冷卻水塔效能評(píng)估模型的發(fā)展

李焱　姚姍姍

【摘要】冷卻水塔普遍應(yīng)用在發(fā)電廠、化學(xué)工廠、鋼鐵廠及大型冷凍空調(diào)系統(tǒng)。上述場(chǎng)所產(chǎn)生或消耗的電量都極為龐大，其操作系統(tǒng)的熱效率可經(jīng)由冷卻水塔效能改善及操作調(diào)節(jié)而得到提升。本研究構(gòu)想評(píng)估既有冷卻水塔的效能，及提出改善診斷，以期在節(jié)能減碳上能有所貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】冷卻；水塔；效能；評(píng)估

一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)中包含一座冷卻水塔（CT-4）、兩部汽輪發(fā)電機(jī)CT-4藉由塔頂六座風(fēng)扇并提供固定約2.1×107kg/hr冷卻水量供兩部TG的冷凝器冷卻水降溫。而CT-4即為本研究對(duì)象。

一般冷卻水塔包含若干個(gè)風(fēng)扇與數(shù)個(gè)泵，并會(huì)有其相對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或其他設(shè)備。冷卻水入口溫度大約在40℃上下，冷卻水出口溫度大約在32℃上下。冷卻水塔經(jīng)由風(fēng)扇將空氣吸入塔中與冷卻水做熱交換。風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)模式分為高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速或多段變頻。

冷卻水塔冷卻水提供若干個(gè)汽輪機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)或其他設(shè)備的冷凝器使用，冷卻水與風(fēng)扇所吸入的空氣做能量與質(zhì)量的交換以達(dá)到冷卻之用，外氣濕球溫度對(duì)冷卻水塔的效能影響甚巨，因此整體系統(tǒng)的優(yōu)化操作中，濕球溫度為一重要因素。

研究過(guò)程需要完整的操作數(shù)據(jù)，如冷卻水出入口溫度、冷卻水出入口水流量、風(fēng)扇電流量等，以分析建立冷卻水塔性能評(píng)估。

二、冷卻水塔

冷卻水塔對(duì)于石化廠、發(fā)電廠及空調(diào)設(shè)備的冷凝器及熱交換器的冷卻循環(huán)水的降溫應(yīng)用非常重要，塔內(nèi)裝有填充材料促使汽液接觸良好，溫水經(jīng)由分散噴嘴、板路或管路溢流分配于填料間，空氣則藉由強(qiáng)制通風(fēng)或誘導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)扇向上吹送穿過(guò)冷卻水塔的填料，或利用其他設(shè)計(jì)使空氣藉由自然對(duì)流進(jìn)入。主要可分為自然通風(fēng)式冷卻水塔與機(jī)械通風(fēng)式冷卻水塔。

本研究中冷卻水塔為一機(jī)械引導(dǎo)通風(fēng)橫流式如圖2所示，總尺寸為60m×22.55m×22.04m，并設(shè)有四部離心式泵浦，主要功能是提供冷卻水給TG-6與TG-7的主機(jī)冷凝器，用以冷卻作功后的蒸汽以維持其真空度，經(jīng)過(guò)熱交換后的溫水則回收至冷卻水塔予以強(qiáng)制冷卻，供再次循環(huán)使用，因?yàn)橄到y(tǒng)中CT-4冷卻循環(huán)水量約為定值，因此不列入模型中。

CT-4冷卻水塔，共分成6個(gè)單位，塔底每單位設(shè)置6個(gè)水池，在氣、液能量與質(zhì)量交換過(guò)程中所蒸發(fā)的水量或溢散的水量，會(huì)經(jīng)由補(bǔ)水而保持其冷卻循環(huán)水的流量穩(wěn)定，塔頂共設(shè)有460V風(fēng)扇6座，每座負(fù)責(zé)一個(gè)單元，分為高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩段速度控制式，電流量則分別為200A與40A，可視其運(yùn)轉(zhuǎn)需要作選擇。

三、冷卻水塔空氣進(jìn)出口溫度濕度

在每座風(fēng)扇的空氣出口端，至少安排兩支以上溫度計(jì)，六個(gè)風(fēng)扇共配置了20支溫度計(jì)。因?yàn)槌隹诳諝鉁囟仁怯绊懩芰科胶庥?jì)算的重要變量，而且受到風(fēng)扇影響，出口空氣的擾動(dòng)相當(dāng)大。多配置幾支溫度計(jì)可確保出口空氣溫度的準(zhǔn)確性，可以拿溫度計(jì)交叉比對(duì)來(lái)做確認(rèn)，或者進(jìn)一步研究風(fēng)扇之間的相互關(guān)系。出口空氣無(wú)配置濕度計(jì)，乃是由于在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)冷卻水塔時(shí)，發(fā)現(xiàn)出口空氣中已含有水氣，因此可假設(shè)出口空氣濕度已達(dá)飽和，亦即相對(duì)濕度達(dá)到100%來(lái)做計(jì)算。影響能量平衡計(jì)算的主要因素還包括空氣入口端的溫濕度數(shù)值，因此也需在此配置溫度計(jì)與濕度計(jì)。少了風(fēng)扇的擾動(dòng)，在此配置一個(gè)溫度計(jì)與濕度計(jì)就夠了。需注意的是，溫濕度計(jì)要與水塔保持距離，以避免冷卻水塔內(nèi)的冷卻水影響溫度與濕度的測(cè)量值。但也不能離得太遠(yuǎn)，確保量到的空氣確實(shí)進(jìn)入冷卻水塔中。因此在距離入風(fēng)口二至三公尺的距離配置一個(gè)溫度計(jì)與濕度計(jì)。相關(guān)溫濕度測(cè)量?jī)x器配置完成后后，即可著手收集數(shù)據(jù)，開(kāi)始進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算的工作。

