全年制冷系統(tǒng)冷卻塔防絮研究

曹培隆

（北京首都機(jī)場(chǎng)動(dòng)力能源有限公司，北京）

1 制冷系統(tǒng)冷卻塔概述

冷卻塔是用水作為循環(huán)冷卻劑，利用空氣同水的直接接觸或者間接接觸，從一系統(tǒng)中吸收熱量排放至大氣中，以降低水溫的裝置。冷卻塔按通風(fēng)方式分為自然通風(fēng)冷卻塔、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔、混合通風(fēng)冷卻塔；按水和空氣的流動(dòng)方向分為逆流式冷卻塔、橫流式冷卻塔、混流式冷卻塔[1]。冷卻塔主要由冷卻塔塔體、電機(jī)、風(fēng)機(jī)、填料、布水裝置、水管等組成。支架和塔體起到外部支撐的作用，是冷卻塔的框架結(jié)構(gòu)；冷卻塔內(nèi)部填料為水和空氣提供盡可能大的換熱面積，提高冷卻效率；冷卻水托水盤(pán)位于冷卻塔底部，用于匯集接收冷卻水；冷卻塔風(fēng)扇提高空氣的流動(dòng)速度，提高冷卻效率；散水器（布水器）用于將塔頂?shù)睦鋮s水均勻的分布至各個(gè)區(qū)域，使冷卻塔與填料均勻接觸散熱[2]。

2 大興機(jī)場(chǎng)信息中心全年制冷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概況

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)信息中心作為機(jī)場(chǎng)的“神經(jīng)中樞”，承擔(dān)著機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)例如航班運(yùn)行、機(jī)場(chǎng)指揮、設(shè)備保障等在內(nèi)的全部信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸、計(jì)算等工作職責(zé)，素有大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)“最強(qiáng)大腦”的稱(chēng)號(hào)。

信息中心ITC 數(shù)據(jù)機(jī)房制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用全年運(yùn)行模式，為末端核心數(shù)據(jù)機(jī)房提供365 天*24 小時(shí)的不間斷冷源供應(yīng)。一旦系統(tǒng)冷源停供，就將會(huì)導(dǎo)致末端數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備的散熱量不斷累積，設(shè)備高溫運(yùn)行將影響數(shù)據(jù)運(yùn)行安全。冷卻塔作為制冷系統(tǒng)中的重要核心設(shè)備，其安全運(yùn)行與否，直接關(guān)系到冷卻水系統(tǒng)的冷卻效果，影響制冷效率，甚至最終威脅末端數(shù)據(jù)機(jī)房信息設(shè)備的正常運(yùn)行，因此保障冷卻塔安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2.2 系統(tǒng)組成

北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)信息中心ITC 全年制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為5 500 KW，制冷機(jī)組采用N+1 設(shè)計(jì)，設(shè)兩臺(tái)800RT 離心式冷水機(jī)組、兩臺(tái)381.5RT 螺桿式冷水機(jī)組。全年制冷系統(tǒng)冷凍水設(shè)計(jì)供回水溫度為12/18 ℃，冷卻水設(shè)計(jì)供回水溫度為33/38 ℃。ITC 信息中心樓頂設(shè)置6 臺(tái)冷卻塔，其中4 臺(tái)小塔（填料數(shù)量512 片/臺(tái)）、2 臺(tái)大塔（填料數(shù)量1024 片/臺(tái)），均為樓頂露天安裝。

表1 大興機(jī)場(chǎng)ITC 信息中心冷卻塔參數(shù)

