全年制冷系统冷却塔防絮研究

曹培隆

（北京首都机场动力能源有限公司，北京）

1 制冷系统冷却塔概述

冷却塔是用水作为循环冷却剂，利用空气同水的直接接触或者间接接触，从一系统中吸收热量排放至大气中，以降低水温的装置。冷却塔按通风方式分为自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、混合通风冷却塔；按水和空气的流动方向分为逆流式冷却塔、横流式冷却塔、混流式冷却塔[1]。冷却塔主要由冷却塔塔体、电机、风机、填料、布水装置、水管等组成。支架和塔体起到外部支撑的作用，是冷却塔的框架结构；冷却塔内部填料为水和空气提供尽可能大的换热面积，提高冷却效率；冷却水托水盘位于冷却塔底部，用于汇集接收冷却水；冷却塔风扇提高空气的流动速度，提高冷却效率；散水器（布水器）用于将塔顶的冷却水均匀的分布至各个区域，使冷却塔与填料均匀接触散热[2]。

2 大兴机场信息中心全年制冷系统

2.1 系统概况

北京大兴国际机场信息中心作为机场的“神经中枢”，承担着机场范围内例如航班运行、机场指挥、设备保障等在内的全部信息数据的存储、传输、计算等工作职责，素有大兴国际机场“最强大脑”的称号。

信息中心ITC 数据机房制冷系统设计采用全年运行模式，为末端核心数据机房提供365 天*24 小时的不间断冷源供应。一旦系统冷源停供，就将会导致末端数据机房设备的散热量不断累积，设备高温运行将影响数据运行安全。冷却塔作为制冷系统中的重要核心设备，其安全运行与否，直接关系到冷却水系统的冷却效果，影响制冷效率，甚至最终威胁末端数据机房信息设备的正常运行，因此保障冷却塔安全运行至关重要。

2.2 系统组成

北京大兴国际机场信息中心ITC 全年制冷系统设计冷负荷为5 500 KW，制冷机组采用N+1 设计，设两台800RT 离心式冷水机组、两台381.5RT 螺杆式冷水机组。全年制冷系统冷冻水设计供回水温度为12/18 ℃，冷却水设计供回水温度为33/38 ℃。ITC 信息中心楼顶设置6 台冷却塔，其中4 台小塔（填料数量512 片/台）、2 台大塔（填料数量1024 片/台），均为楼顶露天安装。

表1 大兴机场ITC 信息中心冷却塔参数

2.3 飞絮影响情况

自2019 年ITC 全年制冷系统随大兴机场建成投运以来，根据以往对系统的运行与维护经验，每年的3月至5 月北京进入“飘絮”季，大兴机场区域内及周边区域，河道两岸、市政道路两侧及周围村庄，大范围种植杨树、柳树等树木，且机场区域地势相对平摊开阔，非常有利于“飘絮”的产生和传播，机场区域相较北京市区而言，受飞絮影响的程度更深、范围更广。大量的飞絮极易沿冷却塔填料缝隙及塔顶布水槽被吸入屋顶正常运行中的冷却塔，从而进入冷却水循环系统，堵塞循环泵前除污器影响制冷效果，出现安全隐患，甚至出现制冷停供事故。

2.4 冷却塔防絮的目的意义

通过加装防絮装置，可以有效地阻止“飘絮”被吸入进入冷却塔内部，堵塞冷却水循环泵前除污器，导致冷水机组出现“无水流”停机故障；减少日常清洗冷却水系统的自刷式过滤器及循环泵前除污器的频次[3]，显著减轻现场运维人员日常工作量；可以减少系统循环泵等主要用电设备的电能耗量，使系统运行更加经济、节能；有效减轻系统运行隐患风险，提升整体的可靠性及安全性。

3 冷却塔防絮装置研究

3.1 冷却塔侧向填料面防絮网

绝大部分飞絮均沿冷却塔两侧的填料面压接缝隙被吸入冷却塔内部。因此，首要应先解决侧向填料面的放絮问题。冷却塔填料面的尺寸长度较长，因此冷却塔侧向填料面防絮网框架宜采用“田”字形结构设计，框架结构简单且稳固，框架上下分别设置固定卡槽及卡扣，确保框架的稳固。框架与塔身通过机械连接方式进行固定，以确保达到足够的强度。框架用以连接防护网幕与塔身，框架材料选择轻质铝合金。

