張子倩，張?jiān)缧?，張?qiáng)

（1 西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；2 山東藍(lán)想環(huán)境科技股份有限公司，山東濰坊271000）

在當(dāng)今世界，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗量與日俱增，而石油化工、煤化工、冶金和電廠等行業(yè)對(duì)能源的需求愈來愈大，導(dǎo)致能源供應(yīng)緊張，價(jià)格上升[1?2]?；鹆Πl(fā)電占我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主要地位，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示[3]，2018年我國(guó)火力發(fā)電量占總發(fā)電量的73.32%；同時(shí)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)存在高水耗、高排放等問題，是制約其高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。流體冷卻是上述產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程不可缺少的重要環(huán)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)這些行業(yè)的冷卻系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能降耗，大力發(fā)展冷卻技術(shù)是必然趨勢(shì)。冷卻系統(tǒng)主要有濕冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)（也稱干冷系統(tǒng)）。濕冷系統(tǒng)是目前電廠應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，但是由于蒸發(fā)損失對(duì)水資源的消耗大，占電廠總耗水量的40%左右，在水源缺乏的地區(qū)應(yīng)用受到限制。空冷系統(tǒng)由于不存在中間循環(huán)冷卻水的損失，耗水量相比同等容量的濕冷機(jī)組低50%～65%[4?5]，其顯著的節(jié)水性受到許多學(xué)者的關(guān)注。然而空冷系統(tǒng)投資成本高、熱經(jīng)濟(jì)性低、冷卻性能受環(huán)境影響大等缺點(diǎn)限制了其廣泛使用。為了克服二者缺點(diǎn)，同時(shí)兼顧濕冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)成為冷卻系統(tǒng)未來發(fā)展的新趨勢(shì)[6?7]。本文對(duì)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)發(fā)展歷程及分類、研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，重點(diǎn)闡述干濕冷卻系統(tǒng)的模型、主要設(shè)備、優(yōu)化方法等研究方向的國(guó)內(nèi)外最新現(xiàn)狀，對(duì)節(jié)水消霧、露點(diǎn)冷卻和其他技術(shù)應(yīng)用于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了綜述，并對(duì)今后研究的重點(diǎn)方向進(jìn)行了展望。

1 干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的形成及分類

1.1 干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的形成

電廠的冷卻系統(tǒng)主要有濕冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)，具體分類如圖1所示。濕式和干式冷卻系統(tǒng)可以以不同的方式組合在一起來實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，這些系統(tǒng)稱為干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)（混合冷卻系統(tǒng)）。濕冷系統(tǒng)[8?9]是一種由冷卻水冷凝的系統(tǒng)，在冷卻過程中，有1%～2%的冷卻水蒸發(fā)，這意味著該系統(tǒng)有相對(duì)較高的耗水率，廠址選在缺水或水價(jià)昂貴的地區(qū)會(huì)受到限制，工作時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件的波動(dòng)不敏感?？绽湎到y(tǒng)是一種由空氣冷卻介質(zhì)的系統(tǒng)，主要分為直接空冷系統(tǒng)[10]和間接空冷系統(tǒng)[11]。間接空冷系統(tǒng)可以分為3種系統(tǒng)：海勒式間接空冷系統(tǒng)[12]、哈蒙式間接空冷系統(tǒng)[13]和間接空冷系統(tǒng)（surface condenser aluminum，SCAL）[14]?？绽湎到y(tǒng)[15?16]使發(fā)電廠和工業(yè)廠房的選址不再受水的影響。由于在含有煤和其他燃料沉積物的區(qū)域通常缺水，在這些區(qū)域適合采用空冷系統(tǒng)。空冷系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是排出的氣體無污染，對(duì)環(huán)境幾乎沒有不利影響。但是空冷系統(tǒng)通常是大型結(jié)構(gòu)，需要較高的投資成本，并在環(huán)境溫度高時(shí)效率低。濕冷系統(tǒng)或空冷系統(tǒng)都有比較明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，為此，同時(shí)兼顧濕冷和干冷優(yōu)點(diǎn)的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)得到了發(fā)展[17]。

圖1 冷卻系統(tǒng)的分類

1.2 干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)分類

根據(jù)空冷和濕冷系統(tǒng)的結(jié)合方式不同，可以分為分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)[18]、合建式干濕聯(lián)合系統(tǒng)[19]和干濕熱表面緊縮在一起的聯(lián)合冷卻系統(tǒng)[20]。

