全年制冷系統冷卻塔防絮研究

曹培隆

（北京首都機場動力能源有限公司，北京）

1 制冷系統冷卻塔概述

冷卻塔是用水作為循環冷卻劑，利用空氣同水的直接接觸或者間接接觸，從一系統中吸收熱量排放至大氣中，以降低水溫的裝置。冷卻塔按通風方式分為自然通風冷卻塔、機械通風冷卻塔、混合通風冷卻塔；按水和空氣的流動方向分為逆流式冷卻塔、橫流式冷卻塔、混流式冷卻塔[1]。冷卻塔主要由冷卻塔塔體、電機、風機、填料、布水裝置、水管等組成。支架和塔體起到外部支撐的作用，是冷卻塔的框架結構；冷卻塔內部填料為水和空氣提供盡可能大的換熱面積，提高冷卻效率；冷卻水托水盤位于冷卻塔底部，用于匯集接收冷卻水；冷卻塔風扇提高空氣的流動速度，提高冷卻效率；散水器（布水器）用于將塔頂的冷卻水均勻的分布至各個區域，使冷卻塔與填料均勻接觸散熱[2]。

2 大興機場信息中心全年制冷系統

2.1 系統概況

北京大興國際機場信息中心作為機場的“神經中樞”，承擔著機場范圍內例如航班運行、機場指揮、設備保障等在內的全部信息數據的存儲、傳輸、計算等工作職責，素有大興國際機場“最強大腦”的稱號。

信息中心ITC 數據機房制冷系統設計采用全年運行模式，為末端核心數據機房提供365 天*24 小時的不間斷冷源供應。一旦系統冷源停供，就將會導致末端數據機房設備的散熱量不斷累積，設備高溫運行將影響數據運行安全。冷卻塔作為制冷系統中的重要核心設備，其安全運行與否，直接關系到冷卻水系統的冷卻效果，影響制冷效率，甚至最終威脅末端數據機房信息設備的正常運行，因此保障冷卻塔安全運行至關重要。

2.2 系統組成

北京大興國際機場信息中心ITC 全年制冷系統設計冷負荷為5 500 KW，制冷機組采用N+1 設計，設兩臺800RT 離心式冷水機組、兩臺381.5RT 螺桿式冷水機組。全年制冷系統冷凍水設計供回水溫度為12/18 ℃，冷卻水設計供回水溫度為33/38 ℃。ITC 信息中心樓頂設置6 臺冷卻塔，其中4 臺小塔（填料數量512 片/臺）、2 臺大塔（填料數量1024 片/臺），均為樓頂露天安裝。

表1 大興機場ITC 信息中心冷卻塔參數

2.3 飛絮影響情況

自2019 年ITC 全年制冷系統隨大興機場建成投運以來，根據以往對系統的運行與維護經驗，每年的3月至5 月北京進入“飄絮”季，大興機場區域內及周邊區域，河道兩岸、市政道路兩側及周圍村莊，大范圍種植楊樹、柳樹等樹木，且機場區域地勢相對平攤開闊，非常有利于“飄絮”的產生和傳播，機場區域相較北京市區而言，受飛絮影響的程度更深、范圍更廣。大量的飛絮極易沿冷卻塔填料縫隙及塔頂布水槽被吸入屋頂正常運行中的冷卻塔，從而進入冷卻水循環系統，堵塞循環泵前除污器影響制冷效果，出現安全隱患，甚至出現制冷停供事故。

2.4 冷卻塔防絮的目的意義

通過加裝防絮裝置，可以有效地阻止“飄絮”被吸入進入冷卻塔內部，堵塞冷卻水循環泵前除污器，導致冷水機組出現“無水流”停機故障；減少日常清洗冷卻水系統的自刷式過濾器及循環泵前除污器的頻次[3]，顯著減輕現場運維人員日常工作量；可以減少系統循環泵等主要用電設備的電能耗量，使系統運行更加經濟、節能；有效減輕系統運行隱患風險，提升整體的可靠性及安全性。

3 冷卻塔防絮裝置研究

3.1 冷卻塔側向填料面防絮網

絕大部分飛絮均沿冷卻塔兩側的填料面壓接縫隙被吸入冷卻塔內部。因此，首要應先解決側向填料面的放絮問題。冷卻塔填料面的尺寸長度較長，因此冷卻塔側向填料面防絮網框架宜采用“田”字形結構設計，框架結構簡單且穩固，框架上下分別設置固定卡槽及卡扣，確?？蚣艿姆€固。框架與塔身通過機械連接方式進行固定，以確保達到足夠的強度。框架用以連接防護網幕與塔身，框架材料選擇輕質鋁合金。

