優化冷卻塔布水結構提高冷卻塔熱濕交換效率

謝厚春，陳延凡，孫世華

（安徽中煙工業有限責任公司合肥卷煙廠，安徽合肥 230601）

0 引言

對大中型空調系統而言，水冷式冷水機組是采用得最為普遍的冷源。據統計，冷水機組的能耗占到整個中央空調系統能耗的30%以上。作為整個制冷機組節能計劃的一部分，冷卻塔換熱效率的高低對冷水機組和冷卻塔綜合能耗的下降有著積極意義。冷卻水溫與冷水機組主機及冷卻塔能耗之間是相互影響的關系：對于機械式冷卻塔來說，風扇轉速越高、冷卻水的溫度就會越低，此時冷卻塔的耗電越多；可是對于主機來說，在一定溫度范圍內，冷卻水溫度越低、主機耗電越少。反之，冷卻塔轉速越低，冷卻水的溫度越高，這樣冷卻塔的耗電越少。但對于主機來說，由于進入冷凝器的水溫升高，相應的主機耗電會增加。

從合肥卷煙廠冷水機組的運行情況來看，夏季開啟冷水系統制冷除濕時，冷凍水進回水溫差始終保持在3℃左右，說明末端空調冷負荷基本上處于恒定狀態。但是，實際上冷水機組90%都是在非設計工況下運行的，電流負載率都達到了96%。而影響此狀態的主要因素是室外濕球溫度的高低變化和冷卻塔自身熱濕交換的效率高低，直接導致冷卻水回水溫度偏離了制冷機組最佳運行的冷凝溫度。

1 現狀調研與分析

每年的6月～9月，是江淮地區高溫高濕環境期。在這一期間，卷煙工業的制冷空調系統都運行在制冷去濕再熱工況下，即：被處理的車間空氣被表冷器降溫至露點溫度，析出冷凝水后再進入蒸汽加熱段，升溫至合理送風溫濕度。這樣既消耗制冷量又多消耗蒸汽再熱量，但這是恒溫恒濕空調系統無法避免的夏季處理工況。每當該工況運行時，雖然制冷系統冷卻水系統均處于滿負荷運轉，但依然未達到理想的冷卻效果。于是，從冷卻水系統運行能力調研制冷去濕再熱工況下是否滿足運行需求。從現場調查現狀來看，冷卻塔的換熱效率未能充分發揮是直接導致冷卻塔自身能源浪費和影響冷水機組能耗的主要原因。而導致冷卻塔熱濕交換效果差的直接原因在于塔頂布水的嚴重不均勻（如管道阻力、管道出口布局、塔頂布水板結構等因素），現場檢查發現每組冷卻塔中的水與填料的實際接觸面平均不到40%（圖1）。

圖1 冷卻塔有效利用率不到40%

實際運行實驗證明，只要保證每組冷卻塔都能充分進行熱濕交換，一般情況下可以減少3組冷卻塔（共6組冷卻塔）開啟，這樣直觀上可以降低冷卻塔30%～50%電耗。為了達到預期目標，首先想到的是進行人工調節閥門，使得每組冷卻塔的進水流量達到一致。根據合肥卷煙廠動力車間冷水機組的配置情況（3組冷水機組對應6組冷卻塔），分別從運行1組冷水機組逐步至全部運行3組冷水機組進行水流量調節。

經過一周時間的調節運行，得出如下結論：當3組機組滿負荷運行時，打開6組冷卻塔的塔頂布水結構觀察，雖然有所改善，但依然不能保證水量的均勻布置，甚至出現部分塔頂溢流狀況，說明隨著總水流量大小的變化，進入每組塔頂的水流量也在變化。同時，由于塔頂布水結構中間肋板的間隔作用，水流不能達到其他布水區域（圖1），所以需要進一步考慮解決方案：主要從換熱效果上來解決。從水滴與空氣交換情況來看，影響水滴散熱的主要因素是空氣的濕球溫度（不能人為改變）及水滴的尺寸大小，濕球溫度低和水滴直徑尺寸小均能明顯地增加熱濕交換效果。

2 現場測量與設計方案

現場根據進水的水流、水量大小情況，設計折流擋板，使水流均勻地分布到每個布水槽內（圖2）。這樣不但能保證從每個布水槽內布水孔下落的水量均勻，而且增大了水與填料的接觸面積（從40%提高至100%），從而使水滴尺寸也更細小均勻，熱濕交換效果明顯提高（圖3）。

3 效果驗證與節能意義

圖2 現場測量設計

經過反復試驗調整，最終確定了導流槽設計尺寸，6組冷卻塔共計24組布水結構加裝導流槽，使水流均勻分布，增大熱交換面積，冷卻效果大大提高，節能成果非常顯著：項目實施前1臺制冷機，6組冷卻塔全部滿負荷運行；項目實施后，2臺機組運行，只需3組冷卻塔滿足運行。充分提高了冷卻塔自身換熱效率，減少了3～4組冷卻塔的開機運行，即減少202 kW電機運行，按實際供冷季節5個月計算冷卻塔自身能耗下降可節約363 600 kW·h電量。

圖3 改造后效果明顯

同時，通過本次的技術理論與數據分析為指導、現場檢查驗證，解決了設備系統實際問題并且效果顯著，不但鼓舞了相關技術人員的改革創新的信心，也提高了他們分析問題、解決問題的能力。