基于北方寒冷天氣閉式冷卻塔防凍方案及動態監控系統設計

劉博樂，朱立仁，程生坤，任宇航，趙航，石卓立

（中國航發（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，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水進行熱交換以達到降溫效果。由于是閉式循環，可以保證循環水質不受到污染，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、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進行降溫的循環水（即冷卻水）從閉式冷卻塔進水口進入，經過冷凝器進行風冷及噴淋系統對冷凝器內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對設備再次進行降溫，以此循環，保證設備正常運行。

圖1 閉式冷卻塔結構圖

1.3 出現問題

目前經過對閉式冷卻塔多年使用，發現閉式冷卻塔在北方寒冷天氣狀態（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。其中主要出現故障包括內部冷凝管、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部進行冷卻，對于非精密設備的閉式冷卻塔，對于冷凝器內冷卻水的成分沒有要求，不會對該設備本身及設備產品無影響的，可以通過對閉式冷卻塔內循環系統使用防凍液（乙二醇），按照調配比例進行添加，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循環管路中，但循環過程中需要經過設備，會對設備循環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，經過市場調研乙二醇防凍液1萬元/噸，因此內循環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，閉式冷卻塔內循環水池用水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）冬季室外環境溫度不超過-20℃（院內可用）。

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。由于冬季環境溫度低，因此循環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部結構，通過冬季對閉式冷卻塔部分管路及塔內冬季進行保溫、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（外部循環水），并使用空壓機對冷凝管內進行排水處理，保證水分揮發干凈防止銅管凍裂。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積水清除干凈。

圖2 新型冷凝管實物圖

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

3 閉式冷卻塔動態監控系統設計與應用

3.1 系統設計

目前對于閉式冷卻塔進行動態監測進行系統設計，主要包括兩部分：硬件系統和軟件系統。該套系統設計主要用于閉式冷卻塔循環水相關狀態參數異常情況下，系統內部單片機對實時采集的數據進行分析，通過數據對比，確定故障類型并觸發遠程電話報警和現場設備報警器，同時采取應急措施。

3.2 硬件系統設計

硬件系統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水狀態，再經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電話報警和現場報警器，同時迅速切換備用水泵，如圖4硬件系統原理圖、圖5硬件系統電氣圖、圖6硬件系統實物圖。

圖4 硬件系統原理圖

圖5 硬件系統電氣圖

圖6 硬件系統實物圖

3.3 軟件系統設計

因本系統選用的變頻器內置PID模塊，可實現水流壓力的自動調節，軟件系統的重點部分主要在于實現水泵啟動設置、系統故障信號分析、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。軟件系統基于縱橫智控RTU附帶的組態軟件進行設計，如圖7警報觸發器的觸發設置、圖8報警用戶管理。

圖7 警報觸發器的觸發設置

圖8 報警用戶管理管理

3.4 動態監控系統的功能實現

實現了對冷卻塔水流量、壓力以及溫度等進行動態監控，實現遠程報警功能。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，同時進行現場及遠程報警；（2）在循環水溫度低于正常設定值（溫度：0℃）將開啟管道及塔內部伴熱帶對管道內循環水進行加熱，同時進行現場及遠程報警。

4 具體應用

目前，針對上述方案，已經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水在冬季溫度1～3℃，恢復了冷卻塔托水盤內加熱系統，加裝了管道內水壓、水流量以及溫度監控檢測系統，24小時實時檢測，保證設備正常運行。經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。