冷卻塔節(jié)能方案優(yōu)化研究

劉建中，趙 宇

（中國船舶集團有限公司第七一一研究所，上海 201108）

0 引言

隨著生活水平的提高，制冷系統(tǒng)應用越來越普遍，技術日趨成熟，制冷效率逐步提高，但冷卻塔的節(jié)能問題經(jīng)常被忽略。結合江蘇鳳凰數(shù)據(jù)中心冷電聯(lián)供分布式能源項目冷卻塔群控系統(tǒng)的優(yōu)化實踐，從運行方式改變、控制策略優(yōu)化等方面闡述冷卻塔高效應用的節(jié)能措施。

1 冷卻塔工作原理

一般情況下，冷卻塔通過兩種方式進行換熱，即熱傳導和蒸發(fā)散熱。本文針對橫流式冷卻塔進行研究，此類型冷卻塔以蒸發(fā)散熱為主，傳導散熱為輔。由于熱傳導換熱速度與換熱面積及溫差成正比，所以當溫差固定時，提高傳導換熱量需要增加換熱面積；蒸發(fā)散熱速度與水表面的水汽擴散速度成正比，而擴散速度與水的表面積、空氣濕度、空氣流量成正比，由于空氣濕度是不可控因素，所以提高蒸發(fā)換熱量需要增加換熱面積和提高通風量。

冷卻塔運行時，除蒸發(fā)散熱帶走部分冷卻水外，還有部分小水滴隨空氣流動進入大氣，即水的飄散損失，風量越大、風速越高，飄散損失的水量越大。

2 實例介紹

2.1 設計簡述

江蘇鳳凰數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源項目的冷電聯(lián)供系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)（以下簡稱“本案例”），由3 臺2 MW 燃氣內(nèi)燃發(fā)電機組、3 臺2.3 MW 煙氣熱水型溴化鋰制冷機組、4 組800 t/h冷卻塔組組成，每組冷卻塔由5 臺橫流式冷卻塔拼接而成，每臺冷卻塔配1 臺7.5 kW 的軸流風機進行通風（圖1）。1#塔組為3 臺內(nèi)燃發(fā)電機組提供冷卻水，配置2 臺冷卻水泵，1 用1 備；3臺內(nèi)燃機的冷卻水采用母管制方式連接，通過閥門調節(jié)各機組間的水力平衡。2#、3#、4#塔組為1#、2#、3#煙氣熱水型溴化鋰制冷機組提供冷卻水，配置3 臺冷卻水泵，2 用1 備；3 臺煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的冷卻水采用母管制方式連接，通過閥門調節(jié)各機組間的水力平衡。

圖1 冷卻塔系統(tǒng)

冷卻塔運行控制為單元制方式，即2#、3#、4#塔組對應1#、2#、3#溴化鋰機組。冷卻塔風機為定頻風機，冷卻塔供水溫度未設計自動控制，運行時按工頻方式運行。循環(huán)水泵為變頻水泵，根據(jù)冷卻塔回水溫度變化，即溴化鋰機組的冷卻水出水母管溫度變化，分別進行自動調節(jié)。

2.2 優(yōu)化思考

經(jīng)過對原設計的分析研究，現(xiàn)對冷卻塔系統(tǒng)進行適當?shù)膬?yōu)化，以提升系統(tǒng)的節(jié)水、節(jié)電、降噪等方面性能，具體方案如下。

（1）本案例的冷卻水管道采用母管制方式連接，因此可以打破塔組與機組間的一一對應關系，將2#、3#、4#塔組視為1 個塔組使用。根據(jù)冷卻原理分析可知，優(yōu)化后的平均實際使用換熱面積加大，換熱效率上升，蒸發(fā)散熱量下降，單位面積通風量下降，進風阻力下降，因此可以少開風機減少耗電量，可以減少蒸發(fā)損失、減少飄散損失，減少補水。

（2）由于每個塔組的5 臺冷卻塔內(nèi)部連通，盡管本案例的風機為定頻風機，仍可以通過改變風機的運行臺數(shù)調節(jié)通風量，達到節(jié)約用電的目的。風機位置不同，通風效能不同，中間的風機運行效能優(yōu)于邊緣的風機，因此風機的啟動順序按由中間向兩邊依次啟動為佳。

（3）冷卻水泵均投自動狀態(tài)容易出現(xiàn)相互干擾，影響自動控制的穩(wěn)定性，如果一臺投自動狀態(tài)，另一臺固定頻率運行，水泵工作狀態(tài)不一致，根據(jù)水泵工作特性分析，轉速高的水泵工作效能高，轉速低的水泵工作效能低。因此須改進控制策略，實現(xiàn)水泵同步自動控制。

