作效能高，转速低的水泵工作效能低。因此须改进控制策略，实现水泵同步自动控制。

3 风机群控策略简述

（1）将溴化锂机组启动条件由对应塔组启动，改为3#、4#、5#冷却水泵运行台数＞1。

（2）对2#、3#、4#塔组的15 台风机进行编号，运行时根据供水温度变化情况，按3#、8#、13#、2#、7#、12#、4#、9#、14#、1#、6#、11#、5#、10#、15#顺序依次启/停。

（3）设置巡查时间计时器T1，指定DCS 控制系统每隔T1时间间隔进行一次温度比较，测量温度大于设定温度，则发增加风机指令，反之发减少风机指令。

（4）设置风机启动间隔计时器T2，指定DCS 控制系统在发送一次指令后，T2时间间隔内不再发送指令。

（5）为每台风机设置1 个“手/自”切换开关，允许运行人员对单个风机进行控制。

（6）设置1 个总“手/自”切换开关，手动状态时，所有风机人工操作，自动状态时，忽略手动控制状态的风机，对自动控制状态的风机实现自动启/停操作。

（7）设置巡查逻辑，当收到“启/停”指令时，按预设的操作顺序寻找第1 台处于自动状态的“停止/运行”状态的风机并执行“启/停”指令，执行一次“启/停”指令或未找到处于自动状态的“停止/运行”状态的风机后，停止指令执行。

增加风机群控策略并投入自动运行后，自动运行状况良好，冷却塔供水温度稳定，15 台风机很少同时运行，在过渡季节或冬季仅有极少数风机运行，噪声下降明显，节电效果明显。冷却塔水飘散现象改善明显，补水量下降，达到预期目标。

4 循环泵节能措施分析

4.1 循环泵群控策略简述

为了防止3#、4#、5#循环泵同时投自动状态时相互干扰而出现失稳，解决1 台投自动状态，其余泵定频运行时性能不佳问题，本案例采用自动同步控制策略进行解决（图2）：①3 台水泵共用1 个自动调节器，投入自动状态的水泵，其开度由同1 个控制器输出控制；②3 台水泵各设置1 个手操器，手动状态时其开度输出由人工设定，当切换为自动时，输出与自动调节器的输出同步；③由于每台泵的管路阻力不同，同一频率下的出力稍有差异，为了修正，每台泵设置1 个偏差设定值，对其工作效能进行微调，使各泵工作状态一致。

图2 循环水泵操作界面

水泵工作时，高负荷或低负荷运行能效均降低，因此控制策略调整后，既可以保证自动的平稳运行，又可以通过改变运行水泵的数量，使水泵工作在最佳能效区间，运行更灵活。

4.2 循环泵节能思考

分析认为，多主机运行时，循环水泵采用单元制方式连接，节能效果会更好，主要原因是各主机的性能很难完全一致，根据各主机回水温度分别投自动状态更能发挥主机的性能（图3）。本案例由于系统平面布置原因，优化调整难度很大，未进行更改。

图3 循环水泵单元制连接方式

5 其他节能措施

本案例设计有水平衡管，未出现冷却塔水盘水位偏差大导致溢水现象，但存在循环水分配不均匀的问题，需要人工调整各冷却塔间布水的一致性。由于靠人工观察调整，一致性难以保证，如能将冷却塔回水由压力布水改为静压自流式布水，则可以基本消除布水不一致问题，保证所有冷却塔的工作效能完全发挥。

6 结论

通过本实例实践及分析，在同样的工况下，通过改变运行方式、优化控制策略，可以明显降低冷却系统的电耗，减少补水，降低噪声。如果设计阶段就从设备选型、系统连接、管道布置等方面进行优化，如冷却水泵采用单元制方式连接，冷却塔风机采用变频风机，采用斜插三通代替直角三通，采用静压自流布水等措施，则冷却系统的节能、节水、降噪效果会更好。项目不同，解决方案稍有差异，需要灵活应用才能获得最好的方案。