李焱　姚姍姍

【摘要】冷卻水塔普遍應(yīng)用在發(fā)電廠、化學(xué)工廠、鋼鐵廠及大型冷凍空調(diào)系統(tǒng)。上述場所產(chǎn)生或消耗的電量都極為龐大，其操作系統(tǒng)的熱效率可經(jīng)由冷卻水塔效能改善及操作調(diào)節(jié)而得到提升。本研究構(gòu)想評估既有冷卻水塔的效能，及提出改善診斷，以期在節(jié)能減碳上能有所貢獻。

【關(guān)鍵詞】冷卻；水塔；效能；評估

一、系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)中包含一座冷卻水塔（CT-4）、兩部汽輪發(fā)電機CT-4藉由塔頂六座風(fēng)扇并提供固定約2.1×107kg/hr冷卻水量供兩部TG的冷凝器冷卻水降溫。而CT-4即為本研究對象。

一般冷卻水塔包含若干個風(fēng)扇與數(shù)個泵，并會有其相對應(yīng)的汽輪機、鼓風(fēng)機或其他設(shè)備。冷卻水入口溫度大約在40℃上下，冷卻水出口溫度大約在32℃上下。冷卻水塔經(jīng)由風(fēng)扇將空氣吸入塔中與冷卻水做熱交換。風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)模式分為高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速或多段變頻。

冷卻水塔冷卻水提供若干個汽輪機、鼓風(fēng)機或其他設(shè)備的冷凝器使用，冷卻水與風(fēng)扇所吸入的空氣做能量與質(zhì)量的交換以達到冷卻之用，外氣濕球溫度對冷卻水塔的效能影響甚巨，因此整體系統(tǒng)的優(yōu)化操作中，濕球溫度為一重要因素。

研究過程需要完整的操作數(shù)據(jù)，如冷卻水出入口溫度、冷卻水出入口水流量、風(fēng)扇電流量等，以分析建立冷卻水塔性能評估。

二、冷卻水塔

冷卻水塔對于石化廠、發(fā)電廠及空調(diào)設(shè)備的冷凝器及熱交換器的冷卻循環(huán)水的降溫應(yīng)用非常重要，塔內(nèi)裝有填充材料促使汽液接觸良好，溫水經(jīng)由分散噴嘴、板路或管路溢流分配于填料間，空氣則藉由強制通風(fēng)或誘導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)扇向上吹送穿過冷卻水塔的填料，或利用其他設(shè)計使空氣藉由自然對流進入。主要可分為自然通風(fēng)式冷卻水塔與機械通風(fēng)式冷卻水塔。

本研究中冷卻水塔為一機械引導(dǎo)通風(fēng)橫流式如圖2所示，總尺寸為60m×22.55m×22.04m，并設(shè)有四部離心式泵浦，主要功能是提供冷卻水給TG-6與TG-7的主機冷凝器，用以冷卻作功后的蒸汽以維持其真空度，經(jīng)過熱交換后的溫水則回收至冷卻水塔予以強制冷卻，供再次循環(huán)使用，因為系統(tǒng)中CT-4冷卻循環(huán)水量約為定值，因此不列入模型中。

CT-4冷卻水塔，共分成6個單位，塔底每單位設(shè)置6個水池，在氣、液能量與質(zhì)量交換過程中所蒸發(fā)的水量或溢散的水量，會經(jīng)由補水而保持其冷卻循環(huán)水的流量穩(wěn)定，塔頂共設(shè)有460V風(fēng)扇6座，每座負責(zé)一個單元，分為高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩段速度控制式，電流量則分別為200A與40A，可視其運轉(zhuǎn)需要作選擇。

三、冷卻水塔空氣進出口溫度濕度

在每座風(fēng)扇的空氣出口端，至少安排兩支以上溫度計，六個風(fēng)扇共配置了20支溫度計。因為出口空氣溫度是影響能量平衡計算的重要變量，而且受到風(fēng)扇影響，出口空氣的擾動相當(dāng)大。多配置幾支溫度計可確保出口空氣溫度的準確性，可以拿溫度計交叉比對來做確認，或者進一步研究風(fēng)扇之間的相互關(guān)系。出口空氣無配置濕度計，乃是由于在現(xiàn)場觀測冷卻水塔時，發(fā)現(xiàn)出口空氣中已含有水氣，因此可假設(shè)出口空氣濕度已達飽和，亦即相對濕度達到100%來做計算。影響能量平衡計算的主要因素還包括空氣入口端的溫濕度數(shù)值，因此也需在此配置溫度計與濕度計。少了風(fēng)扇的擾動，在此配置一個溫度計與濕度計就夠了。需注意的是，溫濕度計要與水塔保持距離，以避免冷卻水塔內(nèi)的冷卻水影響溫度與濕度的測量值。但也不能離得太遠，確保量到的空氣確實進入冷卻水塔中。因此在距離入風(fēng)口二至三公尺的距離配置一個溫度計與濕度計。相關(guān)溫濕度測量儀器配置完成后后，即可著手收集數(shù)據(jù)，開始進行風(fēng)量計算的工作。

