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冷卻塔的節(jié)能

采用自然通風(fēng)冷卻塔，在機(jī)械通風(fēng)冷卻塔中采用低流阻的填料，逆流塔降低淋水密度，橫流塔減少填料在氣流向的寬度，閉塔加大管間距，都能夠有效節(jié)能，但以增加占地面積和投資為代價(jià)。在某些工業(yè)項(xiàng)目中，由于生產(chǎn)工藝的原因，冷卻水來(lái)自高塔，因此具有足夠高的余壓，如果能將這部分能量加以利用，也可以起到節(jié)能的效果，因此就出現(xiàn)了用水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的水輪機(jī)冷卻塔。其工作流程見(jiàn)圖1，帶著一定速度和壓力的冷卻水從輸水①進(jìn)入水輪機(jī)②，在蝸殼內(nèi)形成一定的速度環(huán)量，經(jīng)導(dǎo)葉加速后推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，這時(shí)與葉輪連接的風(fēng)機(jī)③就隨之轉(zhuǎn)動(dòng);在水輪機(jī)內(nèi)作功后的冷卻水再進(jìn)入布水系統(tǒng)⑤噴淋到填料，完成冷卻。在水質(zhì)較差的場(chǎng)合，還有一種冷卻塔也利用了冷卻水的余壓-中空旋轉(zhuǎn)霧化冷卻塔。該塔的主要水氣傳熱傳質(zhì)部分不用填料，而是水霧與空氣在空間的直接接觸，其核心部件是圖2所示的旋轉(zhuǎn)式射流布水器。這種布水器的特殊之處在于它將布水噴頭的噴口與水平方向上呈一定的傾角，這樣，在冷卻水噴射而出的時(shí)候，冷卻水會(huì)給布水器一個(gè)反作用力，利用這一反作用力帶動(dòng)布水器旋轉(zhuǎn)。將布水器與風(fēng)機(jī)相連，風(fēng)機(jī)就會(huì)隨布水器一同轉(zhuǎn)動(dòng)。

上述兩種塔都是利用冷卻水的余壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，省卻了原來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電能，近年來(lái)有較多的應(yīng)用。但必須指出的是，該方法僅適用于有合理余壓的場(chǎng)合，當(dāng)余壓不足時(shí)使用上述方法會(huì)影響冷卻效果，如果為達(dá)到要求的水壓而用泵增壓則得不償失，此時(shí)采用水力與電力混合驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，是既可利用余壓又能保證冷效的正確的途徑。目前，冷卻塔風(fēng)機(jī)的水電混驅(qū)技術(shù)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與完善。另外，理論與實(shí)踐都證明，通過(guò)在閉式冷卻塔加裝填料對(duì)冷卻水進(jìn)行預(yù)冷卻，如圖3，在冷卻任務(wù)相同的條件下，不僅可以大幅減少盤(pán)管的使用，而且也可減小氣側(cè)和液側(cè)的阻力，已成為閉式冷卻塔節(jié)能降耗的主要方向。

全工況節(jié)能冷卻系統(tǒng)

在空調(diào)和工業(yè)系統(tǒng)中，各類(lèi)用戶(hù)為響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化的需要，通常都采用多主機(jī)配置，冷卻塔根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況選型，由多個(gè)冷卻塔構(gòu)成冷卻塔組成為冷卻終端。根據(jù)規(guī)范及行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)和工業(yè)系統(tǒng)的熱力循環(huán)按最不利工況設(shè)計(jì)，而常年則運(yùn)行于20%～80%負(fù)荷間，且由于外界氣候條件變化頻繁(濕球溫度:24h波動(dòng)5～10℃、空調(diào)季波動(dòng)15℃)而導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)大，其熱力性能隨之改變，并直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行。如果能合理規(guī)劃和利用冷卻塔組，充分利用非設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)冷卻能力的余量，則可降低主機(jī)能耗，提高系統(tǒng)效率，達(dá)到全系統(tǒng)節(jié)能降耗最大化的目的，比單獨(dú)的冷卻塔產(chǎn)品節(jié)能更有意義。由此，產(chǎn)生了全工況節(jié)能冷卻系統(tǒng)的概念。該系統(tǒng)改變多主機(jī)系統(tǒng)中傳統(tǒng)冷卻塔與主機(jī)一對(duì)一聯(lián)動(dòng)的對(duì)應(yīng)方式，視冷卻為一個(gè)獨(dú)立整體系統(tǒng)，無(wú)論環(huán)境條件、主機(jī)負(fù)荷、冷卻水流量和熱量如何變動(dòng)，均對(duì)所有冷卻塔進(jìn)行相對(duì)均勻播水，充分利用全部填料的傳質(zhì)散熱面積，通過(guò)將水路連通運(yùn)行和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟數(shù)，可以達(dá)到比變頻調(diào)節(jié)更好的節(jié)能性?xún)r(jià)比。

