冷卻塔性能研究與升級改造

王永全 蔡藍燕 葉校圳

（廈門煙草工業(yè)有限責任公司 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組效率的關鍵因素， 是實現(xiàn)整個制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗的關鍵［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

冷卻塔存在進出水冷卻溫差僅有3.5 ℃左右，導致夏季制冷機的冷凝溫度高，冷凝壓力大，制冷機容易喘震。

1.2 結構件被嚴重腐蝕

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，影響了冷卻塔的結構安全。

1.3 填料臟堵嚴重

冷卻塔的填料，由于長時間的使用，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，容易破碎，只能更換。

1.4 塔體嚴重破損

由于工具如螺絲刀的掉落，存在砸碎下水盤的情況，已修補多個破損的地方。 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

我公司對冷卻塔存在的問題進行分析， 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參數(shù)

系統(tǒng)布置有5 臺2 638 kW 制冷量的的離心式制冷機。 結合原有冷卻塔的冷卻狀況和安裝位置進行選型。 經(jīng)過測算，選用5 臺冷卻循環(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目周邊進行拼裝、吊裝就位和接管，項目對工廠生產(chǎn)的影響時間短。 可分7 個模塊現(xiàn)場拼裝，縮短安裝時間，拼裝方便快捷。 獨立整塔設計，快速吊裝就位，冷卻塔可以快速投入調(diào)試、使用。

表1 主要技術參數(shù)

2.1.2 采用大風量、低風壓的風機

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)闅庀啵枰罅康臍饣瘽摕帷?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。 風壓大，會加大冷卻塔的漂水損失。因此需要采用大風量小風壓的風機。在個別情況下，可以采用多個小功率風機的形式，代替1 個大功率風機，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；入風口處呈蜂窩狀，具有導風和阻擋漂浮雜物的功能；出風口處亦成蜂窩狀，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特的坑紋設計，具有大的散熱面積和小的風阻。

2.1.4 設計冷卻塔加藥裝置

對于玻璃鋼式冷卻塔，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，實現(xiàn)一段時間內(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，藥片周圍的氯離子濃度高，當水體流動緩慢時，對金屬的腐蝕性大。因此對于不銹鋼冷卻塔，設計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)能設計與控制

制冷系統(tǒng)能源消耗大， 冷卻塔的節(jié)能及控制對制冷系統(tǒng)的能源消耗具有重大影響。 因此很有必要對制冷系統(tǒng)運行的節(jié)能性進行設計，并利用自控系統(tǒng)加以實現(xiàn)。

2.2.1 系統(tǒng)節(jié)能的觀點

把冷卻塔系統(tǒng)作為制冷系統(tǒng)的子系統(tǒng)， 可以根據(jù)冷卻塔的進出水溫度判斷制冷系統(tǒng)的負荷，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； 把冷卻塔作為一個整體，冷卻塔與冷卻水泵不是一一對應關系。 在冷卻水泵未全部投入運行時，1 臺冷卻水泵的冷卻水可以分布在2 臺或3臺冷卻塔中， 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到最小。

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

圖1 實施例冷卻塔安裝示意圖

2.2.2 變頻節(jié)能

由于風機的電功率與風機的轉速是三次方的關系。 風機的電功率與風機風量為一次方關系。 降低風機的轉速，能夠快速降低風機的電功率。 所以在部分負荷時期，采用變頻器對冷卻塔風機進行變頻，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置，冬季具備切換為1 臺冷卻泵對應2 臺甚至多臺冷卻塔的能力［3］。在冬季，室外的溫度、濕度都較低，僅開啟冷卻循環(huán)水泵進行冷卻水循環(huán)，不開啟冷卻塔風機。 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。 為了擴大此效果并利用上文所提的變頻風機，項目采用并聯(lián)送水管路加電動調(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機，使得所有的冷卻塔一起分攤冷卻水的散熱功能。 不開啟或者變頻開啟冷卻塔風機，從而降低冷卻塔的風機電耗。

冷卻塔自控系統(tǒng)考慮全年多工況節(jié)能控制運行策略。 冷卻塔自控系統(tǒng)能夠根據(jù)冷卻塔進出水溫度、環(huán)境干濕球溫度，以及設定出水溫度要求，自動控制冷卻塔布水數(shù)量、電動調(diào)節(jié)閥開度、電機運轉數(shù)量及電機運轉頻率，以達到節(jié)能的目的。

同時具備所有冷卻塔的遠程手動/就地手動冷卻塔布水數(shù)量、

電機運轉數(shù)量及電機運轉頻率。

2.2.3 自控系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)在設計過程中，1 臺塔開啟即可滿足1 臺冷水機組的冷卻需求，此冷卻塔冷1 臺塔對應1 臺風機，冷卻塔在需要開啟時，風機開啟。 在夏季，天氣比較炎熱，冷水機冷卻側冷卻充分對機組正常運行及節(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開，等到冷水機開啟后，冷卻水出水溫度上升到一定溫度值（此溫度值可在上位機界面上修改優(yōu)化，程序自動判斷）才允許冷卻塔開啟。

另外，冷卻塔風機增加變頻控制，當冷卻水溫接近濕球溫度時，水溫將不能再降低，此時可變頻降低冷卻風機轉速，甚至可以減開1 臺冷卻塔； 當冷卻回水溫度大于濕球溫度較高時，會導致主機效率增加，此時可增加冷卻風機轉速甚至新增開1 臺冷卻塔。

當自動狀態(tài)時，識別溫度信號啟動或關閉相應的電動機。當進出水溫差在小于5 ℃時，1#～5# 冷卻塔變頻器工作，1#～5#冷卻塔電機運行頻率降低5 Hz。 當前冷卻塔風機頻率到達30Hz 后，關閉1# 冷卻塔風機及閥門，如此類推直到冷卻塔全部關閉。

當進出水溫差在大于5 ℃，并冷卻塔未全部開啟時，開啟冷卻塔，風機運行頻率30 Hz，并開啟冷卻塔閥門。 當進出水溫差在大于5 ℃， 并冷卻塔全部開啟時，1#～5# 冷卻塔風機頻率提升5 Hz，重復檢測直到冷卻塔風機頻率為50 Hz。

3 改造后的情況

項目采用模塊式不銹鋼式冷卻塔，改造速度快，對生產(chǎn)的影響縮短到最小。改造后塔體牢固美觀。風量、水量匹配良好，進出水冷卻溫差超過5 ℃，滿足制冷機的冷卻需求。 系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 經(jīng)測算，較原系統(tǒng)節(jié)能5%以上，節(jié)能效果顯著。

4 結論

經(jīng)過本項目的分析和改造，對于改造項目，采用模塊式的不銹鋼冷卻塔，有助于降低改造工期。 適當加大風量，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，可以有效降低冷卻塔能耗。