如圖2所示，分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)由于空冷部分和濕冷部分分開，涉及的設(shè)備分散，管路眾多，占地面積也較大。而合建式系統(tǒng)中的干冷和濕冷均安放在同一個(gè)塔體內(nèi)，結(jié)構(gòu)更緊湊，占地面積比分建式更小[21]。與傳統(tǒng)的濕式冷卻系統(tǒng)相比，聯(lián)合冷卻系統(tǒng)由于有干式冷卻分擔(dān)負(fù)荷，同等散熱條件下的耗水量更少，也可以根據(jù)干冷部分負(fù)荷的變化調(diào)整循環(huán)水用量。此外，合建式聯(lián)合冷卻系統(tǒng)按照空氣和循環(huán)水的運(yùn)動(dòng)路徑可分為串聯(lián)路徑、并聯(lián)路徑或串并聯(lián)組合式路徑的混合塔，因此其應(yīng)用也很靈活[22]。合建式與分建式系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

圖2 干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)

還有一種特殊的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，它的干濕熱表面緊縮在一起，用多膜管板狀干濕兩用塑料冷卻元件來代替空冷散熱器和濕冷填料，可同時(shí)或分別進(jìn)行熱管換熱和水膜蒸發(fā)冷卻過程。該塔采用的冷卻元件由濕通道和干通道并列組成，水流被限制在交替排布的聚氯乙烯（PVC）板通道中。根據(jù)環(huán)境空氣流經(jīng)的通道來進(jìn)行干式或濕式冷卻。冷卻元件的示意圖如圖3所示[24]。

圖3 冷卻元件示意圖

2 干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)是在濕冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種組合冷卻系統(tǒng)。德國(guó)對(duì)于干濕聯(lián)合冷卻塔的研究比較透徹。而國(guó)內(nèi)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)起步較晚，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于干濕聯(lián)合系統(tǒng)的研究大多數(shù)以小型模型塔或換熱器單元為對(duì)象，研究?jī)?nèi)容主要集中在：①干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)模型研究，包括濕冷、干冷理論模型的建立及完善、CFD 數(shù)值模擬研究；②主要干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的設(shè)備研究，包括冷凝器、換熱器、模型塔試驗(yàn)等；③干濕冷卻系統(tǒng)優(yōu)化研究，包括最優(yōu)循環(huán)水量、蒸發(fā)水量、干濕比例優(yōu)化等方面。下面圍繞這3 個(gè)主要研究?jī)?nèi)容重點(diǎn)介紹干濕冷卻系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀。

2.1 系統(tǒng)模型研究現(xiàn)狀

在理論模型的研究中，針對(duì)分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，黎穎慧等[25]對(duì)某300MW 直接空冷機(jī)組搭建了分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的計(jì)算模型，得到濕冷系統(tǒng)開啟關(guān)閉的臨界工況點(diǎn)。郭民臣等[26]對(duì)某330MW 直接空冷機(jī)組，同時(shí)建立直冷系統(tǒng)和分建式聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的計(jì)算模型。結(jié)果表明分建式干濕聯(lián)合系統(tǒng)可以大幅度降低機(jī)組背壓、機(jī)組熱耗和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，但是同時(shí)也會(huì)帶來水泵耗功增加。Rezaei 等[27]針對(duì)干旱和供水困難的地區(qū)，采用干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)建立濕段和干段混合冷卻塔的蒸發(fā)損失預(yù)測(cè)模型，為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)干濕聯(lián)合冷卻塔。在保證模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合的前提下，將其應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)案例中。

表1 分建式與合建式系統(tǒng)比較[23]

對(duì)于合建式干濕聯(lián)合系統(tǒng)，一些學(xué)者開展了系統(tǒng)理論分析，尚缺乏對(duì)設(shè)備投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)分析。黃鈺琛[19]建立合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)變工況數(shù)學(xué)計(jì)算模型。提出干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、變環(huán)境參數(shù)的特性分析。彭向鋒等[28]基于ε?NTU 方法分別建立了干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中的表面凝汽器、空冷部分、濕冷部分的計(jì)算模型，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。另外對(duì)聯(lián)合塔的兩種運(yùn)行模式進(jìn)行了特性分析，為變工況下的冷卻系統(tǒng)運(yùn)行提供了指導(dǎo)，對(duì)系統(tǒng)的建模仿真和節(jié)能運(yùn)行也具有重要的參考價(jià)值。在合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)計(jì)算模型、熱力學(xué)分析、變工況性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，為了使模型更加貼合實(shí)際的運(yùn)行情況，一些學(xué)者還開展了理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的相關(guān)研究。Asvapoositkul 等[29]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械通風(fēng)的合建式干濕聯(lián)合系統(tǒng)并建立了性能預(yù)測(cè)的計(jì)算模型，實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果驗(yàn)證了該模型的有效性。李進(jìn)等[30]構(gòu)造了串聯(lián)型干濕結(jié)合復(fù)合式冷卻塔的干式空氣冷卻段、填料段和蒸發(fā)冷卻段的數(shù)學(xué)模型，該模型計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)試值的最大相對(duì)誤差不超過12%，因此可以滿足工程實(shí)際的計(jì)算需求。Wei 等[31?32]針對(duì)自然通風(fēng)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的空氣側(cè)串并聯(lián)模式，分別提出了基于物理數(shù)學(xué)模型的迭代計(jì)算方法來預(yù)測(cè)該系統(tǒng)的性能，與其他類型的冷卻系統(tǒng)（空冷、濕冷和預(yù)冷）對(duì)比分析，具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，合建式和分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的模型研究主要集中在理論分析方面，在計(jì)算模型中采用一些理想化假設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在一定程度上反映了聯(lián)合冷卻系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差在可接受范圍內(nèi)。下一步可以進(jìn)一步完善干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，與工業(yè)運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)做更多對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行修正，提高模型的準(zhǔn)確性。

