暢翱

[摘? ? 要]? 蘭州公司某車間是全年投產(chǎn)運(yùn)行的車間，即使在冬季，仍有制冷需求。但蘭州地區(qū)每年11月-次年3月室外平均濕球溫度已低于5 ℃，此溫度已遠(yuǎn)低于車間工藝設(shè)備設(shè)施的冷卻需求溫度，在此工況下，繼續(xù)依賴于冷水機(jī)組制冷則顯得毫無意義，相反還存在極大的電能浪費(fèi)。文章依據(jù)蘭州地區(qū)冬季平均溫度為前提條件，通過討論對冷凍水及冷卻水系統(tǒng)的改造，采用冷卻塔與板式換熱器組合的方式代替冷水機(jī)處理冷凍水以消除室內(nèi)生產(chǎn)需求的熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)減少冷水機(jī)組運(yùn)行時數(shù)，進(jìn)而降低其運(yùn)行能耗。

[關(guān)鍵詞]干球溫度;濕球溫度;冷卻塔

[中圖分類號]TU831 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–03

Application of Free Cooling and Energy Saving Reform

of Cooling Tower in Actual Production

Chang ao

[Abstract]A workshop of Lanzhou Company is a workshop that has been put into operation throughout the year. Even in winter， there is still a demand for refrigeration. However， the average outdoor wet bulb temperature in Lanzhou from November to March of the following year has been lower than 5 ℃， which is far lower than the cooling demand temperature of the workshop process equipment and facilities. Under this working condition， it continues to rely on chillers for cooling. It seems meaningless， on the contrary， there is a huge waste of electrical energy. Based on the winter average temperature in Lanzhou， the article discusses the transformation of chilled water and cooling water systems， and uses a combination of cooling towers and plate heat exchangers to replace chillers to treat chilled water to eliminate the heat load required by indoor production. Reduce the operating hours of the chiller， thereby reducing its operating energy consumption.

[Keywords]dry bulb temperature; wet bulb temperature; cooling tower

1 熱學(xué)相關(guān)概念

1.1 干球溫度

干球溫度是從暴露于地表中但不被太陽直射的干球溫度表所讀取的數(shù)值。干球溫度表示空氣的顯熱水平，即用普通水銀溫度計測量的溫度。

1.2 濕球溫度

假設(shè)在某一狀態(tài)下的空氣，同濕球溫度表的濕潤溫包接觸，發(fā)生絕熱熱濕交換，使其達(dá)到飽和狀態(tài)時的溫度，可稱為濕球溫度。

濕球溫度需要采用在其感溫包端部扎有紗線，并將紗線另一端浸沒在蒸餾水中的溫度計予以測量。濕球溫度計上的讀數(shù)是確定空氣含濕量的一個參數(shù)變量，它反映了空氣的總熱量。由于蒸餾水的蒸發(fā)，濕球溫度計上的讀數(shù)均低于干球溫度，絕對不會高于干球溫度計上的讀數(shù)。

2 冷水機(jī)組

冷水機(jī)組先冷卻循環(huán)冷凍水。當(dāng)循環(huán)冷凍水流過冷機(jī)的蒸發(fā)器時，水的溫度就會被立刻降低，然后在整個樓宇內(nèi)循環(huán)，不斷吸收熱量。循環(huán)冷凍水從樓宇吸收的熱量使返回至冷水機(jī)組的水溫上升，冷水機(jī)組將這部分熱量排除后繼續(xù)將這部分水參與循環(huán)。

3 冷卻塔

冷卻塔一般用自來水作為循環(huán)介質(zhì)，從冷卻系統(tǒng)中吸收熱量然后排放至大氣中，實(shí)現(xiàn)降低水溫的設(shè)備。冷卻塔的容量大小均與實(shí)際發(fā)生的蒸發(fā)量相對應(yīng)，而蒸發(fā)量又與室外濕球溫度相關(guān)聯(lián)。通常情況下，冷卻塔可以將返回冷凝器的冷卻水冷卻至室外空氣濕球溫度-17.8 ～-13.9 ℃。如進(jìn)入冷卻塔的空氣濕球溫度為25.6 ℃，那么冷卻塔中的水可以冷卻至29.4 ℃。

