張子倩，張早校，張強

（1 西安交通大學化學工程與技術學院，動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049；2 山東藍想環(huán)境科技股份有限公司，山東濰坊271000）

在當今世界，隨著經濟的快速發(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)對能源的需求愈來愈大，導致能源供應緊張，價格上升[1?2]?；鹆Πl(fā)電占我國能源消費結構的主要地位，根據國家統(tǒng)計局數據顯示[3]，2018年我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量的73.32%；同時現(xiàn)代煤化工產業(yè)存在高水耗、高排放等問題，是制約其高質量發(fā)展的重要因素。流體冷卻是上述產業(yè)生產過程不可缺少的重要環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)這些行業(yè)的冷卻系統(tǒng)經濟運行和節(jié)能降耗，大力發(fā)展冷卻技術是必然趨勢。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)是目前電廠應用最廣泛的系統(tǒng)，但是由于蒸發(fā)損失對水資源的消耗大，占電廠總耗水量的40%左右，在水源缺乏的地區(qū)應用受到限制?？绽湎到y(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組低50%～65%[4?5]，其顯著的節(jié)水性受到許多學者的關注。然而空冷系統(tǒng)投資成本高、熱經濟性低、冷卻性能受環(huán)境影響大等缺點限制了其廣泛使用。為了克服二者缺點，同時兼顧濕冷系統(tǒng)和空冷系統(tǒng)優(yōu)點的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)成為冷卻系統(tǒng)未來發(fā)展的新趨勢[6?7]。本文對干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)發(fā)展歷程及分類、研究現(xiàn)狀進行綜述，重點闡述干濕冷卻系統(tǒng)的模型、主要設備、優(yōu)化方法等研究方向的國內外最新現(xiàn)狀，對節(jié)水消霧、露點冷卻和其他技術應用于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)進行了綜述，并對今后研究的重點方向進行了展望。

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現(xiàn)各個系統(tǒng)的優(yōu)點，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)有相對較高的耗水率，廠址選在缺水或水價昂貴的地區(qū)會受到限制，工作時對當地的氣候條件的波動不敏感。空冷系統(tǒng)是一種由空氣冷卻介質的系統(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)的另一個優(yōu)點是排出的氣體無污染，對環(huán)境幾乎沒有不利影響。但是空冷系統(tǒng)通常是大型結構，需要較高的投資成本，并在環(huán)境溫度高時效率低。濕冷系統(tǒng)或空冷系統(tǒng)都有比較明顯的優(yōu)缺點，為此，同時兼顧濕冷和干冷優(yōu)點的干濕聯(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

根據空冷和濕冷系統(tǒng)的結合方式不同，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塔體內，結構更緊湊，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負荷，同等散熱條件下的耗水量更少，也可以根據干冷部分負荷的變化調整循環(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)水的運動路徑可分為串聯(lián)路徑、并聯(lián)路徑或串并聯(lián)組合式路徑的混合塔，因此其應用也很靈活[22]。合建式與分建式系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較如表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，可同時或分別進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。根據環(huán)境空氣流經的通道來進行干式或濕式冷卻。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)的國內外現(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)的基礎上發(fā)展起來的一種組合冷卻系統(tǒng)。德國對于干濕聯(lián)合冷卻塔的研究比較透徹。而國內干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)起步較晚，國內外學者對于干濕聯(lián)合系統(tǒng)的研究大多數以小型模型塔或換熱器單元為對象，研究內容主要集中在：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 數值模擬研究；②主要干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的設備研究，包括冷凝器、換熱器、模型塔試驗等；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 個主要研究內容重點介紹干濕冷卻系統(tǒng)的國內外現(xiàn)狀。

2.1 系統(tǒng)模型研究現(xiàn)狀

在理論模型的研究中，針對分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，黎穎慧等[25]對某300MW 直接空冷機組搭建了分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的計算模型，得到濕冷系統(tǒng)開啟關閉的臨界工況點。郭民臣等[26]對某330MW 直接空冷機組，同時建立直冷系統(tǒng)和分建式聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的計算模型。結果表明分建式干濕聯(lián)合系統(tǒng)可以大幅度降低機組背壓、機組熱耗和發(fā)電標準煤耗，但是同時也會帶來水泵耗功增加。Rezaei 等[27]針對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)損失預測模型，為了驗證模擬結果，設計并建造了一個干濕聯(lián)合冷卻塔。在保證模擬結果與實際數據吻合的前提下，將其應用于實際工業(yè)案例中。