當(dāng)然，該系統(tǒng)有三項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，一是變流量下保證全路均勻布水的分配裝置;二是為避免氣流短路在冷卻塔組出風(fēng)口加裝的自力式整流止回風(fēng)閥;三是不同熱負(fù)荷及環(huán)境干濕球溫度條件下，冷卻逼近度與風(fēng)機(jī)功耗及冷機(jī)COP或工業(yè)系統(tǒng)能效比關(guān)系的自?xún)?yōu)化控制及塔組模塊運(yùn)行狀態(tài)自追蹤調(diào)整技術(shù)的開(kāi)發(fā)。圖4為適用于全工況節(jié)能冷卻系統(tǒng)的冷卻塔組。該系統(tǒng)通過(guò)精確實(shí)時(shí)感測(cè)末端負(fù)荷、循環(huán)流量和壓力、送風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)、以及與之相匹配的主設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行需求，按優(yōu)化控制方案實(shí)時(shí)控制，在系統(tǒng)部分負(fù)荷時(shí)，為主機(jī)提供最理想的冷卻水溫(而不是設(shè)計(jì)標(biāo)況)，達(dá)到提高主機(jī)COP而降低主機(jī)能耗的效果，從而確保全系統(tǒng)處于高效率、低能耗、穩(wěn)定可靠的最佳工況運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備運(yùn)行及能耗狀況均可見(jiàn)、可查、可控、可管的易操作、便維護(hù)、好管理的智能高效節(jié)能控制狀態(tài)。

環(huán)境友好型冷卻塔的發(fā)展

1低噪聲冷卻塔

在玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB7190.1-2008和GB7190.2-2008)中對(duì)其噪聲和噪聲測(cè)試方法都有詳細(xì)描述。其中，對(duì)于噪聲要求最高的超低噪小型冷卻塔的噪聲要求為55dB(A)。然而依據(jù)2008年出臺(tái)的GB3096-2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，按照環(huán)境噪聲晝間高于夜間、交通干道高于工礦區(qū)、工礦區(qū)高于居民區(qū)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，連超低噪的小型冷卻塔在居民區(qū)也只能白天工作，這既不符合冷卻塔的使用需求，同時(shí)又限制了用戶(hù)對(duì)冷卻塔的選擇，所以，盡量降低冷卻塔的噪聲成了開(kāi)發(fā)者和改造者面臨的一大課題。冷卻塔的噪聲產(chǎn)生主要有兩大原因:一是電機(jī)、風(fēng)機(jī)噪聲，二是淋水噪聲，其中風(fēng)機(jī)噪聲所占比例更大。針對(duì)電機(jī)、風(fēng)機(jī)噪聲，生產(chǎn)廠(chǎng)家多選擇使用低噪電機(jī)、風(fēng)機(jī)，并且適當(dāng)?shù)卣{(diào)整風(fēng)機(jī)葉片的角度，實(shí)驗(yàn)表明，在風(fēng)機(jī)和電機(jī)確定的情況下，適當(dāng)調(diào)整葉片角度可以使冷卻塔根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的噪聲值最大降低約3dB。針對(duì)淋水噪聲，冷卻塔廠(chǎng)家多數(shù)采用加深水盤(pán)的策略，還有部分廠(chǎng)家對(duì)填料進(jìn)行了親水處理，并細(xì)化了填料上的波紋，這些措施都在一定程度上降低了淋水噪聲。在冷卻塔的改造施工中，大型冷卻塔多采用建造隔音吸聲墻方法，中小型冷卻塔多數(shù)通過(guò)在塔內(nèi)加裝吸音材料或是在風(fēng)機(jī)出口加裝消音器和吸音棉來(lái)降低噪聲，據(jù)文獻(xiàn)記載，以上方法均具有良好的降噪效果。