冷水機(jī)組蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)時吸收的熱量由壓縮機(jī)以熱蒸氣的方式泵送至冷凝器，然后由來自冷卻塔的冷卻水將這部分制冷劑熱蒸氣進(jìn)行冷凝。冷凝器中的冷卻水由水泵送往冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)，由空氣吹過這部分冷卻水，將水中熱量排出使大部分冷卻水可以重新用于冷卻冷凝器。

4 冷卻塔節(jié)能方案

（1）本方案采用冷卻塔免費(fèi)供冷技術(shù)，即將出水溫度很低的冷卻水以直接或間接的形式向車間供冷，取代冷水機(jī)組的形式。在冬季采用冷卻塔與板式換熱器組合的方式代替冷水機(jī)組處理冷凍水以消除車間生產(chǎn)需求的熱負(fù)荷，可以減少冷水機(jī)組運(yùn)行時間，從而降低運(yùn)行能耗。

（2）通常用冷水機(jī)組進(jìn)行供冷的方式為閉式循環(huán)系統(tǒng)，而冷卻塔直接供冷方式為開式循環(huán)系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^增加一臺板式換熱器與冷凍水系統(tǒng)熱交換后，使冷凍水降溫以達(dá)到滿足空調(diào)制冷條件。

（3）根據(jù)蘭州地區(qū)冬季早晚溫差變化大的特點(diǎn)，白天室外濕球溫度較高，早晚濕球溫度較低，冷卻塔提供的冷卻水溫度也隨之變化，通過PLC對冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行自動控制，根據(jù)室外溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)和生產(chǎn)車間所需冷量負(fù)荷，從而對風(fēng)機(jī)、電動閥、旁通閥、水泵啟停運(yùn)行進(jìn)行控制，以保證科室空調(diào)系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝設(shè)備等的降溫需求。

（4）控制系統(tǒng)主要涵蓋設(shè)備。冷卻塔、冷凍水泵、冷卻水泵、電動閥門、板式換熱器

5 冷卻塔節(jié)能控制

5.1 水系統(tǒng)管路水流向控制

（1）冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)進(jìn)入冷水機(jī)組前主管道分別分出一根支路至板式換熱器，分別在各自分支管道與進(jìn)入冷機(jī)前主管道各安裝一路電動開關(guān)閥。

（2）冷卻水系統(tǒng)上冷卻塔管路安裝一路旁通管連接冷卻水回水箱，并安裝一臺電動調(diào)節(jié)閥，控制冷卻水上冷卻塔水量。

5.2 控制監(jiān)控探頭安裝

（1）室外屋頂安裝一只溫濕度監(jiān)測探頭，監(jiān)測室外溫濕度。

（2）冷凍水進(jìn)、回水管路安裝溫度傳感器，監(jiān)控冷凍水循環(huán)系統(tǒng)總進(jìn)、回溫度。

（3）冷凍水進(jìn)、回水管路安裝壓力傳感器，監(jiān)控冷凍水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行壓力。

（4）冷卻水進(jìn)、回水管路分別安裝一只溫度傳感器，監(jiān)控冷卻水循環(huán)系統(tǒng)總進(jìn)、回水溫度。

5.3 冷卻塔供冷切換溫度

冷卻塔切換溫度的取值并不是固定的，該溫度的設(shè)定會受到不同條件的影響。例如，不同地區(qū)的氣候條件，冷卻塔供冷系統(tǒng)的類型（直接或間接供冷）、冷卻塔性能參數(shù)，車間對冷負(fù)荷需求的變化等。因此，冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時所選取的切換溫度是不同的。

從供冷系統(tǒng)的方向來說，閉式冷卻塔換熱效率低于開式冷卻塔，所以冷卻塔切換溫度也要比開式系統(tǒng)低;而開式系統(tǒng)間接供冷比閉式系統(tǒng)直接供冷多了板式換熱器，換熱效率有所下降，需要更低的濕球溫度。因此，開式系統(tǒng)直接供冷切換溫度設(shè)定值最高，供冷時間也更長，節(jié)能潛力最大。

