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        冷卻塔節(jié)能方案優(yōu)化研究

        2023-02-21 04:00:04劉建中
        設備管理與維修 2023年1期
        關鍵詞:溴化鋰冷卻塔冷卻水

        劉建中,趙 宇

        (中國船舶集團有限公司第七一一研究所,上海 201108)

        0 引言

        隨著生活水平的提高,制冷系統(tǒng)應用越來越普遍,技術日趨成熟,制冷效率逐步提高,但冷卻塔的節(jié)能問題經(jīng)常被忽略。結合江蘇鳳凰數(shù)據(jù)中心冷電聯(lián)供分布式能源項目冷卻塔群控系統(tǒng)的優(yōu)化實踐,從運行方式改變、控制策略優(yōu)化等方面闡述冷卻塔高效應用的節(jié)能措施。

        1 冷卻塔工作原理

        一般情況下,冷卻塔通過兩種方式進行換熱,即熱傳導和蒸發(fā)散熱。本文針對橫流式冷卻塔進行研究,此類型冷卻塔以蒸發(fā)散熱為主,傳導散熱為輔。由于熱傳導換熱速度與換熱面積及溫差成正比,所以當溫差固定時,提高傳導換熱量需要增加換熱面積;蒸發(fā)散熱速度與水表面的水汽擴散速度成正比,而擴散速度與水的表面積、空氣濕度、空氣流量成正比,由于空氣濕度是不可控因素,所以提高蒸發(fā)換熱量需要增加換熱面積和提高通風量。

        冷卻塔運行時,除蒸發(fā)散熱帶走部分冷卻水外,還有部分小水滴隨空氣流動進入大氣,即水的飄散損失,風量越大、風速越高,飄散損失的水量越大。

        2 實例介紹

        2.1 設計簡述

        江蘇鳳凰數(shù)據(jù)中心天然氣分布式能源項目的冷電聯(lián)供系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)(以下簡稱“本案例”),由3 臺2 MW 燃氣內燃發(fā)電機組、3 臺2.3 MW 煙氣熱水型溴化鋰制冷機組、4 組800 t/h冷卻塔組組成,每組冷卻塔由5 臺橫流式冷卻塔拼接而成,每臺冷卻塔配1 臺7.5 kW 的軸流風機進行通風(圖1)。1#塔組為3 臺內燃發(fā)電機組提供冷卻水,配置2 臺冷卻水泵,1 用1 備;3臺內燃機的冷卻水采用母管制方式連接,通過閥門調節(jié)各機組間的水力平衡。2#、3#、4#塔組為1#、2#、3#煙氣熱水型溴化鋰制冷機組提供冷卻水,配置3 臺冷卻水泵,2 用1 備;3 臺煙氣熱水型溴化鋰制冷機組的冷卻水采用母管制方式連接,通過閥門調節(jié)各機組間的水力平衡。

        圖1 冷卻塔系統(tǒng)

        冷卻塔運行控制為單元制方式,即2#、3#、4#塔組對應1#、2#、3#溴化鋰機組。冷卻塔風機為定頻風機,冷卻塔供水溫度未設計自動控制,運行時按工頻方式運行。循環(huán)水泵為變頻水泵,根據(jù)冷卻塔回水溫度變化,即溴化鋰機組的冷卻水出水母管溫度變化,分別進行自動調節(jié)。

        2.2 優(yōu)化思考

        經(jīng)過對原設計的分析研究,現(xiàn)對冷卻塔系統(tǒng)進行適當?shù)膬?yōu)化,以提升系統(tǒng)的節(jié)水、節(jié)電、降噪等方面性能,具體方案如下。

        (1)本案例的冷卻水管道采用母管制方式連接,因此可以打破塔組與機組間的一一對應關系,將2#、3#、4#塔組視為1 個塔組使用。根據(jù)冷卻原理分析可知,優(yōu)化后的平均實際使用換熱面積加大,換熱效率上升,蒸發(fā)散熱量下降,單位面積通風量下降,進風阻力下降,因此可以少開風機減少耗電量,可以減少蒸發(fā)損失、減少飄散損失,減少補水。

        (2)由于每個塔組的5 臺冷卻塔內部連通,盡管本案例的風機為定頻風機,仍可以通過改變風機的運行臺數(shù)調節(jié)通風量,達到節(jié)約用電的目的。風機位置不同,通風效能不同,中間的風機運行效能優(yōu)于邊緣的風機,因此風機的啟動順序按由中間向兩邊依次啟動為佳。

        (3)冷卻水泵均投自動狀態(tài)容易出現(xiàn)相互干擾,影響自動控制的穩(wěn)定性,如果一臺投自動狀態(tài),另一臺固定頻率運行,水泵工作狀態(tài)不一致,根據(jù)水泵工作特性分析,轉速高的水泵工作效能高,轉速低的水泵工作效能低。因此須改進控制策略,實現(xiàn)水泵同步自動控制。