在利用數(shù)值模擬方法建模的研究中，黃鈺琛[19]以某600MW 燃煤電廠冷卻系統(tǒng)為例，采用CFD 數(shù)值模擬方法建立三維的數(shù)值模擬模型，深入探討干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的流動(dòng)換熱性能影響機(jī)理，為干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)不同運(yùn)行模式的運(yùn)行策略提出建議。Huang等[33]建立了600MW自然通風(fēng)聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的熱流特性、水噴霧冷卻和凝汽器傳熱的組合模型，對(duì)空冷段和濕冷段的熱流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。該研究結(jié)果有助于聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Sarker 等[34]采用CFD方法研究了干濕聯(lián)合冷卻塔的性能特征。對(duì)其壓降和冷卻能力進(jìn)行了研究，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行了比較，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好。Huang等[35]建立自然通風(fēng)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的三維數(shù)值模型，研究其在各種環(huán)境和運(yùn)行條件下的熱流性能，獲得了冷卻塔附近的流場(chǎng)以及循環(huán)水與冷卻空氣之間的傳熱和傳質(zhì)關(guān)系。干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法的研究有助于捕捉內(nèi)部流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，研究變工況、多參數(shù)的影響，同時(shí)數(shù)值模擬研究不受地理環(huán)境的影響，已經(jīng)成為一種重要的建模研究手段，其關(guān)鍵問題在于建立與實(shí)際工況相近的計(jì)算模型。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備研究現(xiàn)狀

干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中冷卻塔結(jié)構(gòu)、翅片管組合方式等對(duì)冷卻塔性能的提高具有重要意義。李楠[36]對(duì)干濕聯(lián)合冷卻塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析展開研究。通過實(shí)例分析了冷卻塔在兩種工況下的結(jié)構(gòu)參數(shù)（換熱器的長(zhǎng)度、盤管布置方式、基管管材等）和運(yùn)行參數(shù)對(duì)冷卻性能的影響規(guī)律，為生產(chǎn)廠家和用戶設(shè)備選型和參數(shù)選擇提供了有價(jià)值的參考。王曉霞[37]對(duì)聯(lián)合冷卻塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)該冷卻塔的運(yùn)行參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析，得到了不同組合形式的冷卻器。

許多國(guó)外學(xué)者針對(duì)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中的蒸發(fā)式冷卻器進(jìn)行了研究。蒸發(fā)冷卻器內(nèi)的熱質(zhì)交換過程是各種影響因素的綜合，主要有換熱器的結(jié)構(gòu)、噴淋水流量、空氣流量、管內(nèi)水流量、空氣濕球溫度、管內(nèi)水入口溫度等。

Heyns[22]設(shè)計(jì)了干/濕冷凝器。該設(shè)計(jì)采用光管束，與翅片管相比，光管束更容易清潔，并且不易受到生物污染和腐蝕。Heyns通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試建立了適用于特定管束結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)、傳熱和空氣側(cè)壓降系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，忽略了光管束中的蒸汽側(cè)壓降，并將其應(yīng)用于分析性能模型中，結(jié)果表明傳質(zhì)系數(shù)和空氣側(cè)壓降系數(shù)是空氣和雨淋水質(zhì)量速度的函數(shù)，而傳熱系數(shù)是雨淋水質(zhì)量速度以及雨淋水溫度的函數(shù)。然而Heyns所提出的關(guān)聯(lián)式僅適用于其研究中使用的幾何布局和管束尺寸相似的光管束。隨后Owen[38]、Anderson[21]等對(duì)Heyns的研究進(jìn)行了修正。Anderson 專注于Owen 推薦的光管束結(jié)構(gòu)及排列方式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，確定雨淋水和空氣之間的質(zhì)量和傳熱關(guān)聯(lián)以及空氣側(cè)壓力損失關(guān)聯(lián)。雖然Anderson改善了光管束蒸汽回流，但對(duì)光管束尚需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來驗(yàn)證其性能。同時(shí)對(duì)于濕工況下的光管束，操作空氣側(cè)壓降關(guān)聯(lián)僅適用于所研究的管束尺寸和幾何布局。Graaff[39]將Heyns所發(fā)展的原理應(yīng)用于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，結(jié)合Anderson 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型和兩種光管束性能預(yù)測(cè)模型，提出了一種參數(shù)化研究方法，將干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性能與現(xiàn)有的干式冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