2.3 飛絮影響情況

自2019 年ITC 全年制冷系統(tǒng)隨大興機(jī)場(chǎng)建成投運(yùn)以來(lái)，根據(jù)以往對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，每年的3月至5 月北京進(jìn)入“飄絮”季，大興機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)及周邊區(qū)域，河道兩岸、市政道路兩側(cè)及周?chē)迩f，大范圍種植楊樹(shù)、柳樹(shù)等樹(shù)木，且機(jī)場(chǎng)區(qū)域地勢(shì)相對(duì)平攤開(kāi)闊，非常有利于“飄絮”的產(chǎn)生和傳播，機(jī)場(chǎng)區(qū)域相較北京市區(qū)而言，受飛絮影響的程度更深、范圍更廣。大量的飛絮極易沿冷卻塔填料縫隙及塔頂布水槽被吸入屋頂正常運(yùn)行中的冷卻塔，從而進(jìn)入冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，堵塞循環(huán)泵前除污器影響制冷效果，出現(xiàn)安全隱患，甚至出現(xiàn)制冷停供事故。

2.4 冷卻塔防絮的目的意義

通過(guò)加裝防絮裝置，可以有效地阻止“飄絮”被吸入進(jìn)入冷卻塔內(nèi)部，堵塞冷卻水循環(huán)泵前除污器，導(dǎo)致冷水機(jī)組出現(xiàn)“無(wú)水流”停機(jī)故障；減少日常清洗冷卻水系統(tǒng)的自刷式過(guò)濾器及循環(huán)泵前除污器的頻次[3]，顯著減輕現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員日常工作量；可以減少系統(tǒng)循環(huán)泵等主要用電設(shè)備的電能耗量，使系統(tǒng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、節(jié)能；有效減輕系統(tǒng)運(yùn)行隱患風(fēng)險(xiǎn)，提升整體的可靠性及安全性。

3 冷卻塔防絮裝置研究

3.1 冷卻塔側(cè)向填料面防絮網(wǎng)

絕大部分飛絮均沿冷卻塔兩側(cè)的填料面壓接縫隙被吸入冷卻塔內(nèi)部。因此，首要應(yīng)先解決側(cè)向填料面的放絮問(wèn)題。冷卻塔填料面的尺寸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此冷卻塔側(cè)向填料面防絮網(wǎng)框架宜采用“田”字形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)固，框架上下分別設(shè)置固定卡槽及卡扣，確?？蚣艿姆€(wěn)固?？蚣芘c塔身通過(guò)機(jī)械連接方式進(jìn)行固定，以確保達(dá)到足夠的強(qiáng)度?？蚣苡靡赃B接防護(hù)網(wǎng)幕與塔身，框架材料選擇輕質(zhì)鋁合金。

在框架內(nèi)，還需安裝數(shù)個(gè)防絮網(wǎng)幕，防絮網(wǎng)幕與家用紗窗類(lèi)似，可以在框架上下兩層的導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)，起到阻隔飛絮的作用，需便于安裝及拆卸。大冷卻塔與小冷卻塔網(wǎng)幕結(jié)構(gòu)、外形尺寸完全相同，防絮網(wǎng)幕之間可以互換使用，具有較強(qiáng)的通用性。防絮網(wǎng)幕紗網(wǎng)采用雙層紗網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以提高其綜合防護(hù)性能。外側(cè)紗網(wǎng)選用較高目數(shù)，孔洞直徑較小，內(nèi)側(cè)紗網(wǎng)選用較低目數(shù)，孔洞直徑較大，確保大部分飛絮能夠攔截在外側(cè)紗網(wǎng)之外，方便日常清理（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 小冷卻塔側(cè)向填料面防絮網(wǎng)裝配示意

圖2 大冷卻塔側(cè)向填料面防絮網(wǎng)裝配示意

3.2 冷卻塔頂部布水槽防絮網(wǎng)

少部分飛絮還會(huì)沿冷卻塔頂部布水槽的孔洞縫隙隨水流進(jìn)入冷卻塔內(nèi)部，為確保冷卻塔的綜合防絮效果，還需設(shè)計(jì)、加裝針對(duì)冷卻塔頂部布水槽的防絮網(wǎng)。頂部布水槽防絮網(wǎng)尺寸與每個(gè)布水槽的外形尺寸均相同，同樣采用機(jī)械連接方式將布水槽防絮網(wǎng)與塔頂進(jìn)行穩(wěn)固連接，由于布水槽尺寸較小，因此將外部框架與網(wǎng)幕相融合，不再分別設(shè)置框架及網(wǎng)幕，進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低改造成本。大冷卻塔與小冷卻塔布水槽防絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換，具有較強(qiáng)的通用性（見(jiàn)圖3）。

