劉博樂，朱立仁，程生坤，任宇航，趙航，石卓立

（中國航發(fā)（北京）航空材料研究院，北京 100095）

1 設備介紹及問題

1.1 閉式冷卻塔

密閉式冷卻塔，又稱閉式冷卻塔，是將管式換熱裝置置于塔內(nèi)，通過塔上散熱風扇進行空氣流通及噴淋泵進行噴淋水與循環(huán)水進行熱交換以達到降溫效果。由于是閉式循環(huán)，可以保證循環(huán)水質(zhì)不受到污染，保護精密設備的高效運行，提高了設備使用壽命。主要用于冶金、航空、機械以及食品等領域。

1.2 閉式冷卻塔結構及工作原理

閉式冷卻塔結構主要分為水泵、風機、冷凝器、收水器、噴淋系統(tǒng)、自動補水裝置等主要結構如圖1所示。其工作過程主要是對設備內(nèi)進行降溫的循環(huán)水（即冷卻水）從閉式冷卻塔進水口進入，經(jīng)過冷凝器進行風冷及噴淋系統(tǒng)對冷凝器內(nèi)冷卻水進行水冷降溫，降溫后的冷卻水從出水口回到設備管道內(nèi)對設備再次進行降溫，以此循環(huán)，保證設備正常運行。

圖1 閉式冷卻塔結構圖

1.3 出現(xiàn)問題

目前經(jīng)過對閉式冷卻塔多年使用，發(fā)現(xiàn)閉式冷卻塔在北方寒冷天氣狀態(tài)（溫度低于0℃）下使用，極容易造成閉式冷卻塔損壞，影響設備冷卻水的正常使用。其中主要出現(xiàn)故障包括內(nèi)部冷凝管、集水池、收水器、水泵凍裂情況。上述情況嚴重影響設備冷卻水冷卻效果和閉式冷卻塔的壽命，維修費用大幅度提升。

2 閉式冷卻塔防凍措施

針對上述情況，建議對閉式冷卻塔進行冬季防凍處理，考慮到不同設備的狀態(tài)及使用要求，采用不同的防凍方案對閉式冷卻塔進行防凍處理。

2.1 對于非精密設備閉式冷卻塔防凍方案

由于冷卻水需要進入設備內(nèi)部進行冷卻，對于非精密設備的閉式冷卻塔，對于冷凝器內(nèi)冷卻水的成分沒有要求，不會對該設備本身及設備產(chǎn)品無影響的，可以通過對閉式冷卻塔內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)使用防凍液（乙二醇），按照調(diào)配比例進行添加，可以一次性解決閉式冷卻塔凍裂問題。但需要考慮如下情況。

（1）由于防凍液具有一定的腐蝕性，雖然防凍液在冷卻塔內(nèi)循環(huán)管路中，但循環(huán)過程中需要經(jīng)過設備，會對設備循環(huán)管路存在一定腐蝕性。建議精密設備閉式冷卻塔不建議使用防凍液。

（2）防凍液成本較高，經(jīng)過市場調(diào)研乙二醇防凍液1萬元/噸，因此內(nèi)循環(huán)水路用水量較大的閉式冷卻塔慎用。防凍液與水比例1:3，例如，閉式冷卻塔內(nèi)循環(huán)水池用水100m3，需要防凍液30t，一次性投入成本30萬元。建議配有水箱用水量低的閉式冷卻塔使用防凍液。

（3）冬季室外環(huán)境溫度不超過-20℃（院內(nèi)可用）。

另外，通過閉式冷卻塔和開式冷卻塔配合使用，可以解決冬季閉式冷卻塔凍裂情況。由于冬季環(huán)境溫度低，因此循環(huán)水路制冷量僅為夏季的1/3，因此加裝開式冷卻塔（閉式冷卻塔與開式冷卻塔比例為1:3），冬季對閉式冷卻塔進行停運，使用開式冷卻塔進行設備降溫。

具體要求如下：建議每年10月初需要對閉式冷卻塔進行停運，對冷凝管進行排水，啟動開式冷卻塔進行設備降溫；加裝開式冷卻塔成本在10萬元左右；開式冷卻塔對設備循環(huán)水路是否有影響。建議精密設備慎用。

2.2 對于精密設備閉式冷卻塔防凍方案

考慮到閉式冷卻塔內(nèi)部結構，通過冬季對閉式冷卻塔部分管路及塔內(nèi)冬季進行保溫、加熱、防凍處理，可以有效地提高閉式冷卻塔的抗寒能力，減少降溫給其帶來的損傷，主要包括：