綜上所述，雖然研究者們探究得到了適用于光管相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，為同規(guī)格、同布局的光管束提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，但是這些關(guān)聯(lián)式只適用于一定結(jié)構(gòu)下管束尺寸和幾何布局，具有一定的局限性。而目前有關(guān)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)內(nèi)部件的相關(guān)研究較少，很多學(xué)者更側(cè)重于系統(tǒng)優(yōu)化的研究。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化研究現(xiàn)狀

為了研究更加節(jié)水的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和公司對(duì)不同干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的類型、影響干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)節(jié)水的參數(shù)，如蒸發(fā)水量、循環(huán)水量、干濕比例等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究[40?41]。

ENEXIO 公司對(duì)現(xiàn)有干冷系統(tǒng)、濕冷系統(tǒng)、獨(dú)立回路海勒式干/濕聯(lián)合系統(tǒng)、單回路串聯(lián)干/濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)以及干濕并聯(lián)冷卻系統(tǒng)（parallel condensing system,PAC）等選擇及節(jié)水趨勢(shì)進(jìn)行了分析。相對(duì)于全濕式冷卻的年補(bǔ)給水量和最大日補(bǔ)給水量，對(duì)不同類型的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了分類，如圖4所示?；趯?duì)PAC專利系統(tǒng)和獨(dú)立回路海勒式干/濕聯(lián)合系統(tǒng)大量的優(yōu)化和案例研究，建議在年補(bǔ)給水量為1%～40%和最大日補(bǔ)給水量為10%～50%的更大范圍內(nèi)考慮更加節(jié)水的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)。該公司的研究數(shù)據(jù)能清晰簡(jiǎn)明地指出不同冷卻系統(tǒng)的適用場(chǎng)景，為系統(tǒng)的選擇和節(jié)水的趨勢(shì)提供了參考價(jià)值[42]。

我國(guó)的水資源相對(duì)緊張，在一些區(qū)域存在缺水現(xiàn)象，因此研究最優(yōu)循環(huán)水量，減少蒸發(fā)水量對(duì)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的節(jié)水經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行是具有指導(dǎo)作用的，然而國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究較少。為了使系統(tǒng)節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，在干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用了多目標(biāo)優(yōu)化、人工智能、夾點(diǎn)技術(shù)等方法。依托人工智能的大數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析，極大地提高了研究效率。

圖4 不同冷卻系統(tǒng)年補(bǔ)給水量和最大日補(bǔ)給水量的比較和選擇

針對(duì)最佳循環(huán)水量，有學(xué)者提出了一些優(yōu)化方法和最佳的控制策略。王雪蓮[43]以600MW 機(jī)組的運(yùn)行情況，提出了以最優(yōu)循環(huán)水量作為調(diào)控冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的調(diào)控變量，同時(shí)保證了機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益最大化。王濤濤等[44]針對(duì)某電廠2 號(hào)機(jī)組的運(yùn)行問題，采用最佳循環(huán)水量的優(yōu)化方法，該方法適用于負(fù)荷和冷卻水溫變化情況下最佳循環(huán)水量的計(jì)算，達(dá)到節(jié)能的目的。Golkar 等[17]針對(duì)伊朗電廠，采用遺傳算法對(duì)空冷器循環(huán)水量、出塔溫度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得蒸發(fā)損失量最少，投資成本最低，實(shí)現(xiàn)一年耗水量降低63%。在降低年耗水量、投資成本和效益的基礎(chǔ)上，確定設(shè)計(jì)空冷器的最佳環(huán)境溫度。丁力等[45]采用一種新的冷卻塔水循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化方法，將冷卻系統(tǒng)中循環(huán)水與流股數(shù)同時(shí)最小化的多目標(biāo)優(yōu)化問題分解成多步的單目標(biāo)優(yōu)化問題，分別以最小循環(huán)水量和流股數(shù)為目標(biāo)，在模型中引入了松弛常數(shù)，以增加循環(huán)水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的柔性。Panjeshahi 等[46]通過改進(jìn)循環(huán)水系統(tǒng)中夾點(diǎn)技術(shù)的概念和應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃為循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了具有串聯(lián)布置的循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有節(jié)水、節(jié)能、低成本和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。Barigozzi 等[47]針對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠，研究了干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的干濕比例組合對(duì)凈功率最大限度的提高。采用最優(yōu)搜索方法來尋找濕式和干式冷卻系統(tǒng)調(diào)節(jié)的變量集，優(yōu)化過程中考慮到運(yùn)營(yíng)成本和用水量的最佳優(yōu)化策略，從而達(dá)到最大凈功率。同樣的Barigozzi 等[48]針對(duì)意大利北部Brescia垃圾聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，根據(jù)冷凝系統(tǒng)控制策略，在不同的操作條件下優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最大凈電功率，具有一定的通用性。然而這些研究往往針對(duì)單因素的影響進(jìn)行分析，忽略了冷卻塔投資成本以及效益最大化，缺少對(duì)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析，同時(shí)優(yōu)化后的性能缺少工程實(shí)踐的驗(yàn)證。

