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冷卻水塔的操作和安全方面優化

冷卻水塔安全與優化:冷卻水塔的運行和安全方面,復雜度影響可靠性,操作和效率。這將分為兩個部分。在這里,我們描述冷卻水塔的操作和安全方面。
 
冷卻水塔(Cooling tower 縮寫CT)是水-空氣熱交換器,用于將過程中的廢熱排放到大氣中。它們的大小不一,從小型屋頂單元到非常大的雙曲面結構,其高度可高達200 m(660 ft),直徑可達100 m(330 ft),也可以是大于40 m的矩形結構。高度(130英尺),長80 m(260英尺)。
 
正常運行時,它們可為工廠的安全提供服務,而其故障則可能因過熱而導致嚴重事故。它們的運營成本是水和空氣運輸成本的總和,因此,如果這些成本最小化(優化),則可以將工廠的運營成本降低很多。 (在IBM的工作中,我們通過優化將工廠的運營成本降低了17%。)
 
本文介紹了不同冷卻水塔設計可以提供的安全性(可靠性)級別,以及可以通過優化降低運行成本的控制系統。
 
冷卻水塔操作和安全優化

冷卻水塔術語和操作
所有的冷卻水塔都利用煙囪效應,該效應將外部空氣移動通過塔。煙囪效應引起的空氣運動取決于底部進入的較冷外部空氣與內部空氣之間的密度差,該密度較輕,因為它更溫暖,更潮濕??諝獾臐穸入S著塔中空氣的上升而增加,因為只要水的溫度高于空氣的濕球溫度,它就會不斷蒸發。這種蒸發降低了內部空氣的密度,并且還導致循環水中的一些損失,這需要補充。隨著水的熱量傳遞到空氣中,低密度的內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,則方法會減少;如果水流量減少,則方法會減少。范圍是過程中返回的熱水溫度(Tin)與工廠的冷卻水供應溫度(Tout)之差。
 
在自然通風塔中,氣流僅由“煙囪效應”引起,而在機械通風塔中,氣流被風扇放大,這些風扇位于塔的頂部并拉動空氣(感應風扇塔)或位于底部,將空氣(強力風扇塔)推過立柱。
 
冷卻水塔提供給工廠的水的溫度(Tout)始終高于對其進行冷卻的空氣的濕球溫度(Tw)。如果溫度計燈泡被濕的,吸水的物質覆蓋并暴露在空氣中,則蒸發會將燈泡冷卻至周圍空氣的濕燈泡溫度。這是干濕計讀取的溫度。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,但不能達到。如果塔容量(傳熱面積)或通過塔的氣流增加,而塔的容量減少,則這種方法(A = Tout-Tw)將減小如果水流量減少。 CT的范圍(R = Tin-Tout)是從過程中返回的熱水溫度(Tin)與向工廠供應的冷卻水溫度(Tout)之間的差。這些術語如圖1所示。
 
CT在冬季效率更高(約80%),在夏季效率較低(約65%),在高濕度地區效率也較低。 CT的效率是其范圍之比除以其范圍之和再加上方法之和的100倍:
 
µ = 100(Tin-Tout)/(Tin-Tw)
 
它們的進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%。
 
 
冷卻系統安全
隨著組件數量的減少,所有冷卻系統的安全性也會提高。常規工業冷卻水塔系統的正常運行取決于空氣傳輸設備(風扇)和水傳輸設備(泵)的可用性和正常運行。從安全角度來看,最重要的因素是這些組件的電源供應。自然地,可以通過備用(柴油,電池,渦輪等)電源來提高安全性,但是正如我們在許多事故中所看到的那樣,備用也可能會失敗。
 
冷卻系統的組件越多,安全性就越差。從這個角度來看,最不安全的冷卻系統是使用冷凍水的冷卻系統。在這里,過程熱量首先轉移到冷凍水,然后從冷凍水轉移到冷卻水塔水,最后轉移到空氣。它是最不安全的,因為它由四個組件(冷水泵,冷卻器,冷卻水塔水泵和冷卻水塔風扇)組成,每個組件都可能會導致電源故障或丟失。
 
因此,如果可以將流程重新設計為直接使用CT水進行操作,則會提高工廠的安全性,因此可以省去冷水機。另一方面,如果塔產生的冷水不夠冷,則必須先將其送至冷卻器進行進一步冷卻,然后再送至冷卻過程。討論了冷卻系統的安全性和優化控制措施。 “冷卻系統的優化”中有詳細介紹。
 
直接使用冷卻水塔水使工廠更安全,因為其運行只需要CT風扇和泵這兩個組件的正常運行即可。這些冷卻水塔在工業上使用最廣泛。如果風扇是變速的,則它們的冷卻能力將變得可變,因為它們產生的水的溫度可以通過調節風扇的速度(連續或間歇地)來控制。
 
通過將系統中的操作部件減少到一個(泵),可以進一步提高冷卻系統的可靠性。不使用風扇的自然通風冷卻水塔就是這種情況。天然通風(雙曲面)冷卻水塔通常在要求最大安全性的地方使用,例如在核電站中。它們是非常大的高雙曲線煙囪,形狀像噴嘴。這允許來自環境的涼爽,濃密的外部空氣自然地流過塔架的底部,再流到塔頂??諝饬鲃邮球屖贡焕鋮s的水蒸發的原因。
 
優點包括適用于高負載和高水流量的應用,可靠性,穩定的性能和低維護成本。另一方面,它們的投資成本很高,不適合高干球溫度的應用,它們不能非常接近濕球溫度或無法提供嚴密的溫度控制,并且效率較低,并且取決于風力和老化,還需要對引起軍團病的致病細菌進行良好的清潔。
 
最安全,最可靠的冷卻系統完全不需要人工電源,因為它是自動驅動的,使用了始終可用的重力和熱膨脹自然能源。這種冷卻系統僅是一個概念(它不會“任何地方都不存在”,我在有關安全核的文章中對此進行了描述。
 

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