冷卻塔的節能環保成效評估范文
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采用自然通風冷卻塔，在機械通風冷卻塔中采用低流阻的填料，逆流塔降低淋水密度，橫流塔減少填料在氣流向的寬度，閉塔加大管間距，都能夠有效節能，但以增加占地面積和投資為代價。在某些工業項目中，由于生產工藝的原因，冷卻水來自高塔，因此具有足夠高的余壓，如果能將這部分能量加以利用，也可以起到節能的效果，因此就出現了用水輪機驅動風機的水輪機冷卻塔。其工作流程見圖1，帶著一定速度和壓力的冷卻水從輸水①進入水輪機②，在蝸殼內形成一定的速度環量，經導葉加速后推動葉輪旋轉，這時與葉輪連接的風機③就隨之轉動;在水輪機內作功后的冷卻水再進入布水系統⑤噴淋到填料，完成冷卻。在水質較差的場合，還有一種冷卻塔也利用了冷卻水的余壓-中空旋轉霧化冷卻塔。該塔的主要水氣傳熱傳質部分不用填料，而是水霧與空氣在空間的直接接觸，其核心部件是圖2所示的旋轉式射流布水器。這種布水器的特殊之處在于它將布水噴頭的噴口與水平方向上呈一定的傾角，這樣，在冷卻水噴射而出的時候，冷卻水會給布水器一個反作用力，利用這一反作用力帶動布水器旋轉。將布水器與風機相連，風機就會隨布水器一同轉動。
上述兩種塔都是利用冷卻水的余壓驅動風機，省卻了原來驅動風機的電能，近年來有較多的應用。但必須指出的是，該方法僅適用于有合理余壓的場合，當余壓不足時使用上述方法會影響冷卻效果，如果為達到要求的水壓而用泵增壓則得不償失，此時采用水力與電力混合驅動風機，是既可利用余壓又能保證冷效的正確的途徑。目前，冷卻塔風機的水電混驅技術有待進一步開發與完善。另外，理論與實踐都證明，通過在閉式冷卻塔加裝填料對冷卻水進行預冷卻，如圖3，在冷卻任務相同的條件下，不僅可以大幅減少盤管的使用，而且也可減小氣側和液側的阻力，已成為閉式冷卻塔節能降耗的主要方向。
全工況節能冷卻系統
在空調和工業系統中，各類用戶為響應系統負荷變化的需要，通常都采用多主機配置，冷卻塔根據標準工況選型，由多個冷卻塔構成冷卻塔組成為冷卻終端。根據規范及行業經驗，空調和工業系統的熱力循環按最不利工況設計，而常年則運行于20%～80%負荷間，且由于外界氣候條件變化頻繁(濕球溫度:24h波動5～10℃、空調季波動15℃)而導致負荷波動大，其熱力性能隨之改變，并直接影響到系統的運行。如果能合理規劃和利用冷卻塔組，充分利用非設計負荷時冷卻能力的余量，則可降低主機能耗，提高系統效率，達到全系統節能降耗最大化的目的，比單獨的冷卻塔產品節能更有意義。由此，產生了全工況節能冷卻系統的概念。該系統改變多主機系統中傳統冷卻塔與主機一對一聯動的對應方式，視冷卻為一個獨立整體系統，無論環境條件、主機負荷、冷卻水流量和熱量如何變動，均對所有冷卻塔進行相對均勻播水，充分利用全部填料的傳質散熱面積，通過將水路連通運行和調節風機開啟數，可以達到比變頻調節更好的節能性價比。
當然，該系統有三項關鍵性技術，一是變流量下保證全路均勻布水的分配裝置;二是為避免氣流短路在冷卻塔組出風口加裝的自力式整流止回風閥;三是不同熱負荷及環境干濕球溫度條件下，冷卻逼近度與風機功耗及冷機COP或工業系統能效比關系的自優化控制及塔組模塊運行狀態自追蹤調整技術的開發。圖4為適用于全工況節能冷卻系統的冷卻塔組。該系統通過精確實時感測末端負荷、循環流量和壓力、送風系統參數、以及與之相匹配的主設備的運行參數和冷卻系統的運行需求，按優化控制方案實時控制，在系統部分負荷時，為主機提供最理想的冷卻水溫(而不是設計標況)，達到提高主機COP而降低主機能耗的效果，從而確保全系統處于高效率、低能耗、穩定可靠的最佳工況運行，并實現所有設備運行及能耗狀況均可見、可查、可控、可管的易操作、便維護、好管理的智能高效節能控制狀態。