基于大數(shù)據(jù)方法、遺傳算法和多目標(biāo)優(yōu)化等優(yōu)化手段可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)，并提出關(guān)鍵變量的優(yōu)化操作窗口，開展工程實(shí)施驗(yàn)證。崔傳濤[49]針對(duì)火電廠300MW 機(jī)組干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了冷卻系統(tǒng)初始溫差和冷卻塔塔型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討了優(yōu)化過程和計(jì)算方法。該文章考慮到了環(huán)境溫度、發(fā)電成本和冷卻三角價(jià)格變化時(shí)年均攤費(fèi)用與冷卻系統(tǒng)溫差的關(guān)系，對(duì)不同經(jīng)濟(jì)、氣象條件下冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有積極指導(dǎo)作用，并對(duì)推動(dòng)我國(guó)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。郭佳偉[23]對(duì)空冷系統(tǒng)和濕冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算方法和計(jì)算流程進(jìn)行了優(yōu)化，通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行工況的計(jì)算和凈功率的比較，得到了投資變化時(shí)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。張炳文等[50]以年總費(fèi)用最小法為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化初始溫差（ITD）值，對(duì)傳統(tǒng)干、濕聯(lián)合冷卻塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)際工廠結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的干、濕聯(lián)合冷卻塔可使電廠冷卻系統(tǒng)節(jié)水量53%。Braun[51]提出了干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的最佳控制策略，該電廠的運(yùn)營(yíng)成本最小化考慮到了電力和天然氣能源成本、電氣需求成本以及不同冷水機(jī)組相關(guān)維護(hù)成本差異的影響。在最佳控制策略下，干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)提供近乎最優(yōu)的性能。Singh 等[52]提出了一種同時(shí)優(yōu)化各種性能參數(shù)的優(yōu)化手段，以保證在給定條件下冷卻塔的能耗最小，得到了塔特性比、效率和蒸發(fā)率等性能參數(shù)與空氣和水流量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，進(jìn)而選擇這些參數(shù)作為離散目標(biāo)函數(shù)，建立了多目標(biāo)優(yōu)化問題。Singh 采用NSGA?Ⅱ（非支配排序遺傳算法）遺傳算法對(duì)所有目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了無約束優(yōu)化，計(jì)算出最優(yōu)的解集，保證蒸發(fā)速率的最小化，確保了冷卻塔最小的運(yùn)行成本。其優(yōu)化方法考慮到了多因素的影響，對(duì)干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了指導(dǎo)。

現(xiàn)如今計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能不斷發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)方法、多目標(biāo)優(yōu)化等優(yōu)化手段可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，是今后研究的重要趨勢(shì)。一些遺傳算法，如NSGA?Ⅱ算法對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化問題具有通用性、有效性、可用性和實(shí)用性。在計(jì)算最優(yōu)解集多目標(biāo)優(yōu)化問題上，遺傳算法計(jì)算速度更快、更精確、優(yōu)勢(shì)更明顯。通過人工智能可以預(yù)測(cè)分析大量的實(shí)際工廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵變量?jī)?yōu)化提供了很大的便利。

3 新技術(shù)在干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，電廠、石油化工、煤化工等行業(yè)的濕冷技術(shù)和空冷技術(shù)日益完善，然而干濕聯(lián)合冷卻技術(shù)應(yīng)用仍然較少。干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)是結(jié)合了濕冷和空冷技術(shù)形成的組合冷卻塔，因而一些應(yīng)用在濕式冷卻塔或空冷冷卻塔的新型技術(shù)可以為提高干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的性能、建設(shè)方案、系統(tǒng)運(yùn)行等提供思路。

3.1 冷卻塔節(jié)水措施

在濕式冷卻塔中，循環(huán)冷卻水在塔內(nèi)與空氣進(jìn)行傳熱傳質(zhì)冷卻過程主要產(chǎn)生風(fēng)吹損失、蒸發(fā)損失和排污損失，占到全廠損失水量的65%～75%。尤其是蒸發(fā)損失，占到全廠耗水量的30%～55%[53]，因此減少冷卻塔蒸發(fā)損失在整個(gè)工業(yè)過程節(jié)水中有著舉足輕重的作用。干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)采用濕冷和空冷聯(lián)合冷卻的系統(tǒng)，其中濕式部分大量循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)損失，制約了干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的整體性能。一些濕式冷卻塔的蒸發(fā)損失節(jié)水技術(shù)可以應(yīng)用到新型干濕聯(lián)合冷卻塔上。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)減少蒸發(fā)損失的節(jié)水措施主要有3個(gè)方向：①降溫凝結(jié)技術(shù)；②降低冷卻負(fù)荷，如循環(huán)水余熱利用技術(shù)；③其他技術(shù)用于節(jié)水節(jié)能，如蒸發(fā)式冷凝器用于冷卻塔和蒸發(fā)預(yù)冷等技術(shù)。例如國(guó)內(nèi)的時(shí)國(guó)華等[54]介紹了目前出塔水霧冷凝裝置和冷凝劑的研究現(xiàn)狀，闡述了降低冷卻塔負(fù)荷、蒸發(fā)預(yù)冷、優(yōu)化運(yùn)行等節(jié)水措施。