四、CTI效能評(píng)估方法簡(jiǎn)介

1.測(cè)試時(shí)，濕球溫度不高于設(shè)計(jì)值30F；不低于設(shè)計(jì)值70F，且1小時(shí)內(nèi)誤差不超過(guò)20F。2.測(cè)試時(shí)，溫差介于設(shè)計(jì)值上下20%以內(nèi)，變化幅度在5%以內(nèi)。3.測(cè)試時(shí)，循環(huán)水介于設(shè)計(jì)值上下10%以內(nèi)，變化幅度在5%以內(nèi)。4.測(cè)試時(shí)，熱負(fù)荷介于設(shè)計(jì)值上下20%以內(nèi)，變化幅度在5%以內(nèi)。

前置作業(yè)完成后，即可開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試與搜集數(shù)據(jù)并對(duì)冷卻水的效能作評(píng)估。CTI方法，先由關(guān)系式求得液氣比（L/G），再取測(cè)試區(qū)間冷卻水出入口溫度與濕球溫度的平均值計(jì)算KaV/L值。將求得的KaV/L值與（L/G）值標(biāo)示于原設(shè)計(jì)曲線圖上，由此點(diǎn)畫(huà)一平行于原特性曲線的直線，交于狀態(tài)曲線于一點(diǎn)，往下即可求得相同于設(shè)計(jì)條件的（L/G）值。此值與（L/G）的比值即為效率值。CTI也有提到，他們建立的效能評(píng)估方法其準(zhǔn)確度可能會(huì)受下列四點(diǎn)影響。

1.測(cè)試時(shí)，冷卻水流量與設(shè)計(jì)值差異太大。2.測(cè)試時(shí)，冷卻水的溫差和濕球溫度與設(shè)計(jì)值差異太大。3.每一座冷卻水塔的特性曲線，不一定皆為A×e-0.6（A為常數(shù)）。4.風(fēng)扇耗電功率的變化略小于實(shí)際風(fēng)量變化。當(dāng)測(cè)試時(shí)冷卻水量和風(fēng)扇耗電功率與設(shè)計(jì)值愈接近，上述第3及第4點(diǎn)造成的誤差就愈小。

以本研究的冷卻水塔為例，本冷卻水塔因?yàn)榕c汽輪發(fā)電機(jī)相聯(lián)結(jié)，操作員為了避免發(fā)電機(jī)組過(guò)熱，造成當(dāng)機(jī)，因此冷卻水量無(wú)法任意調(diào)整。冷卻水量太多，則提升操作成本；冷卻水量太少，則可能會(huì)造成過(guò)熱當(dāng)機(jī)。再加上濕球溫度受天氣影響無(wú)法控制，而且工廠操作冷卻水塔皆有安全或利潤(rùn)上的考慮，工廠的操作員也會(huì)去調(diào)整冷卻水塔風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)扇耗電功率改變，間接影響出口水溫、溫差等變量。因此本冷卻水塔無(wú)法維持操作條件在設(shè)計(jì)值附近，若以CTI的方法來(lái)評(píng)估本冷卻水塔的效能，則會(huì)造成誤差，其準(zhǔn)確度會(huì)受影響。所以，CTI的方法不能適用于所有在工廠中運(yùn)作的冷卻水塔。

五、CTI效能評(píng)估方法改良

1.以能量平衡來(lái)計(jì)算風(fēng)扇的風(fēng)量，減少風(fēng)扇耗電功率與風(fēng)量關(guān)系式的誤差，增加風(fēng)量數(shù)值的準(zhǔn)確性。2.建立冷卻水塔運(yùn)轉(zhuǎn)模式的模型，以此模型來(lái)描述冷卻水塔的行為，如此一來(lái)，即可對(duì)冷卻水塔在正常操作外的行為做預(yù)測(cè)。3.以不同的風(fēng)扇操作來(lái)計(jì)算液氣比與特性值，如此可建立較完整的特性曲線，不會(huì)因?yàn)樘匦郧€為A×e-0.6的假設(shè)，而造成誤差。

總結(jié)

以此方法來(lái)取代CTI的方法，即可減少CTI效能評(píng)估的誤差，建立較完整的特性曲線，其效率計(jì)算結(jié)果也較為客觀。本效能評(píng)估方法計(jì)算結(jié)果，冷卻水塔效率值為46.7%，而CTI效能評(píng)估方法計(jì)算結(jié)果，冷卻水塔效率值則為76.3%。兩者有段差距，以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)判斷效率值不可能還有70%，顯然CTI的方法在效能評(píng)估上有誤差，CTI的方法高估了本冷卻水塔的效率。

參考文獻(xiàn)

[1]張學(xué)鐳.冷卻塔冷卻性能的評(píng)價(jià)模型[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2002（05）.