環境友好型冷卻塔的發展
1低噪聲冷卻塔
在玻璃纖維增強塑料冷卻塔的國家標準(GB7190.1-2008和GB7190.2-2008)中對其噪聲和噪聲測試方法都有詳細描述。其中，對于噪聲要求最高的超低噪小型冷卻塔的噪聲要求為55dB(A)。然而依據2008年出臺的GB3096-2008聲環境質量標準，按照環境噪聲晝間高于夜間、交通干道高于工礦區、工礦區高于居民區的分類標準，連超低噪的小型冷卻塔在居民區也只能白天工作，這既不符合冷卻塔的使用需求，同時又限制了用戶對冷卻塔的選擇，所以，盡量降低冷卻塔的噪聲成了開發者和改造者面臨的一大課題。冷卻塔的噪聲產生主要有兩大原因:一是電機、風機噪聲，二是淋水噪聲，其中風機噪聲所占比例更大。針對電機、風機噪聲，生產廠家多選擇使用低噪電機、風機，并且適當地調整風機葉片的角度，實驗表明，在風機和電機確定的情況下，適當調整葉片角度可以使冷卻塔根據國家標準測試的噪聲值最大降低約3dB。針對淋水噪聲，冷卻塔廠家多數采用加深水盤的策略，還有部分廠家對填料進行了親水處理，并細化了填料上的波紋，這些措施都在一定程度上降低了淋水噪聲。在冷卻塔的改造施工中，大型冷卻塔多采用建造隔音吸聲墻方法，中小型冷卻塔多數通過在塔內加裝吸音材料或是在風機出口加裝消音器和吸音棉來降低噪聲，據文獻記載，以上方法均具有良好的降噪效果。
2特殊環境下的冷卻塔
空氣經過冷卻塔后的溫度和相對濕度都比較高，在雨季、冬季或是一些濕度較大的地區，高溫高濕的空氣排出時遇到外界冷空氣，冷凝產生小液滴，形成了白霧。隨著城市的發展，尤其是安裝在市中心地區或者機場等特殊區域的冷卻塔，必須保證不產生白霧。國內外對于防白霧的技術已有較豐富的研究，主要是采用分段冷卻的方法降低出口空氣的溫濕度，從而避免白霧的產生。在西北干旱的地區，常年風沙嚴重，裹挾著大量沙土的風進入冷卻塔，會影響冷卻塔的正常運行甚至造成被迫停機。針對這一問題，現在業內多采用在進風口和出風口加裝百葉窗和風閥的辦法盡量減少沙土進入冷卻塔，也有在水缸中加裝排沙裝置，定期清理的案例，但實際應用表明這些方式效果不很理想，并未從根本上解決沙土和水的矛盾，所以冷卻塔防沙技術還有待進一步開發。防凍是閉式冷卻塔使用中比較突出的一個問題。在較寒冷地區，冬季停機之后，如果盤管內排水不暢不凈，結冰后很容易凍裂盤管，造成設備事故。要在冬天保護閉塔，首先可以考慮給盤管一個傾角，加裝排水閥，冬季停機后主動排水，降低凍裂風險;或者采用耐凍的材料代替金屬做成盤管，比如采用工程塑料，不僅可以抗凍，而且有耐腐、阻垢、降噪的作用，但由于管材導熱系數的影響，采用小管徑以增加換熱面積是其發展的方向。圖5為一臺采用PE-R材料的毛細管網制成的冷卻塔，其技術經濟性已經具有實用價值。
3間接蒸發冷卻系統
間接蒸發冷卻系統是20世紀90年代末期開始出現的一種經過二次冷卻來降低空氣溫度的送風技術，其裝置圖見圖6。其基本原理簡述如下:二次空氣與噴淋水在冷卻塔內換熱，換熱后分別將二者收集起來。一次空氣先進入氣-氣換熱器內與換熱后的二次空氣換熱，然后進入水-氣換熱器，與換熱后的冷卻水換熱，最后從出風口出來成為送風。在實際應用中，可以分兩種情況使用以達到最好的效果。①當使用在氣候干燥的地區(其干濕球溫度相差較大)時，可以直接使用自然界空氣直接作為一次空氣和二次空氣，此時送風的溫度基本可以達到當地的濕球溫度;②當系統運行在非干燥地區(其干濕球溫度相差不大)時，則應使用自然界空氣作為一次空氣，而選擇室內的空氣作為二次空氣，因為室內空氣的濕球溫度相對較低，甚至會低于室外環境的露點溫度，這樣有利于給一次空氣進一步去濕降溫。使用間接蒸發冷卻技術，可以最大程度降低空氣的溫度，尤其是在干燥的地區，還可以減少制冷劑的使用。因此，間接冷卻技術是一種較好的節能環保技術。