降溫凝結(jié)技術(shù)是指在冷卻塔內(nèi)外架設(shè)各種裝置對(duì)冷卻塔收水器上的飽和濕空氣降溫，使得一部分水蒸氣凝結(jié)，回收部分凝結(jié)水可以實(shí)現(xiàn)節(jié)水。此種方法在節(jié)水的同時(shí)，還可以改善濕熱空氣腐蝕空冷散熱器等缺點(diǎn)。常見的冷凝裝置有：氣?氣換熱器、熱管、多孔介質(zhì)等。李芳等[55]介紹了冷卻塔內(nèi)飽和濕空氣形成和凝結(jié)過程，利用熱管技術(shù)（高效傳熱元件熱管，添加凝結(jié)核，設(shè)置回收裝置）降低冷卻塔除水器上方的飽和濕空氣的溫度，實(shí)現(xiàn)降溫減濕的過程，進(jìn)而回收飽和濕空氣中的水蒸氣。通過分析計(jì)算，將飽和濕空氣降低2℃，可回收填料部分11%的蒸發(fā)損失水量。Hubbard 等[56]提出在濕冷塔內(nèi)收水器上方布置氣?氣換熱器，用外界相對(duì)干冷的空氣對(duì)濕冷塔排出濕熱空氣進(jìn)行降溫冷凝；Mantelli 等[57]采用熱虹吸管技術(shù)，利用蒸發(fā)潛熱和濕空氣的冷凝傳遞熱能，可以降低濕熱空氣的熱量使其冷凝，該實(shí)驗(yàn)表明利用該技術(shù)可以回收10%的循環(huán)水損失。此技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于僅依靠熱虹吸管自身重力工作，具有工作穩(wěn)定、溫度范圍廣和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，被越來越多的學(xué)者作為理想的熱管選型進(jìn)行研究。Blanck等[24]采用一種特殊的橫流冷卻多孔填料介質(zhì)，放置在空冷部分和濕冷部分之間，用來冷凝濕冷排出的濕熱空氣。董京甫[58]發(fā)明一種冷卻塔水蒸發(fā)損失減少的方法和實(shí)施該方法的裝置。在冷卻塔內(nèi)用水作冷凝劑，直接冷凝水蒸氣而形成水。通過安裝在冷卻塔內(nèi)的自動(dòng)冷凝裝置能產(chǎn)生空心形狀的噴射器均勻地把冷凝劑噴淋成霧狀的細(xì)小水滴與水蒸氣接觸，使其遇冷凝結(jié)成水。然而該分析只停留在理論研究過程中，沒有量化計(jì)算飽和濕空氣降低多少溫度可實(shí)現(xiàn)多少節(jié)水量。今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)降溫凝結(jié)節(jié)水技術(shù)的理論和應(yīng)用研究。同時(shí)由于冷卻塔內(nèi)節(jié)水設(shè)備的增加，某種程度上增大了泵與風(fēng)機(jī)等設(shè)備的功耗，因此需要權(quán)衡節(jié)水收益和經(jīng)濟(jì)損失。

循環(huán)水余熱利用技術(shù)是指回收凝汽器循環(huán)水帶走的熱量?；厥者@部分熱量不僅可以節(jié)能，而且可以降低冷卻塔冷卻負(fù)荷，減少蒸發(fā)損失。但是該技術(shù)針對(duì)的是大量的低品位熱能，需要依托低品位能源利用技術(shù)，如熱泵技術(shù)才能有效利用，這往往會(huì)帶來一定的投資成本。另外還有一些其他節(jié)水技術(shù)，如通過蒸發(fā)預(yù)冷的方式降低空冷塔進(jìn)口的空氣溫度，即利用少量的水在散熱器之前的空氣中蒸發(fā)來實(shí)現(xiàn)降溫效果，增強(qiáng)散熱器換熱能力。使用少量的水就可以解決空冷塔夏季散熱問題，也是節(jié)水措施中較為有效的一種方法。但是該技術(shù)僅適用于干旱炎熱地區(qū)，在濕度較大的地區(qū)效果欠佳。

