王永全 蔡藍(lán)燕 葉校圳
(廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司 福建廈門 361000)
冷卻水溫度是影響制冷機(jī)組效率的關(guān)鍵因素, 是實現(xiàn)整個制冷系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵[1]。 我公司原有的冷卻塔為2002年建成的臥式橫流式冷卻塔。 在長期的使用中存在如下問題。
冷卻塔存在進(jìn)出水冷卻溫差僅有3.5 ℃左右,導(dǎo)致夏季制冷機(jī)的冷凝溫度高,冷凝壓力大,制冷機(jī)容易喘震。
冷卻塔承重鋼架為熱鍍鋅鋼材, 由于在冷卻循環(huán)水中投加了水處理藥劑,加速了熱鍍鋅鋼架被腐蝕的情況,影響了冷卻塔的結(jié)構(gòu)安全。
冷卻塔的填料,由于長時間的使用,被粉塵淤泥臟堵,影響了冷卻水流和空氣的充分換熱。 使用較久后的冷卻塔填料,性能變脆,取出清洗時,容易破碎,只能更換。
由于工具如螺絲刀的掉落,存在砸碎下水盤的情況,已修補(bǔ)多個破損的地方。 冷卻塔填料上方的走道,由于踩踏,也存在多處破損。
我公司對冷卻塔存在的問題進(jìn)行分析, 并通過改造解決冷卻塔使用中存在的問題。
系統(tǒng)布置有5 臺2 638 kW 制冷量的的離心式制冷機(jī)。 結(jié)合原有冷卻塔的冷卻狀況和安裝位置進(jìn)行選型。 經(jīng)過測算,選用5 臺冷卻循環(huán)水流量為700 m3/h 的冷卻塔。主要參數(shù)如表1所示。
2.1.1 采用不銹鋼冷卻塔
由于玻璃鋼冷卻塔較脆,容易受硬物的撞擊破損,因此采用不銹鋼上水盤、下水盤及邊框的冷卻塔。 為了防止與冷卻循環(huán)水接觸部位的冷卻塔鋼架腐蝕,采用不銹鋼框架。 由于現(xiàn)有的冷卻塔需滿足工廠的日常生產(chǎn)使用,采用不銹鋼冷卻塔,可以在冷卻塔工廠或項目周邊進(jìn)行拼裝、吊裝就位和接管,項目對工廠生產(chǎn)的影響時間短。 可分7 個模塊現(xiàn)場拼裝,縮短安裝時間,拼裝方便快捷。 獨立整塔設(shè)計,快速吊裝就位,冷卻塔可以快速投入調(diào)試、使用。
表1 主要技術(shù)參數(shù)
2.1.2 采用大風(fēng)量、低風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)
由于冷卻塔的主要功能是通過冷卻循環(huán)水與空氣的熱濕交換,使得少部分的冷卻循環(huán)水由液相變?yōu)闅庀?,需要大量的氣化潛熱?吸收了冷卻循環(huán)水的熱量,使得冷卻循環(huán)水的溫度降低。 為了保證冷卻效果,需要采用足夠的風(fēng)量[2]來與冷卻循環(huán)水換熱。
而冷卻塔的損失,包括漂水損失。 風(fēng)壓大,會加大冷卻塔的漂水損失。因此需要采用大風(fēng)量小風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)。在個別情況下,可以采用多個小功率風(fēng)機(jī)的形式,代替1 個大功率風(fēng)機(jī),以減少冷卻塔的水耗。
2.1.3 選用高性能填料
填料選用加厚改性聚氯乙烯(PVC)膠片,平片厚度0.33 mm,經(jīng)真空吸塑成型,保證散熱片之質(zhì)量;可承受50 ℃之高溫,防腐蝕且不變形;入風(fēng)口處呈蜂窩狀,具有導(dǎo)風(fēng)和阻擋漂浮雜物的功能;出風(fēng)口處亦成蜂窩狀,具有擾流、收水的功能;可防止水滴隨氣流飄出塔外,使漂水降至最低。 填料的散熱段采用獨特的坑紋設(shè)計,具有大的散熱面積和小的風(fēng)阻。
2.1.4 設(shè)計冷卻塔加藥裝置