表1 分建式與合建式系統(tǒng)比較[23]

對于合建式干濕聯(lián)合系統(tǒng)，一些學者開展了系統(tǒng)理論分析，尚缺乏對設備投資費用、運行費用等經濟分析。黃鈺琛[19]建立合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)變工況數學計算模型。提出干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)運行參數、變環(huán)境參數的特性分析。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、濕冷部分的計算模型，并對其進行了驗證。另外對聯(lián)合塔的兩種運行模式進行了特性分析，為變工況下的冷卻系統(tǒng)運行提供了指導，對系統(tǒng)的建模仿真和節(jié)能運行也具有重要的參考價值。在合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)計算模型、熱力學分析、變工況性能預測的基礎上，為了使模型更加貼合實際的運行情況，一些學者還開展了理論分析與實驗相結合的相關研究。Asvapoositkul 等[29]設計了一種機械通風的合建式干濕聯(lián)合系統(tǒng)并建立了性能預測的計算模型，實驗和仿真的結果驗證了該模型的有效性。李進等[30]構造了串聯(lián)型干濕結合復合式冷卻塔的干式空氣冷卻段、填料段和蒸發(fā)冷卻段的數學模型，該模型計算值與試驗測試值的最大相對誤差不超過12%，因此可以滿足工程實際的計算需求。Wei 等[31?32]針對自然通風干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的空氣側串并聯(lián)模式，分別提出了基于物理數學模型的迭代計算方法來預測該系統(tǒng)的性能，與其他類型的冷卻系統(tǒng)（空冷、濕冷和預冷）對比分析，具有更明顯的優(yōu)勢。

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，在計算模型中采用一些理想化假設進行簡化，在一定程度上反映了聯(lián)合冷卻系統(tǒng)實際運行情況，同時與實驗測試誤差在可接受范圍內。下一步可以進一步完善干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的數學模型，與工業(yè)運行的實際數據做更多對比，對模型進行修正，提高模型的準確性。

在利用數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 數值模擬方法建立三維的數值模擬模型，深入探討干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的流動換熱性能影響機理，為干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)不同運行模式的運行策略提出建議。Huang等[33]建立了600MW自然通風聯(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，對空冷段和濕冷段的熱流特性進行了數值模擬。該研究結果有助于聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的設計。Sarker 等[34]采用CFD方法研究了干濕聯(lián)合冷卻塔的性能特征。對其壓降和冷卻能力進行了研究，與實驗測量值進行了比較，結果與實驗測量值吻合較好。Huang等[35]建立自然通風干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的三維數值模型，研究其在各種環(huán)境和運行條件下的熱流性能，獲得了冷卻塔附近的流場以及循環(huán)水與冷卻空氣之間的傳熱和傳質關系。干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的數值模擬方法的研究有助于捕捉內部流場的細節(jié)，研究變工況、多參數的影響，同時數值模擬研究不受地理環(huán)境的影響，已經成為一種重要的建模研究手段，其關鍵問題在于建立與實際工況相近的計算模型。

2.2 系統(tǒng)設備研究現(xiàn)狀

干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中冷卻塔結構、翅片管組合方式等對冷卻塔性能的提高具有重要意義。李楠[36]對干濕聯(lián)合冷卻塔的結構設計和性能分析展開研究。通過實例分析了冷卻塔在兩種工況下的結構參數（換熱器的長度、盤管布置方式、基管管材等）和運行參數對冷卻性能的影響規(guī)律，為生產廠家和用戶設備選型和參數選擇提供了有價值的參考。王曉霞[37]對聯(lián)合冷卻塔進行結構設計，對該冷卻塔的運行參數以及結構參數進行研究分析，得到了不同組合形式的冷卻器。

許多國外學者針對干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中的蒸發(fā)式冷卻器進行了研究。蒸發(fā)冷卻器內的熱質交換過程是各種影響因素的綜合，主要有換熱器的結構、噴淋水流量、空氣流量、管內水流量、空氣濕球溫度、管內水入口溫度等。

