基于北方寒冷天氣閉式冷卻塔防凍方案及動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉博樂，朱立仁，程生坤，任宇航，趙航，石卓立

（中國航發(fā)（北京）航空材料研究院，北京 100095）

1 設(shè)備介紹及問題

1.1 閉式冷卻塔

密閉式冷卻塔，又稱閉式冷卻塔，是將管式換熱裝置置于塔內(nèi)，通過塔上散熱風(fēng)扇進(jìn)行空氣流通及噴淋泵進(jìn)行噴淋水與循環(huán)水進(jìn)行熱交換以達(dá)到降溫效果。由于是閉式循環(huán)，可以保證循環(huán)水質(zhì)不受到污染，保護(hù)精密設(shè)備的高效運(yùn)行，提高了設(shè)備使用壽命。主要用于冶金、航空、機(jī)械以及食品等領(lǐng)域。

1.2 閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)及工作原理

閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)主要分為水泵、風(fēng)機(jī)、冷凝器、收水器、噴淋系統(tǒng)、自動(dòng)補(bǔ)水裝置等主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過程主要是對(duì)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行降溫的循環(huán)水（即冷卻水）從閉式冷卻塔進(jìn)水口進(jìn)入，經(jīng)過冷凝器進(jìn)行風(fēng)冷及噴淋系統(tǒng)對(duì)冷凝器內(nèi)冷卻水進(jìn)行水冷降溫，降溫后的冷卻水從出水口回到設(shè)備管道內(nèi)對(duì)設(shè)備再次進(jìn)行降溫，以此循環(huán)，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

圖1 閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)圖

1.3 出現(xiàn)問題

目前經(jīng)過對(duì)閉式冷卻塔多年使用，發(fā)現(xiàn)閉式冷卻塔在北方寒冷天氣狀態(tài)（溫度低于0℃）下使用，極容易造成閉式冷卻塔損壞，影響設(shè)備冷卻水的正常使用。其中主要出現(xiàn)故障包括內(nèi)部冷凝管、集水池、收水器、水泵凍裂情況。上述情況嚴(yán)重影響設(shè)備冷卻水冷卻效果和閉式冷卻塔的壽命，維修費(fèi)用大幅度提升。

2 閉式冷卻塔防凍措施

針對(duì)上述情況，建議對(duì)閉式冷卻塔進(jìn)行冬季防凍處理，考慮到不同設(shè)備的狀態(tài)及使用要求，采用不同的防凍方案對(duì)閉式冷卻塔進(jìn)行防凍處理。

2.1 對(duì)于非精密設(shè)備閉式冷卻塔防凍方案

由于冷卻水需要進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行冷卻，對(duì)于非精密設(shè)備的閉式冷卻塔，對(duì)于冷凝器內(nèi)冷卻水的成分沒有要求，不會(huì)對(duì)該設(shè)備本身及設(shè)備產(chǎn)品無影響的，可以通過對(duì)閉式冷卻塔內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)使用防凍液（乙二醇），按照調(diào)配比例進(jìn)行添加，可以一次性解決閉式冷卻塔凍裂問題。但需要考慮如下情況。

（1）由于防凍液具有一定的腐蝕性，雖然防凍液在冷卻塔內(nèi)循環(huán)管路中，但循環(huán)過程中需要經(jīng)過設(shè)備，會(huì)對(duì)設(shè)備循環(huán)管路存在一定腐蝕性。建議精密設(shè)備閉式冷卻塔不建議使用防凍液。

（2）防凍液成本較高，經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研乙二醇防凍液1萬元/噸，因此內(nèi)循環(huán)水路用水量較大的閉式冷卻塔慎用。防凍液與水比例1:3，例如，閉式冷卻塔內(nèi)循環(huán)水池用水100m3，需要防凍液30t，一次性投入成本30萬元。建議配有水箱用水量低的閉式冷卻塔使用防凍液。

（3）冬季室外環(huán)境溫度不超過-20℃（院內(nèi)可用）。

另外，通過閉式冷卻塔和開式冷卻塔配合使用，可以解決冬季閉式冷卻塔凍裂情況。由于冬季環(huán)境溫度低，因此循環(huán)水路制冷量?jī)H為夏季的1/3，因此加裝開式冷卻塔（閉式冷卻塔與開式冷卻塔比例為1:3），冬季對(duì)閉式冷卻塔進(jìn)行停運(yùn)，使用開式冷卻塔進(jìn)行設(shè)備降溫。

具體要求如下：建議每年10月初需要對(duì)閉式冷卻塔進(jìn)行停運(yùn)，對(duì)冷凝管進(jìn)行排水，啟動(dòng)開式冷卻塔進(jìn)行設(shè)備降溫；加裝開式冷卻塔成本在10萬元左右；開式冷卻塔對(duì)設(shè)備循環(huán)水路是否有影響。建議精密設(shè)備慎用。

