冷卻塔性能研究與升級(jí)改造

王永全 蔡藍(lán)燕 葉校圳

（廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 福建廈門 361000）

1 原有冷卻塔存在的問題

冷卻水溫度是影響制冷機(jī)組效率的關(guān)鍵因素， 是實(shí)現(xiàn)整個(gè)制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵［1］。 我公司原有的冷卻塔為2002年建成的臥式橫流式冷卻塔。 在長期的使用中存在如下問題。

1.1 冷卻效果差

冷卻塔存在進(jìn)出水冷卻溫差僅有3.5 ℃左右，導(dǎo)致夏季制冷機(jī)的冷凝溫度高，冷凝壓力大，制冷機(jī)容易喘震。

1.2 結(jié)構(gòu)件被嚴(yán)重腐蝕

冷卻塔承重鋼架為熱鍍鋅鋼材， 由于在冷卻循環(huán)水中投加了水處理藥劑，加速了熱鍍鋅鋼架被腐蝕的情況，影響了冷卻塔的結(jié)構(gòu)安全。

1.3 填料臟堵嚴(yán)重

冷卻塔的填料，由于長時(shí)間的使用，被粉塵淤泥臟堵，影響了冷卻水流和空氣的充分換熱。 使用較久后的冷卻塔填料，性能變脆，取出清洗時(shí)，容易破碎，只能更換。

1.4 塔體嚴(yán)重破損

由于工具如螺絲刀的掉落，存在砸碎下水盤的情況，已修補(bǔ)多個(gè)破損的地方。 冷卻塔填料上方的走道，由于踩踏，也存在多處破損。

2 改造內(nèi)容

我公司對(duì)冷卻塔存在的問題進(jìn)行分析， 并通過改造解決冷卻塔使用中存在的問題。

2.1 確定冷卻塔主要技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)布置有5 臺(tái)2 638 kW 制冷量的的離心式制冷機(jī)。 結(jié)合原有冷卻塔的冷卻狀況和安裝位置進(jìn)行選型。 經(jīng)過測(cè)算，選用5 臺(tái)冷卻循環(huán)水流量為700 m3/h 的冷卻塔。主要參數(shù)如表1所示。

2.1.1 采用不銹鋼冷卻塔

由于玻璃鋼冷卻塔較脆，容易受硬物的撞擊破損，因此采用不銹鋼上水盤、下水盤及邊框的冷卻塔。 為了防止與冷卻循環(huán)水接觸部位的冷卻塔鋼架腐蝕，采用不銹鋼框架。 由于現(xiàn)有的冷卻塔需滿足工廠的日常生產(chǎn)使用，采用不銹鋼冷卻塔，可以在冷卻塔工廠或項(xiàng)目周邊進(jìn)行拼裝、吊裝就位和接管，項(xiàng)目對(duì)工廠生產(chǎn)的影響時(shí)間短。 可分7 個(gè)模塊現(xiàn)場(chǎng)拼裝，縮短安裝時(shí)間，拼裝方便快捷。 獨(dú)立整塔設(shè)計(jì)，快速吊裝就位，冷卻塔可以快速投入調(diào)試、使用。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 采用大風(fēng)量、低風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)

由于冷卻塔的主要功能是通過冷卻循環(huán)水與空氣的熱濕交換，使得少部分的冷卻循環(huán)水由液相變?yōu)闅庀?，需要大量的氣化潛熱?吸收了冷卻循環(huán)水的熱量，使得冷卻循環(huán)水的溫度降低。 為了保證冷卻效果，需要采用足夠的風(fēng)量［2］來與冷卻循環(huán)水換熱。

而冷卻塔的損失，包括漂水損失。 風(fēng)壓大，會(huì)加大冷卻塔的漂水損失。因此需要采用大風(fēng)量小風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)。在個(gè)別情況下，可以采用多個(gè)小功率風(fēng)機(jī)的形式，代替1 個(gè)大功率風(fēng)機(jī)，以減少冷卻塔的水耗。