Heyns[22]設計了干/濕冷凝器。該設計采用光管束，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通過實驗測試建立了適用于特定管束結構的傳質、傳熱和空氣側壓降系數的關聯(lián)式，忽略了光管束中的蒸汽側壓降，并將其應用于分析性能模型中，結果表明傳質系數和空氣側壓降系數是空氣和雨淋水質量速度的函數，而傳熱系數是雨淋水質量速度以及雨淋水溫度的函數。然而Heyns所提出的關聯(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Heyns的研究進行了修正。Anderson 專注于Owen 推薦的光管束結構及排列方式，并進行了實驗研究，確定雨淋水和空氣之間的質量和傳熱關聯(lián)以及空氣側壓力損失關聯(lián)。雖然Anderson改善了光管束蒸汽回流，但對光管束尚需進一步的實驗研究來驗證其性能。同時對于濕工況下的光管束，操作空氣側壓降關聯(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)展的原理應用于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，結合Anderson 的試驗數據，建立了合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)預測模型和兩種光管束性能預測模型，提出了一種參數化研究方法，將干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的預測性能與現(xiàn)有的干式冷卻系統(tǒng)進行了比較。

綜上所述，雖然研究者們探究得到了適用于光管相關的經驗關聯(lián)式，為同規(guī)格、同布局的光管束提供了實驗數據和設計指導，但是這些關聯(lián)式只適用于一定結構下管束尺寸和幾何布局，具有一定的局限性。而目前有關干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)內部件的相關研究較少，很多學者更側重于系統(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)，國內外學者和公司對不同干濕聯(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，如蒸發(fā)水量、循環(huán)水量、干濕比例等參數進行了優(yōu)化研究[40?41]。

ENEXIO 公司對現(xiàn)有干冷系統(tǒng)、濕冷系統(tǒng)、獨立回路海勒式干/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)水趨勢進行了分析。相對于全濕式冷卻的年補給水量和最大日補給水量，對不同類型的冷卻系統(tǒng)進行了分類，如圖4所示?；趯AC專利系統(tǒng)和獨立回路海勒式干/濕聯(lián)合系統(tǒng)大量的優(yōu)化和案例研究，建議在年補給水量為1%～40%和最大日補給水量為10%～50%的更大范圍內考慮更加節(jié)水的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)。該公司的研究數據能清晰簡明地指出不同冷卻系統(tǒng)的適用場景，為系統(tǒng)的選擇和節(jié)水的趨勢提供了參考價值[42]。

我國的水資源相對緊張，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)水量對干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的節(jié)水經濟性運行是具有指導作用的，然而國內外對這方面的研究較少。為了使系統(tǒng)節(jié)能、高效、經濟的運行，在干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中廣泛應用了多目標優(yōu)化、人工智能、夾點技術等方法。依托人工智能的大數據預測分析，極大地提高了研究效率。

圖4 不同冷卻系統(tǒng)年補給水量和最大日補給水量的比較和選擇

針對最佳循環(huán)水量，有學者提出了一些優(yōu)化方法和最佳的控制策略。王雪蓮[43]以600MW 機組的運行情況，提出了以最優(yōu)循環(huán)水量作為調控冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的調控變量，同時保證了機組經濟效益最大化。王濤濤等[44]針對某電廠2 號機組的運行問題，采用最佳循環(huán)水量的優(yōu)化方法，該方法適用于負荷和冷卻水溫變化情況下最佳循環(huán)水量的計算，達到節(jié)能的目的。Golkar 等[17]針對伊朗電廠，采用遺傳算法對空冷器循環(huán)水量、出塔溫度等參數進行了優(yōu)化設計，使得蒸發(fā)損失量最少，投資成本最低，實現(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上，確定設計空冷器的最佳環(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)水與流股數同時最小化的多目標優(yōu)化問題分解成多步的單目標優(yōu)化問題，分別以最小循環(huán)水量和流股數為目標，在模型中引入了松弛常數，以增加循環(huán)水網絡設計的柔性。Panjeshahi 等[46]通過改進循環(huán)水系統(tǒng)中夾點技術的概念和應用數學規(guī)劃為循環(huán)冷卻系統(tǒng)的設計提供指導，實現(xiàn)了具有串聯(lián)布置的循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化設計，具有節(jié)水、節(jié)能、低成本和環(huán)保等優(yōu)點。Barigozzi 等[47]針對垃圾焚燒發(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)調節(jié)的變量集，優(yōu)化過程中考慮到運營成本和用水量的最佳優(yōu)化策略，從而達到最大凈功率。同樣的Barigozzi 等[48]針對意大利北部Brescia垃圾聯(lián)產發(fā)電廠分建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，根據冷凝系統(tǒng)控制策略，在不同的操作條件下優(yōu)化實現(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單因素的影響進行分析，忽略了冷卻塔投資成本以及效益最大化，缺少對干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)經濟分析，同時優(yōu)化后的性能缺少工程實踐的驗證。