2特殊環(huán)境下的冷卻塔

空氣經(jīng)過(guò)冷卻塔后的溫度和相對(duì)濕度都比較高，在雨季、冬季或是一些濕度較大的地區(qū)，高溫高濕的空氣排出時(shí)遇到外界冷空氣，冷凝產(chǎn)生小液滴，形成了白霧。隨著城市的發(fā)展，尤其是安裝在市中心地區(qū)或者機(jī)場(chǎng)等特殊區(qū)域的冷卻塔，必須保證不產(chǎn)生白霧。國(guó)內(nèi)外對(duì)于防白霧的技術(shù)已有較豐富的研究，主要是采用分段冷卻的方法降低出口空氣的溫濕度，從而避免白霧的產(chǎn)生。在西北干旱的地區(qū)，常年風(fēng)沙嚴(yán)重，裹挾著大量沙土的風(fēng)進(jìn)入冷卻塔，會(huì)影響冷卻塔的正常運(yùn)行甚至造成被迫停機(jī)。針對(duì)這一問(wèn)題，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)多采用在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口加裝百葉窗和風(fēng)閥的辦法盡量減少沙土進(jìn)入冷卻塔，也有在水缸中加裝排沙裝置，定期清理的案例，但實(shí)際應(yīng)用表明這些方式效果不很理想，并未從根本上解決沙土和水的矛盾，所以冷卻塔防沙技術(shù)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。防凍是閉式冷卻塔使用中比較突出的一個(gè)問(wèn)題。在較寒冷地區(qū)，冬季停機(jī)之后，如果盤(pán)管內(nèi)排水不暢不凈，結(jié)冰后很容易凍裂盤(pán)管，造成設(shè)備事故。要在冬天保護(hù)閉塔，首先可以考慮給盤(pán)管一個(gè)傾角，加裝排水閥，冬季停機(jī)后主動(dòng)排水，降低凍裂風(fēng)險(xiǎn);或者采用耐凍的材料代替金屬做成盤(pán)管，比如采用工程塑料，不僅可以抗凍，而且有耐腐、阻垢、降噪的作用，但由于管材導(dǎo)熱系數(shù)的影響，采用小管徑以增加換熱面積是其發(fā)展的方向。圖5為一臺(tái)采用PE-R材料的毛細(xì)管網(wǎng)制成的冷卻塔，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)具有實(shí)用價(jià)值。

3間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代末期開(kāi)始出現(xiàn)的一種經(jīng)過(guò)二次冷卻來(lái)降低空氣溫度的送風(fēng)技術(shù)，其裝置圖見(jiàn)圖6。其基本原理簡(jiǎn)述如下:二次空氣與噴淋水在冷卻塔內(nèi)換熱，換熱后分別將二者收集起來(lái)。一次空氣先進(jìn)入氣-氣換熱器內(nèi)與換熱后的二次空氣換熱，然后進(jìn)入水-氣換熱器，與換熱后的冷卻水換熱，最后從出風(fēng)口出來(lái)成為送風(fēng)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以分兩種情況使用以達(dá)到最好的效果。①當(dāng)使用在氣候干燥的地區(qū)(其干濕球溫度相差較大)時(shí)，可以直接使用自然界空氣直接作為一次空氣和二次空氣，此時(shí)送風(fēng)的溫度基本可以達(dá)到當(dāng)?shù)氐臐袂驕囟?②當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在非干燥地區(qū)(其干濕球溫度相差不大)時(shí)，則應(yīng)使用自然界空氣作為一次空氣，而選擇室內(nèi)的空氣作為二次空氣，因?yàn)槭覂?nèi)空氣的濕球溫度相對(duì)較低，甚至?xí)陀谑彝猸h(huán)境的露點(diǎn)溫度，這樣有利于給一次空氣進(jìn)一步去濕降溫。使用間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，可以最大程度降低空氣的溫度，尤其是在干燥的地區(qū)，還可以減少制冷劑的使用。因此，間接冷卻技術(shù)是一種較好的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

節(jié)能型和環(huán)保型冷卻塔的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

1海水代替淡水冷卻產(chǎn)生的社會(huì)效益

以一臺(tái)300兆瓦的火電機(jī)組為例，冷卻水用量可達(dá)36000t/h，按6%的水耗計(jì)，如果采用海水冷卻塔，意味著不僅節(jié)約了36000t/h的淡水循環(huán)量，而且每年節(jié)約淡水消耗近1892萬(wàn)噸，可以供6.85萬(wàn)戶(hù)普通家庭使用超過(guò)一年的時(shí)間。可見(jiàn)海水冷卻塔創(chuàng)造的社會(huì)效益之巨大。