2.2 對(duì)于精密設(shè)備閉式冷卻塔防凍方案

考慮到閉式冷卻塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過冬季對(duì)閉式冷卻塔部分管路及塔內(nèi)冬季進(jìn)行保溫、加熱、防凍處理，可以有效地提高閉式冷卻塔的抗寒能力，減少降溫給其帶來的損傷，主要包括：

（1）冷卻塔室外冷卻水管加裝電拌熱帶，貼保溫板；電伴熱帶啟動(dòng)關(guān)閉需要受室外溫度控制（在1～3℃，低于0℃冷卻塔會(huì)被凍壞）。

（2）冷卻塔托水盤配備電加熱防凍棒（在1～3℃，低于0℃冷卻塔會(huì)被凍壞）。

（3）閉式冷卻塔24小時(shí)不停泵，保證管道溫度熱量交換。如果冬季無須使用閉式冷卻塔，晚上室外溫度為0℃以下時(shí)必須做泄水處理（外部循環(huán)水），并使用空壓機(jī)對(duì)冷凝管內(nèi)進(jìn)行排水處理，保證水分揮發(fā)干凈防止銅管凍裂。如圖2、圖3所示，可以采用該結(jié)構(gòu)冷凝管在對(duì)冷凝管進(jìn)行排水處理時(shí)，可以有效將冷凝管內(nèi)積水清除干凈。

圖2 新型冷凝管實(shí)物圖

（4）冬季對(duì)冷凝管內(nèi)設(shè)置流量大小，降低銅管內(nèi)的流速，可減少管道內(nèi)負(fù)荷，防止管道結(jié)凍。

3 閉式冷卻塔動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前對(duì)于閉式冷卻塔進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括兩部分：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。該套系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要用于閉式冷卻塔循環(huán)水相關(guān)狀態(tài)參數(shù)異常情況下，系統(tǒng)內(nèi)部單片機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)對(duì)比，確定故障類型并觸發(fā)遠(yuǎn)程電話報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備報(bào)警器，同時(shí)采取應(yīng)急措施。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)與下位機(jī)兩部分，下位機(jī)包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、單片機(jī)（ZHC4941 RTU）、變頻器（MM430）、繼電器、接觸器等硬件設(shè)備；上位機(jī)為觸摸屏，可控制水泵的延時(shí)啟停。硬件系統(tǒng)通過壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器采集真空泵進(jìn)水口和出水口的循環(huán)水狀態(tài)，再經(jīng)信號(hào)采集卡采集以上信號(hào)后，實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，其中水泵的控制方式為一臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行和一臺(tái)備用。此外，在設(shè)備故障時(shí)能觸發(fā)電話報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警器，同時(shí)迅速切換備用水泵，如圖4硬件系統(tǒng)原理圖、圖5硬件系統(tǒng)電氣圖、圖6硬件系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖4 硬件系統(tǒng)原理圖

圖5 硬件系統(tǒng)電氣圖

圖6 硬件系統(tǒng)實(shí)物圖

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因本系統(tǒng)選用的變頻器內(nèi)置PID模塊，可實(shí)現(xiàn)水流壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，軟件系統(tǒng)的重點(diǎn)部分主要在于實(shí)現(xiàn)水泵啟動(dòng)設(shè)置、系統(tǒng)故障信號(hào)分析、報(bào)警信號(hào)輸出、報(bào)警用戶管理、水流壓力、水流溫度和水流量的展示等功能。軟件系統(tǒng)基于縱橫智控RTU附帶的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖7警報(bào)觸發(fā)器的觸發(fā)設(shè)置、圖8報(bào)警用戶管理。

圖7 警報(bào)觸發(fā)器的觸發(fā)設(shè)置

圖8 報(bào)警用戶管理管理

3.4 動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻塔水流量、壓力以及溫度等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能。主要分為以下兩種情況：（1）在水流量及壓力低于正常設(shè)定值（水流量：80m3/h，壓力：0.4MPa）將開啟備用水泵保證閉式冷卻塔的水循環(huán)，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程報(bào)警；（2）在循環(huán)水溫度低于正常設(shè)定值（溫度：0℃）將開啟管道及塔內(nèi)部伴熱帶對(duì)管道內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行加熱，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程報(bào)警。

4 具體應(yīng)用

目前，針對(duì)上述方案，已經(jīng)我院某廠房閉式冷卻塔進(jìn)行防凍方案試點(diǎn)，主要包括：對(duì)外管道進(jìn)行加裝電伴熱帶，貼保溫板保證管道循環(huán)水在冬季溫度1～3℃，恢復(fù)了冷卻塔托水盤內(nèi)加熱系統(tǒng)，加裝了管道內(nèi)水壓、水流量以及溫度監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)，24小時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證設(shè)備正常運(yùn)行。經(jīng)過一個(gè)冬季測(cè)試目前該廠房閉式冷卻塔無凍壞損壞情況。預(yù)計(jì)每年可以減少閉式冷卻塔因冬季凍壞所產(chǎn)生的維修成本3萬余元，提高了閉式冷卻塔的使用效率，延長(zhǎng)了其使用壽命。