基于大數據方法、遺傳算法和多目標優(yōu)化等優(yōu)化手段可以利用機器學習方法預測系統(tǒng)關鍵運行指標，并提出關鍵變量的優(yōu)化操作窗口，開展工程實施驗證。崔傳濤[49]針對火電廠300MW 機組干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，重點研究了冷卻系統(tǒng)初始溫差和冷卻塔塔型的優(yōu)化設計，探討了優(yōu)化過程和計算方法。該文章考慮到了環(huán)境溫度、發(fā)電成本和冷卻三角價格變化時年均攤費用與冷卻系統(tǒng)溫差的關系，對不同經濟、氣象條件下冷卻系統(tǒng)的設計和運行具有積極指導作用，并對推動我國干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。郭佳偉[23]對空冷系統(tǒng)和濕冷系統(tǒng)的熱力計算方法和計算流程進行了優(yōu)化，通過對系統(tǒng)運行工況的計算和凈功率的比較，得到了投資變化時經濟最優(yōu)的設計方法。張炳文等[50]以年總費用最小法為目標函數，優(yōu)化初始溫差（ITD）值，對傳統(tǒng)干、濕聯(lián)合冷卻塔的結構進行了設計。實際工廠結果表明，新設計的干、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，該電廠的運營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組相關維護成本差異的影響。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]提出了一種同時優(yōu)化各種性能參數的優(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)率等性能參數與空氣和水流量的經驗關系式，進而選擇這些參數作為離散目標函數，建立了多目標優(yōu)化問題。Singh 采用NSGA?Ⅱ（非支配排序遺傳算法）遺傳算法對所有目標函數進行了無約束優(yōu)化，計算出最優(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行成本。其優(yōu)化方法考慮到了多因素的影響，對干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的設計和運行提供了指導。

現(xiàn)如今計算機技術和人工智能不斷發(fā)展，基于大數據方法、多目標優(yōu)化等優(yōu)化手段可以利用機器學習方法預測系統(tǒng)關鍵運行參數，是今后研究的重要趨勢。一些遺傳算法，如NSGA?Ⅱ算法對于系統(tǒng)的優(yōu)化問題具有通用性、有效性、可用性和實用性。在計算最優(yōu)解集多目標優(yōu)化問題上，遺傳算法計算速度更快、更精確、優(yōu)勢更明顯。通過人工智能可以預測分析大量的實際工廠運行數據，對于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的運行監(jiān)測、關鍵變量優(yōu)化提供了很大的便利。

3 新技術在干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)中的應用

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

3.1 冷卻塔節(jié)水措施

在濕式冷卻塔中，循環(huán)冷卻水在塔內與空氣進行傳熱傳質冷卻過程主要產生風吹損失、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)水技術可以應用到新型干濕聯(lián)合冷卻塔上。目前國內外學者針對減少蒸發(fā)損失的節(jié)水措施主要有3個方向：①降溫凝結技術；②降低冷卻負荷，如循環(huán)水余熱利用技術；③其他技術用于節(jié)水節(jié)能，如蒸發(fā)式冷凝器用于冷卻塔和蒸發(fā)預冷等技術。例如國內的時國華等[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荷、蒸發(fā)預冷、優(yōu)化運行等節(jié)水措施。