2.1.3 選用高性能填料

填料選用加厚改性聚氯乙烯（PVC）膠片，平片厚度0.33 mm，經(jīng)真空吸塑成型，保證散熱片之質(zhì)量；可承受50 ℃之高溫，防腐蝕且不變形；入風(fēng)口處呈蜂窩狀，具有導(dǎo)風(fēng)和阻擋漂浮雜物的功能；出風(fēng)口處亦成蜂窩狀，具有擾流、收水的功能；可防止水滴隨氣流飄出塔外，使漂水降至最低。 填料的散熱段采用獨(dú)特的坑紋設(shè)計(jì)，具有大的散熱面積和小的風(fēng)阻。

2.1.4 設(shè)計(jì)冷卻塔加藥裝置

對(duì)于玻璃鋼式冷卻塔，目前的殺菌劑經(jīng)常采用濾餅。 氯餅的外形為直徑為100 mm，高為40 mm，重量0.2 kg 的圓柱體。放置冷卻塔下水盤中，逐步溶解，實(shí)現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)，例如5 d～10 d 的持續(xù)殺菌。 氯餅是主要的殺菌劑，藥片溶解時(shí)，藥片周圍的氯離子濃度高，當(dāng)水體流動(dòng)緩慢時(shí)，對(duì)金屬的腐蝕性大。因此對(duì)于不銹鋼冷卻塔，設(shè)計(jì)1 種加藥裝置，使得氯餅在此裝置中能夠充分溶解。 溶解后的殺菌劑投加到冷卻循環(huán)水中迅速混合，避免冷卻循環(huán)水中局部氯離子濃度偏高，腐蝕冷卻塔中的不銹鋼材質(zhì)。

2.2 節(jié)能設(shè)計(jì)與控制

制冷系統(tǒng)能源消耗大， 冷卻塔的節(jié)能及控制對(duì)制冷系統(tǒng)的能源消耗具有重大影響。 因此很有必要對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用自控系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 系統(tǒng)節(jié)能的觀點(diǎn)

把冷卻塔系統(tǒng)作為制冷系統(tǒng)的子系統(tǒng)， 可以根據(jù)冷卻塔的進(jìn)出水溫度判斷制冷系統(tǒng)的負(fù)荷，并根據(jù)環(huán)境濕球溫度，為制冷系統(tǒng)提供最合適的冷卻水流量和溫度； 把冷卻塔作為一個(gè)整體，冷卻塔與冷卻水泵不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 在冷卻水泵未全部投入運(yùn)行時(shí)，1 臺(tái)冷卻水泵的冷卻水可以分布在2 臺(tái)或3臺(tái)冷卻塔中， 同樣水量的冷卻水可以在更大面積的填料中散熱，冷卻水得到更充分散熱，冷卻塔出水逼近溫差可以達(dá)到最小。

把冷卻塔出水逼近溫差目標(biāo)值、 冷卻塔出水最低目標(biāo)溫度、冷卻塔出水最高目標(biāo)溫度作為控制依據(jù)。 控制系統(tǒng)隨制冷系統(tǒng)的負(fù)荷、 環(huán)境濕球溫度的變化， 可以調(diào)整冷卻塔布水臺(tái)數(shù)、冷卻水泵頻率、冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率，在滿足制冷系統(tǒng)所需最優(yōu)冷卻水的條件下，實(shí)現(xiàn)冷卻塔子系統(tǒng)最小能耗（見圖1）。

圖1 實(shí)施例冷卻塔安裝示意圖

2.2.2 變頻節(jié)能

由于風(fēng)機(jī)的電功率與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是三次方的關(guān)系。 風(fēng)機(jī)的電功率與風(fēng)機(jī)風(fēng)量為一次方關(guān)系。 降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠快速降低風(fēng)機(jī)的電功率。 所以在部分負(fù)荷時(shí)期，采用變頻器對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻，具有顯著的節(jié)能效果。

