冷卻塔節能方案優化研究

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，但冷卻塔的節能問題經常被忽略。結合江蘇鳳凰數據中心冷電聯供分布式能源項目冷卻塔群控系統的優化實踐，從運行方式改變、控制策略優化等方面闡述冷卻塔高效應用的節能措施。

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

江蘇鳳凰數據中心天然氣分布式能源項目的冷電聯供系統的冷卻水系統（以下簡稱“本案例”），由3 臺2 MW 燃氣內燃發電機組、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 臺內燃發電機組提供冷卻水，配置2 臺冷卻水泵，1 用1 備；3臺內燃機的冷卻水采用母管制方式連接，通過閥門調節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，通過閥門調節各機組間的水力平衡。

圖1 冷卻塔系統

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。循環水泵為變頻水泵，根據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。

2.2 優化思考

經過對原設計的分析研究，現對冷卻塔系統進行適當的優化，以提升系統的節水、節電、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。根據冷卻原理分析可知，優化后的平均實際使用換熱面積加大，換熱效率上升，蒸發散熱量下降，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調節通風量，達到節約用電的目的。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容易出現相互干擾，影響自動控制的穩定性，如果一臺投自動狀態，另一臺固定頻率運行，水泵工作狀態不一致，根據水泵工作特性分析，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＞1。

（2）對2#、3#、4#塔組的15 臺風機進行編號，運行時根據供水溫度變化情況，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，則發增加風機指令，反之發減少風機指令。

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

（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，手動狀態時，所有風機人工操作，自動狀態時，忽略手動控制狀態的風機，對自動控制狀態的風機實現自動啟/停操作。

（7）設置巡查邏輯，當收到“啟/停”指令時，按預設的操作順序尋找第1 臺處于自動狀態的“停止/運行”狀態的風機并執行“啟/停”指令，執行一次“啟/停”指令或未找到處于自動狀態的“停止/運行”狀態的風機后，停止指令執行。

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

4 循環泵節能措施分析

4.1 循環泵群控策略簡述

為了防止3#、4#、5#循環泵同時投自動狀態時相互干擾而出現失穩，解決1 臺投自動狀態，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 個自動調節器，投入自動狀態的水泵，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，使各泵工作狀態一致。

圖2 循環水泵操作界面

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運行，又可以通過改變運行水泵的數量，使水泵工作在最佳能效區間，運行更靈活。

4.2 循環泵節能思考

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

圖3 循環水泵單元制連接方式

5 其他節能措施

本案例設計有水平衡管，未出現冷卻塔水盤水位偏差大導致溢水現象，但存在循環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、優化控制策略，可以明顯降低冷卻系統的電耗，減少補水，降低噪聲。如果設計階段就從設備選型、系統連接、管道布置等方面進行優化，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，則冷卻系統的節能、節水、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。