降溫凝結技術是指在冷卻塔內外架設各種裝置對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，回收部分凝結水可以實現(xiàn)節(jié)水。此種方法在節(jié)水的同時，還可以改善濕熱空氣腐蝕空冷散熱器等缺點。常見的冷凝裝置有：氣?氣換熱器、熱管、多孔介質等。李芳等[55]介紹了冷卻塔內飽和濕空氣形成和凝結過程，利用熱管技術（高效傳熱元件熱管，添加凝結核，設置回收裝置）降低冷卻塔除水器上方的飽和濕空氣的溫度，實現(xiàn)降溫減濕的過程，進而回收飽和濕空氣中的水蒸氣。通過分析計算，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]提出在濕冷塔內收水器上方布置氣?氣換熱器，用外界相對干冷的空氣對濕冷塔排出濕熱空氣進行降溫冷凝；Mantelli 等[57]采用熱虹吸管技術，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，該實驗表明利用該技術可以回收10%的循環(huán)水損失。此技術優(yōu)勢在于僅依靠熱虹吸管自身重力工作，具有工作穩(wěn)定、溫度范圍廣和維護成本低等特點，被越來越多的學者作為理想的熱管選型進行研究。Blanck等[24]采用一種特殊的橫流冷卻多孔填料介質，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施該方法的裝置。在冷卻塔內用水作冷凝劑，直接冷凝水蒸氣而形成水。通過安裝在冷卻塔內的自動冷凝裝置能產生空心形狀的噴射器均勻地把冷凝劑噴淋成霧狀的細小水滴與水蒸氣接觸，使其遇冷凝結成水。然而該分析只停留在理論研究過程中，沒有量化計算飽和濕空氣降低多少溫度可實現(xiàn)多少節(jié)水量。今后應加強對降溫凝結節(jié)水技術的理論和應用研究。同時由于冷卻塔內節(jié)水設備的增加，某種程度上增大了泵與風機等設備的功耗，因此需要權衡節(jié)水收益和經濟損失。

循環(huán)水余熱利用技術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荷，減少蒸發(fā)損失。但是該技術針對的是大量的低品位熱能，需要依托低品位能源利用技術，如熱泵技術才能有效利用，這往往會帶來一定的投資成本。另外還有一些其他節(jié)水技術，如通過蒸發(fā)預冷的方式降低空冷塔進口的空氣溫度，即利用少量的水在散熱器之前的空氣中蒸發(fā)來實現(xiàn)降溫效果，增強散熱器換熱能力。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 露點冷卻技術

Huang 等[59]研究表明在較高的環(huán)境溫度下會導致自然通風干式冷卻性能下降，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、露點冷卻技術。蒸發(fā)輔助冷卻技術主要分為噴霧冷卻和濕介質冷卻兩類，可以降低冷卻塔進口空氣的溫度，改善干濕冷卻系統(tǒng)干式部分的冷卻性能。露點冷卻技術是一種能將冷凝器的入口空氣降到對應露點狀態(tài)的水蒸發(fā)冷卻技術，利用不斷降低的濕球溫度來冷卻室外干空氣，使出風接近甚至達到室外空氣的露點狀態(tài)，具有較好的應用前景。張強等[60]詳細介紹了露點冷卻技術相關的最新研究進展，提出直流式、叉流式和逆流式露點蒸發(fā)冷卻器。國內外許多學者致力于研究露點冷卻技術，涉及理論分析、數值模擬、專利等，露點冷卻技術的創(chuàng)新點完全可以應用于干濕冷卻系統(tǒng)的干式部分，然而該技術還需要更多的投入與大規(guī)模的推廣應用。