3.2 露點(diǎn)冷卻技術(shù)

Huang 等[59]研究表明在較高的環(huán)境溫度下會(huì)導(dǎo)致自然通風(fēng)干式冷卻性能下降，甚至凈功率輸出降低20%。為了保證在高的環(huán)境溫度下恢復(fù)干式冷卻系統(tǒng)的冷卻能力，廣泛采用了蒸發(fā)輔助冷卻技術(shù)、露點(diǎn)冷卻技術(shù)。蒸發(fā)輔助冷卻技術(shù)主要分為噴霧冷卻和濕介質(zhì)冷卻兩類，可以降低冷卻塔進(jìn)口空氣的溫度，改善干濕冷卻系統(tǒng)干式部分的冷卻性能。露點(diǎn)冷卻技術(shù)是一種能將冷凝器的入口空氣降到對(duì)應(yīng)露點(diǎn)狀態(tài)的水蒸發(fā)冷卻技術(shù)，利用不斷降低的濕球溫度來冷卻室外干空氣，使出風(fēng)接近甚至達(dá)到室外空氣的露點(diǎn)狀態(tài)，具有較好的應(yīng)用前景。張強(qiáng)等[60]詳細(xì)介紹了露點(diǎn)冷卻技術(shù)相關(guān)的最新研究進(jìn)展，提出直流式、叉流式和逆流式露點(diǎn)蒸發(fā)冷卻器。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于研究露點(diǎn)冷卻技術(shù)，涉及理論分析、數(shù)值模擬、專利等，露點(diǎn)冷卻技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)完全可以應(yīng)用于干濕冷卻系統(tǒng)的干式部分，然而該技術(shù)還需要更多的投入與大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

3.3 消霧技術(shù)

目前工業(yè)冷卻塔循環(huán)水的蒸發(fā)損失嚴(yán)重，且水蒸氣所形成的白霧成為霧霾的主要載體，污染周圍環(huán)境，影響企業(yè)形象。因此消減冷卻塔出口處白霧也是大勢(shì)所趨。對(duì)合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)內(nèi)部布局進(jìn)行調(diào)整或優(yōu)化，可以有效減少白霧。Lindahl等[61]提出的干濕聯(lián)合冷卻結(jié)構(gòu)中，空冷部分在塔的一側(cè)，濕冷部分位于塔的另一側(cè)，雖然避免了濕熱空氣對(duì)翅片管空冷散熱器的腐蝕，但由于干濕空氣無法均勻混合，消霧效果較差。Li等[62]介紹了一種逆流式干濕聯(lián)合冷卻塔，在其濕冷部分的收水器上方布置了兩個(gè)有傾角的擋板，濕冷部分的濕空氣與干空氣在風(fēng)扇罩頂部產(chǎn)生均勻的混合氣流，有效達(dá)到消霧的目的，同時(shí)減少了濕熱空氣與空冷散熱器直接接觸，克服了翅片管受濕熱空氣腐蝕的缺點(diǎn)。馬立衛(wèi)等[63]針對(duì)神華新疆化工有限公司的某干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，對(duì)循環(huán)水冷卻塔進(jìn)行節(jié)水消霧改造。改造后的冷卻塔技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)行良好，冬季羽霧明顯降低，達(dá)到了節(jié)水消霧的預(yù)期效果，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。山東藍(lán)想環(huán)境科技股份有限公司研發(fā)的消霧節(jié)水冷卻塔技術(shù)，改良了傳統(tǒng)濕式冷卻塔，不僅能實(shí)現(xiàn)回收利用20%左右的蒸發(fā)水量，消除90%以上的冷卻塔可見羽霧，同時(shí)對(duì)冷卻塔出口的空氣濕度和露點(diǎn)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，消除冷卻塔可見羽霧，實(shí)現(xiàn)水霧污染控制，具有顯著的環(huán)保意義。該消霧節(jié)水型冷卻塔與傳統(tǒng)濕式冷卻塔相比，主要區(qū)別是在傳統(tǒng)濕式冷卻塔收水器上部增加了深度凝水除霧模塊。在我國(guó)北方，尤其是一些缺水的地區(qū)，起著非常重要的節(jié)水作用。該項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的濕式部分，回收濕式部分運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的蒸發(fā)水量。與傳統(tǒng)濕式冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)的工藝流程相同，只是該系統(tǒng)中的冷卻設(shè)備采用了消霧節(jié)水型冷卻塔。

3.4 其他技術(shù)

