基于北方寒冷天气闭式冷却塔防冻方案及动态监控系统设计

刘博乐，朱立仁，程生坤，任宇航，赵航，石卓立

（中国航发（北京）航空材料研究院，北京 100095）

1 设备介绍及问题

1.1 闭式冷却塔

密闭式冷却塔，又称闭式冷却塔，是将管式换热装置置于塔内，通过塔上散热风扇进行空气流通及喷淋泵进行喷淋水与循环水进行热交换以达到降温效果。由于是闭式循环，可以保证循环水质不受到污染，保护精密设备的高效运行，提高了设备使用寿命。主要用于冶金、航空、机械以及食品等领域。

1.2 闭式冷却塔结构及工作原理

闭式冷却塔结构主要分为水泵、风机、冷凝器、收水器、喷淋系统、自动补水装置等主要结构如图1所示。其工作过程主要是对设备内进行降温的循环水（即冷却水）从闭式冷却塔进水口进入，经过冷凝器进行风冷及喷淋系统对冷凝器内冷却水进行水冷降温，降温后的冷却水从出水口回到设备管道内对设备再次进行降温，以此循环，保证设备正常运行。

图1 闭式冷却塔结构图

1.3 出现问题

目前经过对闭式冷却塔多年使用，发现闭式冷却塔在北方寒冷天气状态（温度低于0℃）下使用，极容易造成闭式冷却塔损坏，影响设备冷却水的正常使用。其中主要出现故障包括内部冷凝管、集水池、收水器、水泵冻裂情况。上述情况严重影响设备冷却水冷却效果和闭式冷却塔的寿命，维修费用大幅度提升。

2 闭式冷却塔防冻措施

针对上述情况，建议对闭式冷却塔进行冬季防冻处理，考虑到不同设备的状态及使用要求，采用不同的防冻方案对闭式冷却塔进行防冻处理。

2.1 对于非精密设备闭式冷却塔防冻方案

由于冷却水需要进入设备内部进行冷却，对于非精密设备的闭式冷却塔，对于冷凝器内冷却水的成分没有要求，不会对该设备本身及设备产品无影响的，可以通过对闭式冷却塔内循环系统使用防冻液（乙二醇），按照调配比例进行添加，可以一次性解决闭式冷却塔冻裂问题。但需要考虑如下情况。

（1）由于防冻液具有一定的腐蚀性，虽然防冻液在冷却塔内循环管路中，但循环过程中需要经过设备，会对设备循环管路存在一定腐蚀性。建议精密设备闭式冷却塔不建议使用防冻液。

（2）防冻液成本较高，经过市场调研乙二醇防冻液1万元/吨，因此内循环水路用水量较大的闭式冷却塔慎用。防冻液与水比例1:3，例如，闭式冷却塔内循环水池用水100m³，需要防冻液30t，一次性投入成本30万元。建议配有水箱用水量低的闭式冷却塔使用防冻液。

（3）冬季室外环境温度不超过-20℃（院内可用）。

另外，通过闭式冷却塔和开式冷却塔配合使用，可以解决冬季闭式冷却塔冻裂情况。由于冬季环境温度低，因此循环水路制冷量仅为夏季的1/3，因此加装开式冷却塔（闭式冷却塔与开式冷却塔比例为1:3），冬季对闭式冷却塔进行停运，使用开式冷却塔进行设备降温。

具体要求如下：建议每年10月初需要对闭式冷却塔进行停运，对冷凝管进行排水，启动开式冷却塔进行设备降温；加装开式冷却塔成本在10万元左右；开式冷却塔对设备循环水路是否有影响。建议精密设备慎用。

2.2 对于精密设备闭式冷却塔防冻方案

考虑到闭式冷却塔内部结构，通过冬季对闭式冷却塔部分管路及塔内冬季进行保温、加热、防冻处理，可以有效地提高闭式冷却塔的抗寒能力，减少降温给其带来的损伤，主要包括：

（1）冷却塔室外冷却水管加装电拌热带，贴保温板；电伴热带启动关闭需要受室外温度控制（在1～3℃，低于0℃冷却塔会被冻坏）。

（2）冷却塔托水盘配备电加热防冻棒（在1～3℃，低于0℃冷却塔会被冻坏）。

（3）闭式冷却塔24小时不停泵，保证管道温度热量交换。如果冬季无须使用闭式冷却塔，晚上室外温度为0℃以下时必须做泄水处理（外部循环水），并使用空压机对冷凝管内进行排水处理，保证水分挥发干净防止铜管冻裂。如图2、图3所示，可以采用该结构冷凝管在对冷凝管进行排水处理时，可以有效将冷凝管内积水清除干净。

图2 新型冷凝管实物图

（4）冬季对冷凝管内设置流量大小，降低铜管内的流速，可减少管道内负荷，防止管道结冻。

3 闭式冷却塔动态监控系统设计与应用

3.1 系统设计

目前对于闭式冷却塔进行动态监测进行系统设计，主要包括两部分：硬件系统和软件系统。该套系统设计主要用于闭式冷却塔循环水相关状态参数异常情况下，系统内部单片机对实时采集的数据进行分析，通过数据对比，确定故障类型并触发远程电话报警和现场设备报警器，同时采取应急措施。

3.2 硬件系统设计

硬件系统设计主要分为上位机与下位机两部分，下位机包括温度传感器、压力传感器、流量传感器、单片机（ZHC4941 RTU）、变频器（MM430）、继电器、接触器等硬件设备；上位机为触摸屏，可控制水泵的延时启停。硬件系统通过压力传感器、流量传感器、温度传感器采集真空泵进水口和出水口的循环水状态，再经信号采集卡采集以上信号后，实时显示在触摸屏上，其中水泵的控制方式为一台自动运行和一台备用。此外，在设备故障时能触发电话报警和现场报警器，同时迅速切换备用水泵，如图4硬件系统原理图、图5硬件系统电气图、图6硬件系统实物图。

图4 硬件系统原理图

图5 硬件系统电气图

图6 硬件系统实物图

3.3 软件系统设计

因本系统选用的变频器内置PID模块，可实现水流压力的自动调节，软件系统的重点部分主要在于实现水泵启动设置、系统故障信号分析、报警信号输出、报警用户管理、水流压力、水流温度和水流量的展示等功能。软件系统基于纵横智控RTU附带的组态软件进行设计，如图7警报触发器的触发设置、图8报警用户管理。

图7 警报触发器的触发设置

图8 报警用户管理管理

3.4 动态监控系统的功能实现

实现了对冷却塔水流量、压力以及温度等进行动态监控，实现远程报警功能。主要分为以下两种情况：（1）在水流量及压力低于正常设定值（水流量：80m³/h，压力：0.4MPa）将开启备用水泵保证闭式冷却塔的水循环，同时进行现场及远程报警；（2）在循环水温度低于正常设定值（温度：0℃）将开启管道及塔内部伴热带对管道内循环水进行加热，同时进行现场及远程报警。

4 具体应用

目前，针对上述方案，已经我院某厂房闭式冷却塔进行防冻方案试点，主要包括：对外管道进行加装电伴热带，贴保温板保证管道循环水在冬季温度1～3℃，恢复了冷却塔托水盘内加热系统，加装了管道内水压、水流量以及温度监控检测系统，24小时实时检测，保证设备正常运行。经过一个冬季测试目前该厂房闭式冷却塔无冻坏损坏情况。预计每年可以减少闭式冷却塔因冬季冻坏所产生的维修成本3万余元，提高了闭式冷却塔的使用效率，延长了其使用寿命。