        3 風機群控策略簡述

        (1)將溴化鋰機組啟動條件由對應塔組啟動,改為3#、4#、5#冷卻水泵運行臺數(shù)>1。

        (2)對2#、3#、4#塔組的15 臺風機進行編號,運行時根據(jù)供水溫度變化情況,按3#、8#、13#、2#、7#、12#、4#、9#、14#、1#、6#、11#、5#、10#、15#順序依次啟/停。

        (3)設置巡查時間計時器T1,指定DCS 控制系統(tǒng)每隔T1時間間隔進行一次溫度比較,測量溫度大于設定溫度,則發(fā)增加風機指令,反之發(fā)減少風機指令。

        (4)設置風機啟動間隔計時器T2,指定DCS 控制系統(tǒng)在發(fā)送一次指令后,T2時間間隔內不再發(fā)送指令。

        (5)為每臺風機設置1 個“手/自”切換開關,允許運行人員對單個風機進行控制。

        (6)設置1 個總“手/自”切換開關,手動狀態(tài)時,所有風機人工操作,自動狀態(tài)時,忽略手動控制狀態(tài)的風機,對自動控制狀態(tài)的風機實現(xiàn)自動啟/停操作。

        (7)設置巡查邏輯,當收到“啟/停”指令時,按預設的操作順序尋找第1 臺處于自動狀態(tài)的“停止/運行”狀態(tài)的風機并執(zhí)行“啟/?!敝噶?,執(zhí)行一次“啟/?!敝噶罨蛭凑业教幱谧詣訝顟B(tài)的“停止/運行”狀態(tài)的風機后,停止指令執(zhí)行。

        增加風機群控策略并投入自動運行后,自動運行狀況良好,冷卻塔供水溫度穩(wěn)定,15 臺風機很少同時運行,在過渡季節(jié)或冬季僅有極少數(shù)風機運行,噪聲下降明顯,節(jié)電效果明顯。冷卻塔水飄散現(xiàn)象改善明顯,補水量下降,達到預期目標。

        4 循環(huán)泵節(jié)能措施分析

        4.1 循環(huán)泵群控策略簡述

        為了防止3#、4#、5#循環(huán)泵同時投自動狀態(tài)時相互干擾而出現(xiàn)失穩(wěn),解決1 臺投自動狀態(tài),其余泵定頻運行時性能不佳問題,本案例采用自動同步控制策略進行解決(圖2):①3 臺水泵共用1 個自動調節(jié)器,投入自動狀態(tài)的水泵,其開度由同1 個控制器輸出控制;②3 臺水泵各設置1 個手操器,手動狀態(tài)時其開度輸出由人工設定,當切換為自動時,輸出與自動調節(jié)器的輸出同步;③由于每臺泵的管路阻力不同,同一頻率下的出力稍有差異,為了修正,每臺泵設置1 個偏差設定值,對其工作效能進行微調,使各泵工作狀態(tài)一致。

        圖2 循環(huán)水泵操作界面

        水泵工作時,高負荷或低負荷運行能效均降低,因此控制策略調整后,既可以保證自動的平穩(wěn)運行,又可以通過改變運行水泵的數(shù)量,使水泵工作在最佳能效區(qū)間,運行更靈活。

        4.2 循環(huán)泵節(jié)能思考

        分析認為,多主機運行時,循環(huán)水泵采用單元制方式連接,節(jié)能效果會更好,主要原因是各主機的性能很難完全一致,根據(jù)各主機回水溫度分別投自動狀態(tài)更能發(fā)揮主機的性能(圖3)。本案例由于系統(tǒng)平面布置原因,優(yōu)化調整難度很大,未進行更改。

        圖3 循環(huán)水泵單元制連接方式

        5 其他節(jié)能措施

        本案例設計有水平衡管,未出現(xiàn)冷卻塔水盤水位偏差大導致溢水現(xiàn)象,但存在循環(huán)水分配不均勻的問題,需要人工調整各冷卻塔間布水的一致性。由于靠人工觀察調整,一致性難以保證,如能將冷卻塔回水由壓力布水改為靜壓自流式布水,則可以基本消除布水不一致問題,保證所有冷卻塔的工作效能完全發(fā)揮。

        6 結論

        通過本實例實踐及分析,在同樣的工況下,通過改變運行方式、優(yōu)化控制策略,可以明顯降低冷卻系統(tǒng)的電耗,減少補水,降低噪聲。如果設計階段就從設備選型、系統(tǒng)連接、管道布置等方面進行優(yōu)化,如冷卻水泵采用單元制方式連接,冷卻塔風機采用變頻風機,采用斜插三通代替直角三通,采用靜壓自流布水等措施,則冷卻系統(tǒng)的節(jié)能、節(jié)水、降噪效果會更好。項目不同,解決方案稍有差異,需要靈活應用才能獲得最好的方案。

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