對于玻璃鋼式冷卻塔,目前的殺菌劑經(jīng)常采用濾餅。 氯餅的外形為直徑為100 mm,高為40 mm,重量0.2 kg 的圓柱體。放置冷卻塔下水盤中,逐步溶解,實現(xiàn)一段時間內(nèi),例如5 d~10 d 的持續(xù)殺菌。 氯餅是主要的殺菌劑,藥片溶解時,藥片周圍的氯離子濃度高,當(dāng)水體流動緩慢時,對金屬的腐蝕性大。因此對于不銹鋼冷卻塔,設(shè)計1 種加藥裝置,使得氯餅在此裝置中能夠充分溶解。 溶解后的殺菌劑投加到冷卻循環(huán)水中迅速混合,避免冷卻循環(huán)水中局部氯離子濃度偏高,腐蝕冷卻塔中的不銹鋼材質(zhì)。
制冷系統(tǒng)能源消耗大, 冷卻塔的節(jié)能及控制對制冷系統(tǒng)的能源消耗具有重大影響。 因此很有必要對制冷系統(tǒng)運行的節(jié)能性進(jìn)行設(shè)計,并利用自控系統(tǒng)加以實現(xiàn)。
2.2.1 系統(tǒng)節(jié)能的觀點
把冷卻塔系統(tǒng)作為制冷系統(tǒng)的子系統(tǒng), 可以根據(jù)冷卻塔的進(jìn)出水溫度判斷制冷系統(tǒng)的負(fù)荷,并根據(jù)環(huán)境濕球溫度,為制冷系統(tǒng)提供最合適的冷卻水流量和溫度; 把冷卻塔作為一個整體,冷卻塔與冷卻水泵不是一一對應(yīng)關(guān)系。 在冷卻水泵未全部投入運行時,1 臺冷卻水泵的冷卻水可以分布在2 臺或3臺冷卻塔中, 同樣水量的冷卻水可以在更大面積的填料中散熱,冷卻水得到更充分散熱,冷卻塔出水逼近溫差可以達(dá)到最小。
把冷卻塔出水逼近溫差目標(biāo)值、 冷卻塔出水最低目標(biāo)溫度、冷卻塔出水最高目標(biāo)溫度作為控制依據(jù)。 控制系統(tǒng)隨制冷系統(tǒng)的負(fù)荷、 環(huán)境濕球溫度的變化, 可以調(diào)整冷卻塔布水臺數(shù)、冷卻水泵頻率、冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率,在滿足制冷系統(tǒng)所需最優(yōu)冷卻水的條件下,實現(xiàn)冷卻塔子系統(tǒng)最小能耗(見圖1)。
圖1 實施例冷卻塔安裝示意圖
2.2.2 變頻節(jié)能
由于風(fēng)機(jī)的電功率與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是三次方的關(guān)系。 風(fēng)機(jī)的電功率與風(fēng)機(jī)風(fēng)量為一次方關(guān)系。 降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,能夠快速降低風(fēng)機(jī)的電功率。 所以在部分負(fù)荷時期,采用變頻器對冷卻塔風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻,具有顯著的節(jié)能效果。
由于冷卻塔一般按照夏季工況選型且多為成組設(shè)置,冬季具備切換為1 臺冷卻泵對應(yīng)2 臺甚至多臺冷卻塔的能力[3]。在冬季,室外的溫度、濕度都較低,僅開啟冷卻循環(huán)水泵進(jìn)行冷卻水循環(huán),不開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)。 通過冷卻循環(huán)水沿填料下流過程中,冷卻循環(huán)水與空氣熱交換,就能滿足冷卻循環(huán)水的冷卻要求。 為了擴(kuò)大此效果并利用上文所提的變頻風(fēng)機(jī),項目采用并聯(lián)送水管路加電動調(diào)節(jié)閥的方式, 將冷卻水盡量分布到所有的冷卻塔中,并按需求開啟一定頻率的冷卻塔風(fēng)機(jī),使得所有的冷卻塔一起分?jǐn)偫鋮s水的散熱功能。 不開啟或者變頻開啟冷卻塔風(fēng)機(jī),從而降低冷卻塔的風(fēng)機(jī)電耗。