3.3 消霧技術

目前工業(yè)冷卻塔循環(huán)水的蒸發(fā)損失嚴重，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所趨。對合建式干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)內部布局進行調整或優(yōu)化，可以有效減少白霧。Lindahl等[61]提出的干濕聯(lián)合冷卻結構中，空冷部分在塔的一側，濕冷部分位于塔的另一側，雖然避免了濕熱空氣對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有傾角的擋板，濕冷部分的濕空氣與干空氣在風扇罩頂部產生均勻的混合氣流，有效達到消霧的目的，同時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。馬立衛(wèi)等[63]針對神華新疆化工有限公司的某干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)，對循環(huán)水冷卻塔進行節(jié)水消霧改造。改造后的冷卻塔技術先進，運行良好，冬季羽霧明顯降低，達到了節(jié)水消霧的預期效果，具有明顯的經濟效益和社會效益。山東藍想環(huán)境科技股份有限公司研發(fā)的消霧節(jié)水冷卻塔技術，改良了傳統(tǒng)濕式冷卻塔，不僅能實現(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，同時對冷卻塔出口的空氣濕度和露點溫度進行調節(jié)，消除冷卻塔可見羽霧，實現(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。該項技術可應用于干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的濕式部分，回收濕式部分運行時產生的蒸發(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)中的冷卻設備采用了消霧節(jié)水型冷卻塔。

3.4 其他技術

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用在煤化工、石油化工、電廠等領域，因此針對不同類型的工廠需求，一些針對性的冷卻塔類型應用于特定的行業(yè)，如降噪技術型冷卻塔、節(jié)能技術型冷卻塔、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，噪聲污染嚴重影響了附近居民的生活，同時由于政策、規(guī)劃短時間內無法搬遷，因此針對這些地區(qū)，降噪技術的應用可以有效地降低噪聲。降噪技術型冷卻塔是通過增加進風口消聲器、排風口消聲器、風機電機減振裝置、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)水泵的靜揚程并降低冷卻塔淋水噪聲，相比常規(guī)冷卻塔，大幅降低運行電耗及噪聲治理費用。隨著煤化工、電力等行業(yè)的智能化大力發(fā)展，動態(tài)優(yōu)化操作、裝備數字化、管理流程化的應用，極大地促進了生產經營管理的精細化，節(jié)能降耗顯著提高、安全環(huán)?？煽亍９?jié)能技術型冷卻塔是通過自動化控制和調節(jié)，根據不同季節(jié)和環(huán)境溫度，對冷卻塔塔群風機電機進行有效地控制，達到智能控制和節(jié)能的目的。通過精細化、智能化設計使冷卻塔上塔壓頭和風機電機能耗做到更低，在高回水壓力循環(huán)水系統(tǒng)中，利用水動風機技術和高回水壓頭技術，節(jié)約風機電機用電。其次發(fā)展內陸核電是我國今后核電發(fā)展的一個方向。內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。核電冷卻塔的市場將在今后的5～10年迅速增長，大力發(fā)展核電用冷卻塔技術是今后的發(fā)展趨勢。

4 結語

作為水資源嚴重貧乏的國家，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)關注的重要課題。干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)是實施節(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、設備研究、優(yōu)化運行、節(jié)水消霧等方面的研究有所突破和進展，今后的研究可以主要集中在以下幾個方面。

（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)合運行冷卻系統(tǒng)的研發(fā)工作。開發(fā)各種高效聯(lián)合運行的解決方案，在保證冷卻換熱效果的前提下，針對不同系統(tǒng)作出預測及分析，并能夠進行能耗最低及用水量最低等選擇。

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

（3）隨著計算機和CFD 技術發(fā)展，使用數值模擬方法建立聯(lián)合冷卻塔計算模型，不斷提高數值模擬準確性，捕捉冷卻塔內部流場細節(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踐驗證，確定新模型走向工廠化的可行性，從而實現(xiàn)新型聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的廣泛應用。

（5）基于大數據的干濕聯(lián)合冷卻系統(tǒng)的研究。一些受氣象條件、復雜換熱網絡和工藝參數等因素限制，節(jié)水節(jié)能運行優(yōu)化難以通過經驗或者模型解析來實現(xiàn)。因此基于大數據方法，對煤化工、石油化工和電力等行業(yè)所積累的大量設備運行和檢測數據進行分析，通過優(yōu)化關聯(lián)化分析找到影響冷卻塔運行能耗、水耗等因素的關鍵控制變量，建立識別系統(tǒng)運行狀態(tài)的分類方法，利用機器學習方法預測系統(tǒng)的關鍵運行指標，并提出關鍵變量的優(yōu)化操作窗口，開展工程實施驗證，從而提升循環(huán)水運行控制的智能水平，并達到節(jié)能降耗的目的。