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冷却水塔的操作和安全方面优化

冷却水塔安全与优化:冷却水塔的运行和安全方面,复杂度影响可靠性,操作和效率。这将分为两个部分。在这里,我们描述冷却水塔的操作和安全方面。
 
冷却水塔(Cooling tower 缩写CT)是水-空气热交换器,用于将过程中的废热排放到大气中。它们的大小不一,从小型屋顶单元到非常大的双曲面结构,其高度可高达200 m(660 ft),直径可达100 m(330 ft),也可以是大于40 m的矩形结构。高度(130英尺),长80 m(260英尺)。
 
正常运行时,它们可为工厂的安全提供服务,而其故障则可能因过热而导致严重事故。它们的运营成本是水和空气运输成本的总和,因此,如果这些成本最小化(优化),则可以将工厂的运营成本降低很多。 (在IBM的工作中,我们通过优化将工厂的运营成本降低了17%。)
 
本文介绍了不同冷却水塔设计可以提供的安全性(可靠性)级别,以及可以通过优化降低运行成本的控制系统。
 
冷却水塔操作和安全优化

冷却水塔术语和操作
所有的冷却水塔都利用烟囱效应,该效应将外部空气移动通过塔。烟囱效应引起的空气运动取决于底部进入的较冷外部空气与内部空气之间的密度差,该密度较轻,因为它更温暖,更潮湿。空气的湿度随着塔中空气的上升而增加,因为只要水的温度高于空气的湿球温度,它就会不断蒸发。这种蒸发降低了内部空气的密度,并且还导致循环水中的一些损失,这需要补充。随着水的热量传递到空气中,低密度的内部空气上升并吸入塔底的新鲜空气。
 
图1:如果增加塔容量(传热面积)或通过塔的气流,则方法会减少;如果水流量减少,则方法会减少。范围是过程中返回的热水温度(Tin)与工厂的冷却水供应温度(Tout)之差。
 
在自然通风塔中,气流仅由“烟囱效应”引起,而在机械通风塔中,气流被风扇放大,这些风扇位于塔的顶部并拉动空气(感应风扇塔)或位于底部,将空气(强力风扇塔)推过立柱。
 
冷却水塔提供给工厂的水的温度(Tout)始终高于对其进行冷却的空气的湿球温度(Tw)。如果温度计灯泡被湿的,吸水的物质覆盖并暴露在空气中,则蒸发会将灯泡冷却至周围空气的湿灯泡温度。这是干湿计读取的温度。如果空气中充满水,则湿球温度,干球温度和露点温度都将相同。否则,湿球温度高于露点温度,但低于干球温度。
 
Tout只能“接近” Tw,但不能达到。如果塔容量(传热面积)或通过塔的气流增加,而塔的容量减少,则这种方法(A = Tout-Tw)将减小如果水流量减少。 CT的范围(R = Tin-Tout)是从过程中返回的热水温度(Tin)与向工厂供应的冷却水温度(Tout)之间的差。这些术语如图1所示。
 
CT在冬季效率更高(约80%),在夏季效率较低(约65%),在高湿度地区效率也较低。 CT的效率是其范围之比除以其范围之和再加上方法之和的100倍:
 
µ = 100(Tin-Tout)/(Tin-Tw)
 
它们的进水和出水温度之间的温差通常为10-15°F。每冷却10°F,耗水量约为1%。
 
 
冷却系统安全
随着组件数量的减少,所有冷却系统的安全性也会提高。常规工业冷却水塔系统的正常运行取决于空气传输设备(风扇)和水传输设备(泵)的可用性和正常运行。从安全角度来看,最重要的因素是这些组件的电源供应。自然地,可以通过备用(柴油,电池,涡轮等)电源来提高安全性,但是正如我们在许多事故中所看到的那样,备用也可能会失败。
 
冷却系统的组件越多,安全性就越差。从这个角度来看,最不安全的冷却系统是使用冷冻水的冷却系统。在这里,过程热量首先转移到冷冻水,然后从冷冻水转移到冷却水塔水,最后转移到空气。它是最不安全的,因为它由四个组件(冷水泵,冷却器,冷却水塔水泵和冷却水塔风扇)组成,每个组件都可能会导致电源故障或丢失。
 
因此,如果可以将流程重新设计为直接使用CT水进行操作,则会提高工厂的安全性,因此可以省去冷水机。另一方面,如果塔产生的冷水不够冷,则必须先将其送至冷却器进行进一步冷却,然后再送至冷却过程。讨论了冷却系统的安全性和优化控制措施。 “冷却系统的优化”中有详细介绍。
 
直接使用冷却水塔水使工厂更安全,因为其运行只需要CT风扇和泵这两个组件的正常运行即可。这些冷却水塔在工业上使用最广泛。如果风扇是变速的,则它们的冷却能力将变得可变,因为它们产生的水的温度可以通过调节风扇的速度(连续或间歇地)来控制。
 
通过将系统中的操作部件减少到一个(泵),可以进一步提高冷却系统的可靠性。不使用风扇的自然通风冷却水塔就是这种情况。天然通风(双曲面)冷却水塔通常在要求最大安全性的地方使用,例如在核电站中。它们是非常大的高双曲线烟囱,形状像喷嘴。这允许来自环境的凉爽,浓密的外部空气自然地流过塔架的底部,再流到塔顶。空气流动是驱使被冷却的水蒸发的原因。
 
优点包括适用于高负载和高水流量的应用,可靠性,稳定的性能和低维护成本。另一方面,它们的投资成本很高,不适合高干球温度的应用,它们不能非常接近湿球温度或无法提供严密的温度控制,并且效率较低,并且取决于风力和老化,还需要对引起军团病的致病细菌进行良好的清洁。
 
最安全,最可靠的冷却系统完全不需要人工电源,因为它是自动驱动的,使用了始终可用的重力和热膨胀自然能源。这种冷却系统仅是一个概念(它不会“任何地方都不存在”,我在有关安全核的文章中对此进行了描述。