圖3 冷卻塔頂部布水槽防絮網(wǎng)裝配示意

3.3 冷卻塔防絮裝置風(fēng)量影響程度研究

防絮裝置的加裝勢(shì)必會(huì)對(duì)冷卻塔正常進(jìn)排風(fēng)風(fēng)量造成一定的不利影響。因此需進(jìn)一步研究防絮裝置對(duì)風(fēng)量的影響程度，找出冷卻塔防絮裝置的防護(hù)效果和防絮裝置影響冷卻塔散熱二者間的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)以最小的風(fēng)量影響程度換取最優(yōu)的防絮效果。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，試驗(yàn)分別測(cè)量加裝防絮網(wǎng)及未加裝防絮網(wǎng)兩種工況下，相同冷卻塔、相同風(fēng)扇運(yùn)行頻率、相同點(diǎn)位的風(fēng)速值，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得出防絮裝置對(duì)風(fēng)量的影響情況（見(jiàn)圖4）。

圖4 冷卻塔頂部散熱口風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)位示意

試驗(yàn)選取冷卻塔頂部散熱風(fēng)扇上方同一高度的水平面為測(cè)量基準(zhǔn)，在四個(gè)方向上等距分別選取三個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位，使用電子風(fēng)速儀分別測(cè)量加裝防絮裝置與未加裝防絮裝置的風(fēng)速數(shù)值。對(duì)12 個(gè)測(cè)量點(diǎn)位風(fēng)速數(shù)值加和平均，計(jì)算出平均風(fēng)速（m/s），在乘上散熱風(fēng)扇上方圓形區(qū)域截面積（m2），通過(guò)換算得出風(fēng)量數(shù)值（m3/h）。防絮裝置對(duì)散熱風(fēng)量的影響程度=（未加裝防絮網(wǎng)總風(fēng)量- 加裝防絮網(wǎng)總風(fēng)量）/未加裝防絮網(wǎng)總風(fēng)量≈10%，滿足防絮裝置的初始設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍。

3.4 冷卻塔防絮改造效果

防絮裝置改造工期短，絕大部分生產(chǎn)工藝均在工廠預(yù)制完成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)施工無(wú)焊接等動(dòng)火作業(yè)。大小冷卻塔網(wǎng)幕尺寸一致，具有較強(qiáng)的通用性。日常維護(hù)僅需使用吸塵器清理紗網(wǎng)外部攔截的飛絮，或?qū)Σ糠謸p壞紗網(wǎng)進(jìn)行局部更換，維護(hù)維修成本較低。有效地防止飛絮隨冷卻水流入出水管道堵塞自刷式除污器及循環(huán)泵前除污器，減少日常清理除污器的頻次，由改造前的飛絮季最高每15 分鐘清理一次降低為改造后的每?jī)芍芤淮危馊チ烁脑烨霸O(shè)置專(zhuān)人24小時(shí)不間斷清理除污器的人工成本，顯著降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。防絮裝置網(wǎng)幕與框架通過(guò)卡槽的連接方式，非飄絮季可輕松拆除側(cè)向及頂部的防絮網(wǎng)幕，僅保留框架，不影響冷卻塔的正常散熱運(yùn)行（見(jiàn)圖5）。

圖5 冷卻塔防絮改造前（左）、改造后（右）

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)防絮裝置的研究分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)全年制冷系統(tǒng)冷卻塔的防絮改造，有效地避免了因“飛絮”導(dǎo)致制冷機(jī)組停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，提升系統(tǒng)安全裕度；顯著減少了人工清洗除污器濾網(wǎng)的頻次，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。同時(shí)，該防絮裝置具備較高的通用性與延展性，可在其它制冷系統(tǒng)中深化推廣使用。