閉式冷卻塔冬季運(yùn)行防凍改造與自動(dòng)控制

師宇騰，張清華

（國(guó)家圖書(shū)館，北京 100081）

水的冷卻循環(huán)使用是節(jié)約水資源和保護(hù)環(huán)境的重要途徑。閉式冷卻塔具有保持冷卻水的清潔、功能多、節(jié)約能源、用途廣泛、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)、可用于冷卻高溫水等優(yōu)點(diǎn)。由于工藝需要，有時(shí)北方冬季也需要供冷。閉式冷卻塔是在冷卻塔基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型冷卻設(shè)備，它可以利用自然冷源在冬季及過(guò)渡季供冷，具有較好的節(jié)能效果。

1 閉式冷卻塔的工作原理

閉式冷卻塔將冷媒置于一個(gè)干凈的封閉回路中，將冷卻塔和熱交換器的功能集于一個(gè)系統(tǒng)，這些都帶來(lái)優(yōu)越的運(yùn)行性能和維護(hù)的便利性。閉式冷卻塔由盤(pán)管、風(fēng)機(jī)、噴淋水泵、配水盆、集水盆、排污管、溢水管、填料、進(jìn)風(fēng)百葉、補(bǔ)水裝置等組成。

閉式冷卻塔包括內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)和外循環(huán)水系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)。內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)：盤(pán)管內(nèi)被冷卻后的循環(huán)水從塔體流出，由系統(tǒng)循環(huán)水泵送往空調(diào)機(jī)組冷凝器，經(jīng)過(guò)升溫后的循環(huán)水再進(jìn)入盤(pán)管冷卻。外循環(huán)水系統(tǒng)：外部噴淋水通過(guò)與盤(pán)管、填料接觸換熱達(dá)到冷卻盤(pán)管內(nèi)部循環(huán)水的目的后，落入下部集水盆，由噴淋水泵送至配水盆再次循環(huán)。內(nèi)循環(huán)被冷卻水通過(guò)盤(pán)管與管外噴淋水和空氣進(jìn)行熱交換，避免了被冷卻水與空氣直接接觸而導(dǎo)致的水質(zhì)污染。

2 閉式冷卻塔應(yīng)用實(shí)例

北京市某數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)采用的是水冷機(jī)房精密空調(diào)機(jī)組，共15臺(tái)機(jī)組，總制冷量1093kW，全年365天不間斷運(yùn)行。冷卻塔選用的是橫流式閉式冷卻塔，水用作傳熱冷媒。在閉式冷卻塔進(jìn)入空氣的設(shè)計(jì)濕球溫度為28℃情況下，能將280m3/h的水從36℃冷卻到31℃，散熱能力1618kW。盤(pán)管的壓降不超過(guò)113kPa。風(fēng)機(jī)共有2臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)功率11kW。噴淋水泵一臺(tái)，電機(jī)功率5.5kW，噴淋水流量292m3/h。閉式冷卻塔示意圖如圖1所示。

圖1 閉式冷卻塔示意圖

3 閉式冷卻塔防凍問(wèn)題

冬季北方寒冷地區(qū)閉式冷卻塔可能仍需運(yùn)轉(zhuǎn)，在環(huán)境低于0℃、負(fù)荷降低的情況下，閉式冷卻塔低溫區(qū)域里存在結(jié)冰的可能，主要問(wèn)題是冷卻塔結(jié)冰壓垮填料、集水盆結(jié)冰、盤(pán)管凍裂等，影響冷卻塔的正常運(yùn)行［1］。

一般采取以下防凍措施：使盤(pán)管內(nèi)具有充足的流量和冷媒具有充足的熱負(fù)荷，提高允許的內(nèi)循環(huán)水最低供水溫度；在集水盆中增加電加熱防凍系統(tǒng)；使用防凍液防止內(nèi)循環(huán)水結(jié)冰凍裂盤(pán)管和管道；在管道上增加保溫和電伴熱。如果沒(méi)有采取防凍保護(hù)措施，且冬季需要間歇運(yùn)行，集水盆、露天管道和盤(pán)管中的水在停止運(yùn)行后都必須排空。

4 閉式冷卻塔防凍改造方案

本實(shí)例閉式冷卻塔在建成投入運(yùn)行的第一個(gè)冬季未采取防凍保護(hù)措施，運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了盤(pán)管凍裂事故。在集水盆增加電加熱和管道電伴熱等保護(hù)措施的情況下，仍然出現(xiàn)盤(pán)管凍裂無(wú)法工作的情況。由于內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)管路較長(zhǎng)，系統(tǒng)水容量將近40噸，若使用乙二醇溶液作為防凍液，每隔三到五年需要全部更換，且乙二醇溶液具有一定的腐蝕性和毒性，存在排污、污染、環(huán)保等問(wèn)題，還會(huì)增加運(yùn)輸、搬運(yùn)、補(bǔ)充防凍液等許多工作，運(yùn)行費(fèi)用較高。另閉式冷卻塔改造前只有一臺(tái)噴淋水泵，無(wú)備用，一旦該泵發(fā)生故障，將影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為解決冬季運(yùn)行集水盆結(jié)冰、盤(pán)管凍裂、噴淋水泵無(wú)備用泵等問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，改造原理圖如圖2所示。在冷卻塔下方機(jī)房?jī)?nèi)增設(shè)集水箱、盤(pán)管換熱器和兩臺(tái)噴淋循環(huán)泵（一用一備）。在噴淋水供、回水管之間增設(shè)回流管，回流管上安裝電磁閥，防止冬季閉式冷卻塔停止運(yùn)行時(shí)管道積水凍結(jié)。集水箱上連接有補(bǔ)水管道、溢水管道和排污管道。