干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的干式冷卻塔和濕式冷卻塔廣泛應(yīng)用在煤化工、石油化工、電廠等領(lǐng)域，因此針對(duì)不同類型的工廠需求，一些針對(duì)性的冷卻塔類型應(yīng)用于特定的行業(yè)，如降噪技術(shù)型冷卻塔、節(jié)能技術(shù)型冷卻塔、核電用冷卻塔和海水冷卻塔等。某些電廠靠近居民生活區(qū)域，噪聲污染嚴(yán)重影響了附近居民的生活，同時(shí)由于政策、規(guī)劃短時(shí)間內(nèi)無法搬遷，因此針對(duì)這些地區(qū)，降噪技術(shù)的應(yīng)用可以有效地降低噪聲。降噪技術(shù)型冷卻塔是通過增加進(jìn)風(fēng)口消聲器、排風(fēng)口消聲器、風(fēng)機(jī)電機(jī)減振裝置、消聲填料等靜音裝置，與常規(guī)冷卻塔相比，冷卻塔設(shè)備外1m處噪聲降低10～30dB。有些還通過減少循環(huán)水泵的靜揚(yáng)程并降低冷卻塔淋水噪聲，相比常規(guī)冷卻塔，大幅降低運(yùn)行電耗及噪聲治理費(fèi)用。隨著煤化工、電力等行業(yè)的智能化大力發(fā)展，動(dòng)態(tài)優(yōu)化操作、裝備數(shù)字化、管理流程化的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的精細(xì)化，節(jié)能降耗顯著提高、安全環(huán)?？煽?。節(jié)能技術(shù)型冷卻塔是通過自動(dòng)化控制和調(diào)節(jié)，根據(jù)不同季節(jié)和環(huán)境溫度，對(duì)冷卻塔塔群風(fēng)機(jī)電機(jī)進(jìn)行有效地控制，達(dá)到智能控制和節(jié)能的目的。通過精細(xì)化、智能化設(shè)計(jì)使冷卻塔上塔壓頭和風(fēng)機(jī)電機(jī)能耗做到更低，在高回水壓力循環(huán)水系統(tǒng)中，利用水動(dòng)風(fēng)機(jī)技術(shù)和高回水壓頭技術(shù)，節(jié)約風(fēng)機(jī)電機(jī)用電。其次發(fā)展內(nèi)陸核電是我國(guó)今后核電發(fā)展的一個(gè)方向。內(nèi)陸核電必然采用冷卻塔。核電的水量比火電大一倍，所以冷卻塔淋水面積較大。核電冷卻塔的市場(chǎng)將在今后的5～10年迅速增長(zhǎng)，大力發(fā)展核電用冷卻塔技術(shù)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

作為水資源嚴(yán)重貧乏的國(guó)家，高效、環(huán)保的節(jié)水措施成為電廠、煤化工、石油化工等行業(yè)關(guān)注的重要課題。干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)是實(shí)施節(jié)水、能耗降低、低碳環(huán)保的重要舉措。綜上所述，目前干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)在理論分析、設(shè)備研究、優(yōu)化運(yùn)行、節(jié)水消霧等方面的研究有所突破和進(jìn)展，今后的研究可以主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）不拘泥于現(xiàn)有干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，積極開展石油化工、煤化工、鋼鐵冶煉、電力等行業(yè)的新型開閉式聯(lián)合運(yùn)行冷卻系統(tǒng)的研發(fā)工作。開發(fā)各種高效聯(lián)合運(yùn)行的解決方案，在保證冷卻換熱效果的前提下，針對(duì)不同系統(tǒng)作出預(yù)測(cè)及分析，并能夠進(jìn)行能耗最低及用水量最低等選擇。

（2）針對(duì)不同氣象條件、不同生產(chǎn)工藝類型和不同類型工廠不同的換熱需求，建立通用性指導(dǎo)原則，提高干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

（3）隨著計(jì)算機(jī)和CFD 技術(shù)發(fā)展，使用數(shù)值模擬方法建立聯(lián)合冷卻塔計(jì)算模型，不斷提高數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，捕捉冷卻塔內(nèi)部流場(chǎng)細(xì)節(jié)，為優(yōu)化冷卻塔性能提供參考。

（4）目前除了干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)理論研究、優(yōu)化外，要盡可能增加工程實(shí)踐驗(yàn)證，確定新模型走向工廠化的可行性，從而實(shí)現(xiàn)新型聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

（5）基于大數(shù)據(jù)的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的研究。一些受氣象條件、復(fù)雜換熱網(wǎng)絡(luò)和工藝參數(shù)等因素限制，節(jié)水節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化難以通過經(jīng)驗(yàn)或者模型解析來實(shí)現(xiàn)。因此基于大數(shù)據(jù)方法，對(duì)煤化工、石油化工和電力等行業(yè)所積累的大量設(shè)備運(yùn)行和檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過優(yōu)化關(guān)聯(lián)化分析找到影響冷卻塔運(yùn)行能耗、水耗等因素的關(guān)鍵控制變量，建立識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的分類方法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)，并提出關(guān)鍵變量的優(yōu)化操作窗口，開展工程實(shí)施驗(yàn)證，從而提升循環(huán)水運(yùn)行控制的智能水平，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的。