（1）冷卻塔室外冷卻水管加裝電拌熱帶，貼保溫板；電伴熱帶啟動關閉需要受室外溫度控制（在1～3℃，低于0℃冷卻塔會被凍壞）。

（2）冷卻塔托水盤配備電加熱防凍棒（在1～3℃，低于0℃冷卻塔會被凍壞）。

（3）閉式冷卻塔24小時不停泵，保證管道溫度熱量交換。如果冬季無須使用閉式冷卻塔，晚上室外溫度為0℃以下時必須做泄水處理（外部循環(huán)水），并使用空壓機對冷凝管內(nèi)進行排水處理，保證水分揮發(fā)干凈防止銅管凍裂。如圖2、圖3所示，可以采用該結構冷凝管在對冷凝管進行排水處理時，可以有效將冷凝管內(nèi)積水清除干凈。

圖2 新型冷凝管實物圖

（4）冬季對冷凝管內(nèi)設置流量大小，降低銅管內(nèi)的流速，可減少管道內(nèi)負荷，防止管道結凍。

3 閉式冷卻塔動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

3.1 系統(tǒng)設計

目前對于閉式冷卻塔進行動態(tài)監(jiān)測進行系統(tǒng)設計，主要包括兩部分：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。該套系統(tǒng)設計主要用于閉式冷卻塔循環(huán)水相關狀態(tài)參數(shù)異常情況下，系統(tǒng)內(nèi)部單片機對實時采集的數(shù)據(jù)進行分析，通過數(shù)據(jù)對比，確定故障類型并觸發(fā)遠程電話報警和現(xiàn)場設備報警器，同時采取應急措施。

3.2 硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)設計主要分為上位機與下位機兩部分，下位機包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、單片機（ZHC4941 RTU）、變頻器（MM430）、繼電器、接觸器等硬件設備；上位機為觸摸屏，可控制水泵的延時啟停。硬件系統(tǒng)通過壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器采集真空泵進水口和出水口的循環(huán)水狀態(tài)，再經(jīng)信號采集卡采集以上信號后，實時顯示在觸摸屏上，其中水泵的控制方式為一臺自動運行和一臺備用。此外，在設備故障時能觸發(fā)電話報警和現(xiàn)場報警器，同時迅速切換備用水泵，如圖4硬件系統(tǒng)原理圖、圖5硬件系統(tǒng)電氣圖、圖6硬件系統(tǒng)實物圖。

圖4 硬件系統(tǒng)原理圖

圖5 硬件系統(tǒng)電氣圖

圖6 硬件系統(tǒng)實物圖

3.3 軟件系統(tǒng)設計

因本系統(tǒng)選用的變頻器內(nèi)置PID模塊，可實現(xiàn)水流壓力的自動調(diào)節(jié)，軟件系統(tǒng)的重點部分主要在于實現(xiàn)水泵啟動設置、系統(tǒng)故障信號分析、報警信號輸出、報警用戶管理、水流壓力、水流溫度和水流量的展示等功能。軟件系統(tǒng)基于縱橫智控RTU附帶的組態(tài)軟件進行設計，如圖7警報觸發(fā)器的觸發(fā)設置、圖8報警用戶管理。

圖7 警報觸發(fā)器的觸發(fā)設置

圖8 報警用戶管理管理

3.4 動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

實現(xiàn)了對冷卻塔水流量、壓力以及溫度等進行動態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)遠程報警功能。主要分為以下兩種情況：（1）在水流量及壓力低于正常設定值（水流量：80m3/h，壓力：0.4MPa）將開啟備用水泵保證閉式冷卻塔的水循環(huán)，同時進行現(xiàn)場及遠程報警；（2）在循環(huán)水溫度低于正常設定值（溫度：0℃）將開啟管道及塔內(nèi)部伴熱帶對管道內(nèi)循環(huán)水進行加熱，同時進行現(xiàn)場及遠程報警。

4 具體應用

目前，針對上述方案，已經(jīng)我院某廠房閉式冷卻塔進行防凍方案試點，主要包括：對外管道進行加裝電伴熱帶，貼保溫板保證管道循環(huán)水在冬季溫度1～3℃，恢復了冷卻塔托水盤內(nèi)加熱系統(tǒng)，加裝了管道內(nèi)水壓、水流量以及溫度監(jiān)控檢測系統(tǒng)，24小時實時檢測，保證設備正常運行。經(jīng)過一個冬季測試目前該廠房閉式冷卻塔無凍壞損壞情況。預計每年可以減少閉式冷卻塔因冬季凍壞所產(chǎn)生的維修成本3萬余元，提高了閉式冷卻塔的使用效率，延長了其使用壽命。