2利用系統(tǒng)余壓帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用水輪機(jī)冷卻塔和中空旋轉(zhuǎn)霧化冷卻塔，可以利用系統(tǒng)余壓，將水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)的動(dòng)能，節(jié)約電能。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，中小型工業(yè)冷卻塔的耗電比不大于0.05kW/(m3•h)，其它中小型冷卻塔的耗電比不大于0.035kW/(m3•h)，大型冷卻塔的耗電比不大于0.045kW/(m3•h)。可利用系統(tǒng)余壓的大多為化工行業(yè)。如取某化工廠(chǎng)的冷卻水用量為7000m3/h，使用大型工業(yè)冷卻塔，則按照標(biāo)準(zhǔn)耗電量為315kW，因此采用水力替代電力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，每年可以節(jié)約電能為276萬(wàn)度。按工業(yè)用電平均1元/度計(jì)算，一年約可為企業(yè)節(jié)約電費(fèi)276萬(wàn)元。既節(jié)省了電力資源，又給企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，可謂兩全其美。

3冷卻系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)熱力系統(tǒng)的貢獻(xiàn)

給出了電力行業(yè)不同機(jī)組在冷卻塔出口水溫上升1℃時(shí)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的變化，見(jiàn)表1。通過(guò)擬合(見(jiàn)圖7)得到煤耗量隨機(jī)組容量成指數(shù)型變化，具體關(guān)系為:y=582.82ln(x)－1663.7，擬合時(shí)R2值為0.9476。煤耗量增加造成效率的降低以及煤耗率和熱耗率的增加，對(duì)機(jī)組運(yùn)行有不良影響。相反，如果冷卻塔的出口溫度降低1℃，對(duì)于一個(gè)350MW的機(jī)組來(lái)說(shuō)，可節(jié)省煤耗量1808t/a，按照現(xiàn)在煤炭?jī)r(jià)格600元/噸的價(jià)格計(jì)算，每年僅燃煤消耗即可節(jié)約108.48萬(wàn)元，同時(shí)還能提高機(jī)組的運(yùn)行效率0.242%。可見(jiàn)，冷卻塔應(yīng)用于熱力系統(tǒng)中，首先要保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，不能僅僅為了降低冷卻塔的能耗而影響了系統(tǒng)運(yùn)行，這樣就得不償失了。所以，推廣全工況冷卻塔組的應(yīng)用，從整個(gè)熱力系統(tǒng)的角度出發(fā)才能真正達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

再分析一個(gè)某服裝企業(yè)中央空調(diào)的例子。該中央空調(diào)系統(tǒng)年運(yùn)行率為60%，有4臺(tái)550冷噸(共折8500kW)的冷卻機(jī)，末端配8臺(tái)250水噸的冷卻塔(按0.035千瓦/水噸基準(zhǔn)電耗，共70kW)，8臺(tái)冷卻水泵共240kW，按2.3節(jié)所述組成冷卻塔組，冷卻系統(tǒng)的平均節(jié)能率為15%，并且冷卻水溫平均降1℃，主機(jī)節(jié)能3%，，則用戶(hù)年節(jié)電:［(70+240)×0.15+8500×0.03］×365×24×0.6÷10000=158.5萬(wàn)度。單位用電均價(jià)按1元/度計(jì)，則用戶(hù)年節(jié)電效益為158.5萬(wàn)元。按照供電煤耗350g/kW•h轉(zhuǎn)換成554.75噸標(biāo)煤，則每年共減少2034噸的二氧化碳排放。

結(jié)論

冷卻塔雖是一個(gè)傳統(tǒng)的行業(yè)，但是肩負(fù)節(jié)約水資源的重任，發(fā)展?jié)摿艽螅袌?chǎng)前景廣闊，節(jié)能、節(jié)水空間巨大。尤其是新技術(shù)和新思想的應(yīng)用，不僅給冷卻塔行業(yè)帶來(lái)了進(jìn)步，同時(shí)給行業(yè)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，更使得冷卻塔在系統(tǒng)中能夠充分發(fā)揮作用，使得系統(tǒng)向資源節(jié)約型和環(huán)境友好型逐步發(fā)展，推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步。

作者：劉婧楠章立新尹證沈艷單位：上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院北京玻璃鋼研究設(shè)計(jì)院有限公司上海同馳換熱設(shè)備有限公司