在框架内，还需安装数个防絮网幕，防絮网幕与家用纱窗类似，可以在框架上下两层的导轨上自由滑动，起到阻隔飞絮的作用，需便于安装及拆卸。大冷却塔与小冷却塔网幕结构、外形尺寸完全相同，防絮网幕之间可以互换使用，具有较强的通用性。防絮网幕纱网采用双层纱网结构，以提高其综合防护性能。外侧纱网选用较高目数，孔洞直径较小，内侧纱网选用较低目数，孔洞直径较大，确保大部分飞絮能够拦截在外侧纱网之外，方便日常清理（见图1、图2）。

图1 小冷却塔侧向填料面防絮网装配示意

图2 大冷却塔侧向填料面防絮网装配示意

3.2 冷却塔顶部布水槽防絮网

少部分飞絮还会沿冷却塔顶部布水槽的孔洞缝隙随水流进入冷却塔内部，为确保冷却塔的综合防絮效果，还需设计、加装针对冷却塔顶部布水槽的防絮网。顶部布水槽防絮网尺寸与每个布水槽的外形尺寸均相同，同样采用机械连接方式将布水槽防絮网与塔顶进行稳固连接，由于布水槽尺寸较小，因此将外部框架与网幕相融合，不再分别设置框架及网幕，进一步简化结构、降低改造成本。大冷却塔与小冷却塔布水槽防絮网结构完全相同，可以互换，具有较强的通用性（见图3）。

图3 冷却塔顶部布水槽防絮网装配示意

3.3 冷却塔防絮装置风量影响程度研究

防絮装置的加装势必会对冷却塔正常进排风风量造成一定的不利影响。因此需进一步研究防絮装置对风量的影响程度，找出冷却塔防絮装置的防护效果和防絮装置影响冷却塔散热二者间的平衡点，实现以最小的风量影响程度换取最优的防絮效果。

通过现场试验的方式，试验分别测量加装防絮网及未加装防絮网两种工况下，相同冷却塔、相同风扇运行频率、相同点位的风速值，建立数学模型，计算得出防絮装置对风量的影响情况（见图4）。

图4 冷却塔顶部散热口风速测量点位示意

试验选取冷却塔顶部散热风扇上方同一高度的水平面为测量基准，在四个方向上等距分别选取三个实验点位，使用电子风速仪分别测量加装防絮装置与未加装防絮装置的风速数值。对12 个测量点位风速数值加和平均，计算出平均风速（m/s），在乘上散热风扇上方圆形区域截面积（m2），通过换算得出风量数值（m3/h）。防絮装置对散热风量的影响程度=（未加装防絮网总风量- 加装防絮网总风量）/未加装防絮网总风量≈10%，满足防絮装置的初始设计目标范围。

3.4 冷却塔防絮改造效果

防絮装置改造工期短，绝大部分生产工艺均在工厂预制完成，结构简单，现场施工无焊接等动火作业。大小冷却塔网幕尺寸一致，具有较强的通用性。日常维护仅需使用吸尘器清理纱网外部拦截的飞絮，或对部分损坏纱网进行局部更换，维护维修成本较低。有效地防止飞絮随冷却水流入出水管道堵塞自刷式除污器及循环泵前除污器，减少日常清理除污器的频次，由改造前的飞絮季最高每15 分钟清理一次降低为改造后的每两周一次，免去了改造前设置专人24小时不间断清理除污器的人工成本，显著降低系统运行成本。防絮装置网幕与框架通过卡槽的连接方式，非飘絮季可轻松拆除侧向及顶部的防絮网幕，仅保留框架，不影响冷却塔的正常散热运行（见图5）。

图5 冷却塔防絮改造前（左）、改造后（右）

结束语

通过对防絮装置的研究分析，实现对全年制冷系统冷却塔的防絮改造，有效地避免了因“飞絮”导致制冷机组停机的风险，提升系统安全裕度；显著减少了人工清洗除污器滤网的频次，有效降低系统运行维护成本。同时，该防絮装置具备较高的通用性与延展性，可在其它制冷系统中深化推广使用。