3 風機群控策略簡述

（1）將溴化鋰機組啟動條件由對應塔組啟動，改為3#、4#、5#冷卻水泵運行臺數(shù)＞1。

（2）對2#、3#、4#塔組的15 臺風機進行編號，運行時根據(jù)供水溫度變化情況，按3#、8#、13#、2#、7#、12#、4#、9#、14#、1#、6#、11#、5#、10#、15#順序依次啟/停。

（3）設置巡查時間計時器T1，指定DCS 控制系統(tǒng)每隔T1時間間隔進行一次溫度比較，測量溫度大于設定溫度，則發(fā)增加風機指令，反之發(fā)減少風機指令。

（4）設置風機啟動間隔計時器T2，指定DCS 控制系統(tǒng)在發(fā)送一次指令后，T2時間間隔內(nèi)不再發(fā)送指令。

（5）為每臺風機設置1 個“手/自”切換開關，允許運行人員對單個風機進行控制。

（6）設置1 個總“手/自”切換開關，手動狀態(tài)時，所有風機人工操作，自動狀態(tài)時，忽略手動控制狀態(tài)的風機，對自動控制狀態(tài)的風機實現(xiàn)自動啟/停操作。

（7）設置巡查邏輯，當收到“啟/?！敝噶顣r，按預設的操作順序尋找第1 臺處于自動狀態(tài)的“停止/運行”狀態(tài)的風機并執(zhí)行“啟/?！敝噶睿瑘?zhí)行一次“啟/?！敝噶罨蛭凑业教幱谧詣訝顟B(tài)的“停止/運行”狀態(tài)的風機后，停止指令執(zhí)行。

增加風機群控策略并投入自動運行后，自動運行狀況良好，冷卻塔供水溫度穩(wěn)定，15 臺風機很少同時運行，在過渡季節(jié)或冬季僅有極少數(shù)風機運行，噪聲下降明顯，節(jié)電效果明顯。冷卻塔水飄散現(xiàn)象改善明顯，補水量下降，達到預期目標。

4 循環(huán)泵節(jié)能措施分析

4.1 循環(huán)泵群控策略簡述

為了防止3#、4#、5#循環(huán)泵同時投自動狀態(tài)時相互干擾而出現(xiàn)失穩(wěn)，解決1 臺投自動狀態(tài)，其余泵定頻運行時性能不佳問題，本案例采用自動同步控制策略進行解決（圖2）：①3 臺水泵共用1 個自動調節(jié)器，投入自動狀態(tài)的水泵，其開度由同1 個控制器輸出控制；②3 臺水泵各設置1 個手操器，手動狀態(tài)時其開度輸出由人工設定，當切換為自動時，輸出與自動調節(jié)器的輸出同步；③由于每臺泵的管路阻力不同，同一頻率下的出力稍有差異，為了修正，每臺泵設置1 個偏差設定值，對其工作效能進行微調，使各泵工作狀態(tài)一致。

圖2 循環(huán)水泵操作界面

水泵工作時，高負荷或低負荷運行能效均降低，因此控制策略調整后，既可以保證自動的平穩(wěn)運行，又可以通過改變運行水泵的數(shù)量，使水泵工作在最佳能效區(qū)間，運行更靈活。

4.2 循環(huán)泵節(jié)能思考

分析認為，多主機運行時，循環(huán)水泵采用單元制方式連接，節(jié)能效果會更好，主要原因是各主機的性能很難完全一致，根據(jù)各主機回水溫度分別投自動狀態(tài)更能發(fā)揮主機的性能（圖3）。本案例由于系統(tǒng)平面布置原因，優(yōu)化調整難度很大，未進行更改。

圖3 循環(huán)水泵單元制連接方式

5 其他節(jié)能措施

本案例設計有水平衡管，未出現(xiàn)冷卻塔水盤水位偏差大導致溢水現(xiàn)象，但存在循環(huán)水分配不均勻的問題，需要人工調整各冷卻塔間布水的一致性。由于靠人工觀察調整，一致性難以保證，如能將冷卻塔回水由壓力布水改為靜壓自流式布水，則可以基本消除布水不一致問題，保證所有冷卻塔的工作效能完全發(fā)揮。

6 結論

通過本實例實踐及分析，在同樣的工況下，通過改變運行方式、優(yōu)化控制策略，可以明顯降低冷卻系統(tǒng)的電耗，減少補水，降低噪聲。如果設計階段就從設備選型、系統(tǒng)連接、管道布置等方面進行優(yōu)化，如冷卻水泵采用單元制方式連接，冷卻塔風機采用變頻風機，采用斜插三通代替直角三通，采用靜壓自流布水等措施，則冷卻系統(tǒng)的節(jié)能、節(jié)水、降噪效果會更好。項目不同，解決方案稍有差異，需要靈活應用才能獲得最好的方案。