切換溫度由3個溫度參數(shù)確定：冷凍水的供水溫度、板式換熱器的冷、熱側(cè)溫差和冷卻塔的冷幅，可以用式（1）表達(dá)：

TEX=TCS-ΔKEX-ΔTapproach

式中，TEX為冷卻塔供冷的切換溫度;TCS為冷凍水的供水溫度;ΔKEX為板式換熱器的冷、熱側(cè)溫差，對于閉式冷卻塔或開式冷卻塔直接供冷時，該值為0，對于開式冷卻塔間接供冷時取1～3℃;Tapproach為冷卻塔冷幅（一般選4 ℃）。

一般冷水機(jī)組提供冷凍水溫度7～13 ℃，根據(jù)上述公式，結(jié)合蘭州公司某車間開式冷卻塔間接供冷模式進(jìn)行計算，可以近似將濕球溫度5～10 ℃設(shè)為切換溫度。因此，當(dāng)室外濕球溫度低于10 ℃時，采用冷卻塔和板式換熱器間接給車間供冷便成為可能。2020年蘭州地區(qū)平均濕度33.6 %～48.3 %，為便于計算取平均值為41 %。根據(jù)《濕球溫降表》進(jìn)行查詢，當(dāng)濕球溫度10 ℃時，干球溫度近似為17 ℃。所以當(dāng)蘭州市最高氣溫連續(xù)一周低于17 ℃時，即可采用冷卻塔供冷系統(tǒng)。

5.4 控制邏輯

（1）“夏季運(yùn)行模式”和“冬季運(yùn)行模式”：室外溫度高于17 ℃（理論值），CPU給一個“建議切換至夏季模式”信息，冷卻塔供冷系統(tǒng)停止，此時由冷水機(jī)組負(fù)責(zé)給循環(huán)冷凍水制冷。室外溫度低于17 ℃（理論值）CPU給一個“建議切換至冬季節(jié)能模式”信息彈出，提醒運(yùn)行人員切換至冬季節(jié)能模式，此時冷卻塔供冷系統(tǒng)啟動。

（2）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測冷水機(jī)組的運(yùn)行，若冷水機(jī)組工作，進(jìn)入冷水機(jī)組的冷凍水主管路的電動閥不允許關(guān)閉，冷凍水進(jìn)入板式換熱器支路電動閥與進(jìn)入冷水機(jī)組主管路閥門是互鎖關(guān)系。

（3）控制系統(tǒng)監(jiān)測冷凍水供回水壓力，當(dāng)回水壓力低于0.3 MPa（經(jīng)驗(yàn)值）時，系統(tǒng)做報警輸出。

（4）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測冷凍水供回水溫度，并記錄冷卻塔供冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

（5）控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測冷卻水上冷卻塔供回水溫度，根據(jù)上冷卻塔溫度，調(diào)節(jié)水箱上塔旁路管道電動閥門的開度，從而控制上塔水量。當(dāng)室外溫度極低時（極端天氣），電動調(diào)節(jié)閥全開，確保冷卻水不上冷卻塔。此時冷卻水系統(tǒng)經(jīng)水箱內(nèi)循環(huán)，待冷卻水溫度較高時再上冷卻塔冷卻。

5.5 冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)

冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)如圖1所示。

6 冷卻塔節(jié)能改造效果分析

蘭州公司某車間利用冷卻塔和板式換熱器（選擇換熱溫差為1 ℃）組合方式代替冷水機(jī)組（7 ～13 ℃供水溫度）供冷，節(jié)能費(fèi)用如下。

該車間冷水機(jī)組功率為173.8 kW，冬季平均運(yùn)行負(fù)荷按一半計算（因?yàn)槔渌畽C(jī)組不是24 h滿負(fù)荷運(yùn)行），即所需耗電量約為86.9 kW。采用冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)時，除冷水機(jī)組外，其他設(shè)備（冷卻水泵、冷凍水泵、風(fēng)機(jī)等）均正常運(yùn)行，故節(jié)約電量近似為冷水機(jī)組的耗電量。切換為冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)運(yùn)行1 h，可節(jié)約電量約86.9 kW·h，按電價0.54元/kW·h計，每小時節(jié)約46.9元。根據(jù)計算，若冬季開啟冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)100 d，每天24 h運(yùn)行，則比使用冷水機(jī)組制冷系統(tǒng)節(jié)約電費(fèi)11.2萬元左右。