節能型和環保型冷卻塔的經濟社會效益分析
1海水代替淡水冷卻產生的社會效益
以一臺300兆瓦的火電機組為例，冷卻水用量可達36000t/h，按6%的水耗計，如果采用海水冷卻塔，意味著不僅節約了36000t/h的淡水循環量，而且每年節約淡水消耗近1892萬噸，可以供6.85萬戶普通家庭使用超過一年的時間。可見海水冷卻塔創造的社會效益之巨大。
2利用系統余壓帶來的經濟效益
應用水輪機冷卻塔和中空旋轉霧化冷卻塔，可以利用系統余壓，將水的勢能轉化為風機的動能，節約電能。根據國家標準規定，中小型工業冷卻塔的耗電比不大于0.05kW/(m3•h)，其它中小型冷卻塔的耗電比不大于0.035kW/(m3•h)，大型冷卻塔的耗電比不大于0.045kW/(m3•h)。可利用系統余壓的大多為化工行業。如取某化工廠的冷卻水用量為7000m3/h，使用大型工業冷卻塔，則按照標準耗電量為315kW，因此采用水力替代電力驅動風機，每年可以節約電能為276萬度。按工業用電平均1元/度計算，一年約可為企業節約電費276萬元。既節省了電力資源，又給企業創造了經濟效益，可謂兩全其美。
3冷卻系統優化對熱力系統的貢獻
給出了電力行業不同機組在冷卻塔出口水溫上升1℃時運行經濟性的變化，見表1。通過擬合(見圖7)得到煤耗量隨機組容量成指數型變化，具體關系為:y=582.82ln(x)－1663.7，擬合時R2值為0.9476。煤耗量增加造成效率的降低以及煤耗率和熱耗率的增加，對機組運行有不良影響。相反，如果冷卻塔的出口溫度降低1℃，對于一個350MW的機組來說，可節省煤耗量1808t/a，按照現在煤炭價格600元/噸的價格計算，每年僅燃煤消耗即可節約108.48萬元，同時還能提高機組的運行效率0.242%。可見，冷卻塔應用于熱力系統中，首先要保證系統正常運行，不能僅僅為了降低冷卻塔的能耗而影響了系統運行，這樣就得不償失了。所以，推廣全工況冷卻塔組的應用，從整個熱力系統的角度出發才能真正達到節能降耗的目的。
再分析一個某服裝企業中央空調的例子。該中央空調系統年運行率為60%，有4臺550冷噸(共折8500kW)的冷卻機，末端配8臺250水噸的冷卻塔(按0.035千瓦/水噸基準電耗，共70kW)，8臺冷卻水泵共240kW，按2.3節所述組成冷卻塔組，冷卻系統的平均節能率為15%，并且冷卻水溫平均降1℃，主機節能3%，，則用戶年節電:［(70+240)×0.15+8500×0.03］×365×24×0.6÷10000=158.5萬度。單位用電均價按1元/度計，則用戶年節電效益為158.5萬元。按照供電煤耗350g/kW•h轉換成554.75噸標煤，則每年共減少2034噸的二氧化碳排放。
結論
冷卻塔雖是一個傳統的行業，但是肩負節約水資源的重任，發展潛力很大，市場前景廣闊，節能、節水空間巨大。尤其是新技術和新思想的應用，不僅給冷卻塔行業帶來了進步，同時給行業發展提出了新的挑戰，更使得冷卻塔在系統中能夠充分發揮作用，使得系統向資源節約型和環境友好型逐步發展，推動社會的進步。
作者：劉婧楠章立新尹證沈艷單位：上海理工大學能源與動力工程學院北京玻璃鋼研究設計院有限公司上海同馳換熱設備有限公司