由于冷卻塔一般按照夏季工況選型且多為成組設(shè)置，冬季具備切換為1 臺(tái)冷卻泵對(duì)應(yīng)2 臺(tái)甚至多臺(tái)冷卻塔的能力［3］。在冬季，室外的溫度、濕度都較低，僅開啟冷卻循環(huán)水泵進(jìn)行冷卻水循環(huán)，不開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)。 通過冷卻循環(huán)水沿填料下流過程中，冷卻循環(huán)水與空氣熱交換，就能滿足冷卻循環(huán)水的冷卻要求。 為了擴(kuò)大此效果并利用上文所提的變頻風(fēng)機(jī)，項(xiàng)目采用并聯(lián)送水管路加電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的方式， 將冷卻水盡量分布到所有的冷卻塔中，并按需求開啟一定頻率的冷卻塔風(fēng)機(jī)，使得所有的冷卻塔一起分?jǐn)偫鋮s水的散熱功能。 不開啟或者變頻開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)，從而降低冷卻塔的風(fēng)機(jī)電耗。

冷卻塔自控系統(tǒng)考慮全年多工況節(jié)能控制運(yùn)行策略。 冷卻塔自控系統(tǒng)能夠根據(jù)冷卻塔進(jìn)出水溫度、環(huán)境干濕球溫度，以及設(shè)定出水溫度要求，自動(dòng)控制冷卻塔布水?dāng)?shù)量、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，以達(dá)到節(jié)能的目的。

同時(shí)具備所有冷卻塔的遠(yuǎn)程手動(dòng)/就地手動(dòng)冷卻塔布水?dāng)?shù)量、

電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)量及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。

2.2.3 自控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，1 臺(tái)塔開啟即可滿足1 臺(tái)冷水機(jī)組的冷卻需求，此冷卻塔冷1 臺(tái)塔對(duì)應(yīng)1 臺(tái)風(fēng)機(jī)，冷卻塔在需要開啟時(shí)，風(fēng)機(jī)開啟。 在夏季，天氣比較炎熱，冷水機(jī)冷卻側(cè)冷卻充分對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行及節(jié)約能耗方面都很有意義。 在過渡季節(jié)，冷卻塔可以稍微晚一點(diǎn)開，等到冷水機(jī)開啟后，冷卻水出水溫度上升到一定溫度值（此溫度值可在上位機(jī)界面上修改優(yōu)化，程序自動(dòng)判斷）才允許冷卻塔開啟。

另外，冷卻塔風(fēng)機(jī)增加變頻控制，當(dāng)冷卻水溫接近濕球溫度時(shí)，水溫將不能再降低，此時(shí)可變頻降低冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至可以減開1 臺(tái)冷卻塔； 當(dāng)冷卻回水溫度大于濕球溫度較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致主機(jī)效率增加，此時(shí)可增加冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速甚至新增開1 臺(tái)冷卻塔。

當(dāng)自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，識(shí)別溫度信號(hào)啟動(dòng)或關(guān)閉相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)進(jìn)出水溫差在小于5 ℃時(shí)，1#～5# 冷卻塔變頻器工作，1#～5#冷卻塔電機(jī)運(yùn)行頻率降低5 Hz。 當(dāng)前冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率到達(dá)30Hz 后，關(guān)閉1# 冷卻塔風(fēng)機(jī)及閥門，如此類推直到冷卻塔全部關(guān)閉。

當(dāng)進(jìn)出水溫差在大于5 ℃，并冷卻塔未全部開啟時(shí)，開啟冷卻塔，風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率30 Hz，并開啟冷卻塔閥門。 當(dāng)進(jìn)出水溫差在大于5 ℃， 并冷卻塔全部開啟時(shí)，1#～5# 冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率提升5 Hz，重復(fù)檢測(cè)直到冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz。

3 改造后的情況

項(xiàng)目采用模塊式不銹鋼式冷卻塔，改造速度快，對(duì)生產(chǎn)的影響縮短到最小。改造后塔體牢固美觀。風(fēng)量、水量匹配良好，進(jìn)出水冷卻溫差超過5 ℃，滿足制冷機(jī)的冷卻需求。 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 經(jīng)測(cè)算，較原系統(tǒng)節(jié)能5%以上，節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)論

經(jīng)過本項(xiàng)目的分析和改造，對(duì)于改造項(xiàng)目，采用模塊式的不銹鋼冷卻塔，有助于降低改造工期。 適當(dāng)加大風(fēng)量，有助于冷卻塔充分換熱，提高冷卻效率。 采用變頻及自控技術(shù)，可以有效降低冷卻塔能耗。