7 冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)在應(yīng)用中遇到的問題

7.1 冬天極冷天氣運(yùn)行模式

根據(jù)蘭州公司某車間實(shí)際運(yùn)行情況，當(dāng)室外溫度低于-10 ℃后，繼續(xù)開啟冷卻水上塔旁通電控閥，控制上塔冷卻水流量，冷卻塔進(jìn)風(fēng)網(wǎng)處的結(jié)冰現(xiàn)象較為嚴(yán)重，影響冷卻塔制冷效率，尤其在凌晨溫度達(dá)到最低點(diǎn)時，冷卻塔運(yùn)行存在安全隱患。為防止冷卻塔進(jìn)風(fēng)網(wǎng)結(jié)冰，目前采用完全關(guān)閉冷卻水上塔旁通閥的措施，增大上塔冷卻水流量，降低結(jié)冰情況。采取該控制措施后，冷卻塔結(jié)冰現(xiàn)象有所緩解。

還可以對上塔冷卻水管道進(jìn)行電加熱處理，增加上塔冷卻水溫度，也會降低冷卻塔結(jié)冰現(xiàn)象，該措施會增加一定的成本投入，但后期的運(yùn)行會更安全可靠。

7.2 冷卻水系統(tǒng)及板式換熱器維護(hù)

通常上塔冷卻水水源多采用自來水，冷凍水水源采用軟化水。由于蘭州地區(qū)風(fēng)沙較大，運(yùn)行一段時間后冷卻水中會積攢大量泥沙和小顆粒物，管道中的雜質(zhì)將會影響板式換熱器的換熱效率，同時也會增大板式換熱器臟堵的風(fēng)險。我們可以根據(jù)車間運(yùn)行情況每半年或每年對冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)板式換熱器、Y形過濾器以及冷卻水箱進(jìn)行清洗，提高系統(tǒng)使用效率和延長使用壽命。

7.3 冷卻塔免費(fèi)供冷切換溫度

根據(jù)2021年3月11日17：09蘭州城關(guān)地區(qū)出現(xiàn)近期以來最高溫度25.2 ℃，實(shí)時天氣預(yù)報顯示22 ℃。

17：09血清室免費(fèi)供冷系統(tǒng)冷卻水上塔溫度為13.1 ℃，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行情況觀察，室外溫度25 ℃時，免費(fèi)供冷系統(tǒng)冷卻塔風(fēng)扇連續(xù)運(yùn)行，冷卻水上塔溫度基本穩(wěn)定在13 ℃左右，已達(dá)最低極限，此時冷凍水出水溫度能夠維持在13 ℃左右，尚能保證科室生產(chǎn)環(huán)境溫度要求。

8 結(jié)束語

根據(jù)冷水機(jī)組歷史運(yùn)行情況分析，免費(fèi)供冷系統(tǒng)在室外溫度為25 ℃時，基本達(dá)到運(yùn)行極限（冷凍水出水溫度13 ℃左右）。冷卻塔免費(fèi)供冷系統(tǒng)改造項目是根據(jù)車間運(yùn)行情況進(jìn)行的節(jié)能改造。該項目降低了車間單一冷水機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的風(fēng)險，從長遠(yuǎn)角度來看實(shí)現(xiàn)了電能的節(jié)約，改造后的系統(tǒng)采用PLC控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹嚴(yán)亮，曹帥，李守軍等.蘭州地區(qū)冬季冷卻塔免費(fèi)供冷方案的解析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019，（9）.48-49.