冷卻塔自控系統(tǒng)考慮全年多工況節(jié)能控制運行策略。 冷卻塔自控系統(tǒng)能夠根據(jù)冷卻塔進(jìn)出水溫度、環(huán)境干濕球溫度,以及設(shè)定出水溫度要求,自動控制冷卻塔布水?dāng)?shù)量、電動調(diào)節(jié)閥開度、電機(jī)運轉(zhuǎn)數(shù)量及電機(jī)運轉(zhuǎn)頻率,以達(dá)到節(jié)能的目的。
同時具備所有冷卻塔的遠(yuǎn)程手動/就地手動冷卻塔布水?dāng)?shù)量、
電機(jī)運轉(zhuǎn)數(shù)量及電機(jī)運轉(zhuǎn)頻率。
2.2.3 自控系統(tǒng)的實現(xiàn)
系統(tǒng)在設(shè)計過程中,1 臺塔開啟即可滿足1 臺冷水機(jī)組的冷卻需求,此冷卻塔冷1 臺塔對應(yīng)1 臺風(fēng)機(jī),冷卻塔在需要開啟時,風(fēng)機(jī)開啟。 在夏季,天氣比較炎熱,冷水機(jī)冷卻側(cè)冷卻充分對機(jī)組正常運行及節(jié)約能耗方面都很有意義。 在過渡季節(jié),冷卻塔可以稍微晚一點開,等到冷水機(jī)開啟后,冷卻水出水溫度上升到一定溫度值(此溫度值可在上位機(jī)界面上修改優(yōu)化,程序自動判斷)才允許冷卻塔開啟。
另外,冷卻塔風(fēng)機(jī)增加變頻控制,當(dāng)冷卻水溫接近濕球溫度時,水溫將不能再降低,此時可變頻降低冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,甚至可以減開1 臺冷卻塔; 當(dāng)冷卻回水溫度大于濕球溫度較高時,會導(dǎo)致主機(jī)效率增加,此時可增加冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速甚至新增開1 臺冷卻塔。
當(dāng)自動狀態(tài)時,識別溫度信號啟動或關(guān)閉相應(yīng)的電動機(jī)。當(dāng)進(jìn)出水溫差在小于5 ℃時,1#~5# 冷卻塔變頻器工作,1#~5#冷卻塔電機(jī)運行頻率降低5 Hz。 當(dāng)前冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率到達(dá)30Hz 后,關(guān)閉1# 冷卻塔風(fēng)機(jī)及閥門,如此類推直到冷卻塔全部關(guān)閉。
當(dāng)進(jìn)出水溫差在大于5 ℃,并冷卻塔未全部開啟時,開啟冷卻塔,風(fēng)機(jī)運行頻率30 Hz,并開啟冷卻塔閥門。 當(dāng)進(jìn)出水溫差在大于5 ℃, 并冷卻塔全部開啟時,1#~5# 冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率提升5 Hz,重復(fù)檢測直到冷卻塔風(fēng)機(jī)頻率為50 Hz。
項目采用模塊式不銹鋼式冷卻塔,改造速度快,對生產(chǎn)的影響縮短到最小。改造后塔體牢固美觀。風(fēng)量、水量匹配良好,進(jìn)出水冷卻溫差超過5 ℃,滿足制冷機(jī)的冷卻需求。 系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 經(jīng)測算,較原系統(tǒng)節(jié)能5%以上,節(jié)能效果顯著。
經(jīng)過本項目的分析和改造,對于改造項目,采用模塊式的不銹鋼冷卻塔,有助于降低改造工期。 適當(dāng)加大風(fēng)量,有助于冷卻塔充分換熱,提高冷卻效率。 采用變頻及自控技術(shù),可以有效降低冷卻塔能耗。