冷卻水塔的操作和安全方面優(yōu)化

冷卻塔安全和優(yōu)化：在冷卻塔操作和安全方面，復(fù)雜性會影響可靠性、操作和效率。這將分為兩部分。在這里，我們描述了冷卻水塔的操作和安全方面。

冷卻塔（簡稱CT）是一種水-氣熱交換器，用于將過程產(chǎn)生的廢熱排放到大氣中。它們的尺寸各不相同，從小型屋頂單元到高度可達(dá) 200 米（660 英尺）、直徑可達(dá) 100 米（330 英尺）的超大型雙曲面結(jié)構(gòu)，以及大于 40 米的矩形結(jié)構(gòu)。高度（130 英尺），長度 80 m（260 英尺）。

在正常運行中，它們?yōu)楣S的安全服務(wù)，但它們的故障可能會因過熱而導(dǎo)致嚴(yán)重事故。它們的運營成本是水運和空運成本的總和，因此如果將這些成本最小化（優(yōu)化），工廠的運營成本可以大幅降低。（在 IBM 的工作中，我們通過優(yōu)化將工廠的運營成本降低了 17%。）

本文描述了不同冷卻塔設(shè)計可以提供的安全級別（可靠性），以及通過優(yōu)化可以實現(xiàn)的目標(biāo)優(yōu)化降低運營成本的控制系統(tǒng)。

冷卻塔術(shù)語和操作

所有冷卻塔都利用煙囪效應(yīng)，這效果使外部空氣通過塔。煙囪效應(yīng)引起的空氣流動取決于從底部進(jìn)入的較冷的外部空氣與內(nèi)部空氣之間的密度差，內(nèi)部空氣更輕，因為它更溫暖、更潮濕。空氣的濕度隨著塔內(nèi)空氣的上升而增加，因為只要水的溫度高于空氣的濕球溫度，它就會繼續(xù)蒸發(fā)。這種蒸發(fā)降低了內(nèi)部空氣的密度，也會造成循環(huán)水的一些損失，需要補(bǔ)充。隨著水的熱量傳遞到空氣中，低密度的內(nèi)部空氣上升并吸入塔底的新鮮空氣。

圖1：如果增加塔容量（傳熱面積）或通過塔的氣流，方法減小；如果你減少水流量，方法就會減少。該范圍是從工藝返回的熱水溫度 (Tin) 與工廠冷卻水供應(yīng)溫度 (Tout) 之間的差值。

在自然通風(fēng)的塔中，氣流僅由“煙囪效應(yīng)”引起，而在機(jī)械底部，推動空氣（強(qiáng)大的風(fēng)扇塔）通過立柱。

冷卻塔供應(yīng)給工廠的水的溫度（Tout）總是高于冷卻它的空氣的濕球溫度（Tw）。如果溫度計的燈泡上覆蓋著潮濕的吸水物質(zhì)并暴露在空氣中，蒸發(fā)會使燈泡冷卻到周圍空氣的濕球溫度。這是干濕表讀取的溫度。如果空氣中充滿水，則濕球溫度、干球溫度和露點溫度都將相同。否則，濕球溫度高于露點溫度，但低于干球溫度。

Tout只能“接近”Tw，而不能到達(dá)。如果塔容量（傳熱面積）或通過塔的氣流增加，這種方法 (A = Tout-Tw) 將減少，而如果水流量減少，塔容量將減少。 CT 的范圍（R = Tin-Tout）是從工藝返回的熱水溫度 (Tin) 與供應(yīng)給工廠的冷卻水溫度 (Tout) 之間的差值。這些項如圖 1 所示。

CT 在冬季效率較高（約 80%），在夏季效率較低（約 65%），在高濕度地區(qū)效率較低。 CT 的效率是其范圍除以其范圍之和加上方法之和的比率的 100 倍：

μ = 100(Tin-Tout)/(Tin-Tw)< p>它們的進(jìn)水和出水溫度之間的溫差通常為 10-15°F。每冷卻 10°F，耗水量約為 1%。

冷卻系統(tǒng)安全

隨著組件數(shù)量的減少，整體冷卻系統(tǒng)的安全性提高了。傳統(tǒng)工業(yè)冷卻塔系統(tǒng)的正常運行取決于空氣傳輸設(shè)備（風(fēng)扇）和輸水設(shè)備（泵）的可用性和正常運行。從安全的角度來看，最重要的因素是這些組件的電源。當(dāng)然，使用備用電源（柴油、電池、渦輪增壓等）可以提高安全性，但正如我們在許多事故中看到的那樣，備用電源也可能會失敗。

冷卻系統(tǒng)的組件越多，安全性就越差。從這個角度來看，最不安全的冷卻系統(tǒng)是使用冷凍水的冷卻系統(tǒng)。在這里，工藝熱量首先傳遞給冷凍水，然后從冷凍水傳遞給冷卻塔水，最后傳遞給空氣。它是最不安全的，因為它由四個部件組成（冷水泵、冷水機(jī)、冷卻塔水泵和冷卻塔風(fēng)扇），每個部件都可能導(dǎo)致停電或損失。

因此，如果可以重新設(shè)計流程以直接使用 CT 水運行，將提高工廠的安全性，從而消除對冷卻器的需求。另一方面，如果塔出的冷水不夠冷，必須先送冷水機(jī)進(jìn)一步冷卻，然后再送冷卻工序。討論了冷卻系統(tǒng)的安全和優(yōu)化控制措施。在“冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化”中有詳細(xì)描述。

直接使用冷卻塔水使工廠更安全，因為只有 CT 風(fēng)扇和泵這兩個組件才能正常運行。這些冷卻塔在工業(yè)中使用最廣泛。如果風(fēng)扇是變速的，那么它們的冷卻能力就會變得可變，因為它們產(chǎn)生的水的溫度可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的速度（連續(xù)或間歇）來控制。

通過將系統(tǒng)中的運行部件減少為一個（泵），可以進(jìn)一步提高冷卻系統(tǒng)的可靠性。不使用風(fēng)扇的自然通風(fēng)冷卻塔就是這種情況。自然通風(fēng)（雙曲面）冷卻塔通常用于需要最大安全性的地方，例如核電站。它們是非常大的高雙曲線煙囪，形狀像噴嘴。這使得來自環(huán)境的涼爽、稠密的外部空氣可以自然地流經(jīng)塔底并到達(dá)頂部?？諝饬鲃邮球?qū)動冷卻水蒸發(fā)的原因。

優(yōu)點包括適用于高負(fù)載和高水流應(yīng)用、可靠性、一致的性能和低維護(hù)。另一方面，它們投資成本高，不適合高干球溫度應(yīng)用，它們不能非常接近濕球溫度或提供嚴(yán)格的溫度控制，效率較低，并且取決于風(fēng)和老化，也需要控制誘發(fā)軍團(tuán) 良好的清潔可以預(yù)防致病細(xì)菌。

最安全、最可靠的冷卻系統(tǒng)完全不需要人工動力，因為它是自驅(qū)動的，使用始終可用的自然重力和熱膨脹能量。這個冷卻系統(tǒng)只是一個概念（它并不“存在于任何地方”，我在關(guān)于安全核心的文章中對此進(jìn)行了描述。