四、CTI效能評估方法簡介

1.測試時，濕球溫度不高于設(shè)計值30F；不低于設(shè)計值70F，且1小時內(nèi)誤差不超過20F。2.測試時，溫差介于設(shè)計值上下20%以內(nèi)，變化幅度在5%以內(nèi)。3.測試時，循環(huán)水介于設(shè)計值上下10%以內(nèi)，變化幅度在5%以內(nèi)。4.測試時，熱負荷介于設(shè)計值上下20%以內(nèi)，變化幅度在5%以內(nèi)。

前置作業(yè)完成后，即可開始進行測試與搜集數(shù)據(jù)并對冷卻水的效能作評估。CTI方法，先由關(guān)系式求得液氣比（L/G），再取測試區(qū)間冷卻水出入口溫度與濕球溫度的平均值計算KaV/L值。將求得的KaV/L值與（L/G）值標示于原設(shè)計曲線圖上，由此點畫一平行于原特性曲線的直線，交于狀態(tài)曲線于一點，往下即可求得相同于設(shè)計條件的（L/G）值。此值與（L/G）的比值即為效率值。CTI也有提到，他們建立的效能評估方法其準確度可能會受下列四點影響。

1.測試時，冷卻水流量與設(shè)計值差異太大。2.測試時，冷卻水的溫差和濕球溫度與設(shè)計值差異太大。3.每一座冷卻水塔的特性曲線，不一定皆為A×e-0.6（A為常數(shù)）。4.風(fēng)扇耗電功率的變化略小于實際風(fēng)量變化。當(dāng)測試時冷卻水量和風(fēng)扇耗電功率與設(shè)計值愈接近，上述第3及第4點造成的誤差就愈小。

以本研究的冷卻水塔為例，本冷卻水塔因為與汽輪發(fā)電機相聯(lián)結(jié)，操作員為了避免發(fā)電機組過熱，造成當(dāng)機，因此冷卻水量無法任意調(diào)整。冷卻水量太多，則提升操作成本；冷卻水量太少，則可能會造成過熱當(dāng)機。再加上濕球溫度受天氣影響無法控制，而且工廠操作冷卻水塔皆有安全或利潤上的考慮，工廠的操作員也會去調(diào)整冷卻水塔風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)扇耗電功率改變，間接影響出口水溫、溫差等變量。因此本冷卻水塔無法維持操作條件在設(shè)計值附近，若以CTI的方法來評估本冷卻水塔的效能，則會造成誤差，其準確度會受影響。所以，CTI的方法不能適用于所有在工廠中運作的冷卻水塔。

五、CTI效能評估方法改良

1.以能量平衡來計算風(fēng)扇的風(fēng)量，減少風(fēng)扇耗電功率與風(fēng)量關(guān)系式的誤差，增加風(fēng)量數(shù)值的準確性。2.建立冷卻水塔運轉(zhuǎn)模式的模型，以此模型來描述冷卻水塔的行為，如此一來，即可對冷卻水塔在正常操作外的行為做預(yù)測。3.以不同的風(fēng)扇操作來計算液氣比與特性值，如此可建立較完整的特性曲線，不會因為特性曲線為A×e-0.6的假設(shè)，而造成誤差。

總結(jié)

以此方法來取代CTI的方法，即可減少CTI效能評估的誤差，建立較完整的特性曲線，其效率計算結(jié)果也較為客觀。本效能評估方法計算結(jié)果，冷卻水塔效率值為46.7%，而CTI效能評估方法計算結(jié)果，冷卻水塔效率值則為76.3%。兩者有段差距，以現(xiàn)場觀測判斷效率值不可能還有70%，顯然CTI的方法在效能評估上有誤差，CTI的方法高估了本冷卻水塔的效率。

參考文獻

[1]張學(xué)鐳.冷卻塔冷卻性能的評價模型[J].汽輪機技術(shù)，2002（05）.