在框架內，還需安裝數個防絮網幕，防絮網幕與家用紗窗類似，可以在框架上下兩層的導軌上自由滑動，起到阻隔飛絮的作用，需便于安裝及拆卸。大冷卻塔與小冷卻塔網幕結構、外形尺寸完全相同，防絮網幕之間可以互換使用，具有較強的通用性。防絮網幕紗網采用雙層紗網結構，以提高其綜合防護性能。外側紗網選用較高目數，孔洞直徑較小，內側紗網選用較低目數，孔洞直徑較大，確保大部分飛絮能夠攔截在外側紗網之外，方便日常清理（見圖1、圖2）。

圖1 小冷卻塔側向填料面防絮網裝配示意

圖2 大冷卻塔側向填料面防絮網裝配示意

3.2 冷卻塔頂部布水槽防絮網

少部分飛絮還會沿冷卻塔頂部布水槽的孔洞縫隙隨水流進入冷卻塔內部，為確保冷卻塔的綜合防絮效果，還需設計、加裝針對冷卻塔頂部布水槽的防絮網。頂部布水槽防絮網尺寸與每個布水槽的外形尺寸均相同，同樣采用機械連接方式將布水槽防絮網與塔頂進行穩固連接，由于布水槽尺寸較小，因此將外部框架與網幕相融合，不再分別設置框架及網幕，進一步簡化結構、降低改造成本。大冷卻塔與小冷卻塔布水槽防絮網結構完全相同，可以互換，具有較強的通用性（見圖3）。

圖3 冷卻塔頂部布水槽防絮網裝配示意

3.3 冷卻塔防絮裝置風量影響程度研究

防絮裝置的加裝勢必會對冷卻塔正常進排風風量造成一定的不利影響。因此需進一步研究防絮裝置對風量的影響程度，找出冷卻塔防絮裝置的防護效果和防絮裝置影響冷卻塔散熱二者間的平衡點，實現以最小的風量影響程度換取最優的防絮效果。

通過現場試驗的方式，試驗分別測量加裝防絮網及未加裝防絮網兩種工況下，相同冷卻塔、相同風扇運行頻率、相同點位的風速值，建立數學模型，計算得出防絮裝置對風量的影響情況（見圖4）。

圖4 冷卻塔頂部散熱口風速測量點位示意

試驗選取冷卻塔頂部散熱風扇上方同一高度的水平面為測量基準，在四個方向上等距分別選取三個實驗點位，使用電子風速儀分別測量加裝防絮裝置與未加裝防絮裝置的風速數值。對12 個測量點位風速數值加和平均，計算出平均風速（m/s），在乘上散熱風扇上方圓形區域截面積（m2），通過換算得出風量數值（m3/h）。防絮裝置對散熱風量的影響程度=（未加裝防絮網總風量- 加裝防絮網總風量）/未加裝防絮網總風量≈10%，滿足防絮裝置的初始設計目標范圍。

3.4 冷卻塔防絮改造效果

防絮裝置改造工期短，絕大部分生產工藝均在工廠預制完成，結構簡單，現場施工無焊接等動火作業。大小冷卻塔網幕尺寸一致，具有較強的通用性。日常維護僅需使用吸塵器清理紗網外部攔截的飛絮，或對部分損壞紗網進行局部更換，維護維修成本較低。有效地防止飛絮隨冷卻水流入出水管道堵塞自刷式除污器及循環泵前除污器，減少日常清理除污器的頻次，由改造前的飛絮季最高每15 分鐘清理一次降低為改造后的每兩周一次，免去了改造前設置專人24小時不間斷清理除污器的人工成本，顯著降低系統運行成本。防絮裝置網幕與框架通過卡槽的連接方式，非飄絮季可輕松拆除側向及頂部的防絮網幕，僅保留框架，不影響冷卻塔的正常散熱運行（見圖5）。

圖5 冷卻塔防絮改造前（左）、改造后（右）

結束語

通過對防絮裝置的研究分析，實現對全年制冷系統冷卻塔的防絮改造，有效地避免了因“飛絮”導致制冷機組停機的風險，提升系統安全裕度；顯著減少了人工清洗除污器濾網的頻次，有效降低系統運行維護成本。同時，該防絮裝置具備較高的通用性與延展性，可在其它制冷系統中深化推廣使用。