集水箱上分別安裝水位指示器顯示液位高度，水位傳感器用于控制補(bǔ)水，水溫傳感器監(jiān)測(cè)水箱溫度。

圖2 閉式冷卻塔改造原理圖

5 閉式冷卻塔運(yùn)行自動(dòng)控制

閉式冷卻塔自帶的盤(pán)管、集水盆供夏季和過(guò)渡季節(jié)使用，冬季運(yùn)行時(shí)切換到集水箱內(nèi)的盤(pán)管換熱器，同時(shí)將閉式冷卻塔自帶盤(pán)管中的水排空并用氮?dú)獯祾摺?/p>

閉式冷卻塔控制采用的是集中分散式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)控制器選用PLC控制器，上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 閉式冷卻塔運(yùn)行監(jiān)控界面

5.1 水泵、風(fēng)機(jī)控制

控制柜上設(shè)遠(yuǎn)程/就地選擇旋鈕和手動(dòng)啟停按鈕，遠(yuǎn)程狀態(tài)由控制器自動(dòng)控制，就地狀態(tài)手動(dòng)控制啟停，便于檢修時(shí)使用，就地控制優(yōu)先。

冬季運(yùn)行時(shí)根據(jù)循環(huán)冷卻水回水溫度、集水箱內(nèi)水溫控制噴淋循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)的啟停。為防止冷卻塔結(jié)冰，可適當(dāng)提高循環(huán)冷卻水回水溫度，當(dāng)循環(huán)冷卻水回水溫度高于22℃時(shí)開(kāi)啟噴淋循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)，循環(huán)冷卻水回水溫度低于15℃或者集水箱內(nèi)水溫低于5℃時(shí)停止噴淋循環(huán)泵和風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

風(fēng)機(jī)可以遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)向，反向運(yùn)轉(zhuǎn)用來(lái)除冰。冬季運(yùn)行時(shí)如果閉式冷卻塔進(jìn)風(fēng)百葉上結(jié)冰過(guò)多，停止運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)幾分鐘，百葉附近的水流就會(huì)加快，減少冰的形成。在持續(xù)極度低溫情況下，可將風(fēng)機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，使熱空氣吹過(guò)百葉，融化積冰。反轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)的時(shí)間控制在1~2分鐘，化冰時(shí)進(jìn)行監(jiān)控以決定化冰時(shí)間。冷卻塔風(fēng)機(jī)加裝霍爾傳感器監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

5.2 集水箱補(bǔ)水控制

夏季和過(guò)渡季節(jié)集水盆補(bǔ)水由浮球閥自動(dòng)補(bǔ)水。冬季運(yùn)行時(shí)集水箱的補(bǔ)水和排污分別由補(bǔ)水電磁閥和排污電動(dòng)閥控制。排污電動(dòng)閥按時(shí)間表或根據(jù)集水箱內(nèi)水的電導(dǎo)率自動(dòng)排污，集水箱水位由水位傳感器檢測(cè)。PLC控制器設(shè)有4個(gè)水位來(lái)控制補(bǔ)水電磁閥和噴淋循環(huán)泵的啟停，分別為：最高水位、最低水位、補(bǔ)水啟動(dòng)水位、補(bǔ)水停止水位。

（1）最高水位：任何情況下超過(guò)最高水位，停止自動(dòng)補(bǔ)水，補(bǔ)水閥關(guān)閉。

（2）補(bǔ)水停止水位：水位達(dá)到補(bǔ)水停止水位，關(guān)閉補(bǔ)水閥，停止補(bǔ)水。

（3）補(bǔ)水啟動(dòng)水位：低于補(bǔ)水啟動(dòng)水位，打開(kāi)補(bǔ)水閥開(kāi)始補(bǔ)水。

（4）最低水位：低于最低水位時(shí)關(guān)閉噴淋循環(huán)泵，防止水泵因空轉(zhuǎn)產(chǎn)生汽蝕而損壞。

5.3 回水閥控制

冬季運(yùn)行時(shí)，回水管道上的電磁閥在每次噴淋循環(huán)泵停機(jī)時(shí)自動(dòng)打開(kāi)20分鐘，使上水管的水及時(shí)回流到集水箱。

5.4 報(bào)警功能

上位機(jī)程序?qū)σ韵逻\(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視并在超限或發(fā)生故障時(shí)報(bào)警：

（1）循環(huán)冷卻水供、回水溫度、壓力；

（2）冷卻水循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)；

（3）集水箱水溫、液位高度、電導(dǎo)率；

（4）噴淋水泵的運(yùn)行狀態(tài)；

（5）冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)速。

6 結(jié)論

本文研究了閉式冷卻塔的工作原理和冬季北方寒冷地區(qū)運(yùn)行的防凍問(wèn)題, 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例對(duì)閉式冷卻塔進(jìn)行設(shè)備和自動(dòng)控制改造，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)證明該方案對(duì)于解決閉式冷卻塔冬季運(yùn)行防凍問(wèn)題是可行的，保障了設(shè)備的正常運(yùn)行，并具有一定的節(jié)能效果。這對(duì)于閉式冷卻塔的設(shè)計(jì)及應(yīng)用將有一定的參考價(jià)值。