Эксплуатация в холодную погоду градирен связанных с системами холодоснабжения с водяным охлаждением конденсатора

Предисловие

Данная статья рассматривает особенности работы в холодную погоду, градирен открытого типа, связанных с системами холодоснабжения с водяным охлаждением конденсатора водоохлаждающей машины, включая те, которые также оснащены водяным экономайзерами.

Системы холодоснабжения с водяным охлаждением предлагают самый низкий энергозатратный вариант для большинства задач охлаждения. Многие здания требуют охлаждения круглый год и используют воздушные или водяные экономайзеры для дальнейшего снижения энергопотребления. Действительно, стандарт ASHRAE 90.1-2013 расширил использование экономизации в большем количестве климатических зон. Для тех зданий, которые используют водяные экономайзеры, градирни должны работать круглый год, как и более ориентированные на специальные объекты, такие как центры обработки данных.

Многие проектировщики и операторы систем холодоснабжения, предназначенных для работы в условиях холодного климата, обеспокоены эксплуатацией испарительных градирен при температурах ниже нуля. Следуя некоторым простым правилам эксплуатации, такие градирни могут и успешно эксплуатируются при отрицательных температурах наружного воздуха (ниже -15°C), как показано на фотографии выше.

"Устойчивыми условиями замерзания", считаются продолжающиеся, например, более 24 часов параметры наружного воздуха с температурой влажного термометра, не превышающей 0 °С, поскольку при этом не будет существовать ежедневного цикла замерзания-оттаивания. Также при этом следует учитывать скорость ветра и другие факторы. В целом, когда в прогнозе погоды прогнозируется фактор охлаждения ветром ниже 0 °С в течение более суток, операторы систем холодоснабжения должны реализовать свою специальную "низкотемпературную" стратегию их эксплуатации. Предпочтительно, чтобы такая стратегия была встроена в конструкцию агрегатов системы, автоматизирована и использовалась постоянно.

По сравнению с системами комфортного охлаждения центры обработки данных должны работать круглый год с высоким коэффициентом нагрузки, в результате чего размер градирни будет определяться ее производительностью в холодную погоду. Это может привести к тому, что градирня будет слишком большой для летнего режима. Так, градирни, работающие в режиме водяного экономайзера, должны вырабатывать температуру воды, которая по крайней мере равна или ниже температуры охлажденной воды, которая в противном случае вырабатывалась бы при работе стандартной водоохлаждающей машины. Также следует отметить, что при незначительной загрузки таких центров обработки данных, а это обычно происходит в первые годы эксплуатации, существуют потенциальные условия замерзания из-за большего размера градирни.

Эксплуатация градирен в холодную погоду

Общие сведения

Градирни успешно эксплуатируются при самых суровых климатических параметрах, в том числе и при температурах ниже нуля по всему миру. Чем холоднее погода, тем важнее соблюдать относительно простые правила и принимать меры предосторожности, чтобы избежать проблем с эксплуатацией. Полностью загруженные центры обработки данных на самом деле являются идеальными кандидатами для экономии воды в условиях холодного климата благодаря высокой круглогодичной тепловой нагрузке.

Основные принципы эксплуатации градирен в холодную погоду

• Не эксплуатировать градирни без тепловой нагрузки и не эксплуатировать их без присмотра в многодневные периоды непрерывной отрицательной температуры.

• Поддерживать в любое время минимальный или больший расчетный расход воды через ороситель градирни.

• Для любого расхода, задаваемого оператором, необходимо соблюдать осторожность, чтобы поддерживать по крайней мере минимальный расход, указанный производителем градирни на каждую секцию с вентилятором. Количество секций, получающих воду, должно быть скорректировано для поддержания минимального расхода на секцию, требуемого производителем градирни. Секции градирни должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить как минимум 50%-ное снижение расхода воды.

• Если желаемый расход воды контура конденсатора системы снижается ниже минимума, количество секций должно быть уменьшено одновременно, чтобы расход был больше или равен минимальному расходу на секцию.

• Производитель градирни может увеличить минимальный процент расхода до более низкого значения, используя внутренние конструкции распределения воды в секции, которые обеспечивают низкий расход путем соответствующего уменьшения активной площади сечения градирни (например, перегородки для накопителей с горячей водой или переливные стаканы для поперечноточной градирни), сохраняя при этом внутреннюю часть градирни влажной и нагретой.

• Управлять потоком воздуха для поддержания температуры воды выше точки замерзания в оросителях во всех работающих секциях градирни.

Поддерживать постоянной тепловую нагрузку.

Без тепловой нагрузки вода, протекающая через градирню, в конечном итоге достигнет температуры воздуха по влажному термометру или превратится в лед, в зависимости от того, что произойдет раньше, как показано на Рисунке 1. Это произойдет быстро если вентиляторы выключены, а при работающих вентиляторах — медленнее. Следует обратить внимание, что температура влажного термометра управляет испарительным теплопереносом и равна или ниже температуры по сухому термометру. Например, при температуре сухого термометра 2°С, выше обычно предполагаемых условий замерзания, температура влажного термометра часто может быть ниже 0°С — и вода, протекающая через градирню без надлежащей тепловой нагрузки, может замерзнуть.

Рисунок 1. Температура воды приближается к точке замерзания по мере снижения тепловой нагрузки.

Проявление внимания. Независимо от того, насколько автоматизирована работа градирни, необходимо регулярно проверять ее в условиях устойчивых отрицательных наружных температур. Наблюдения периодически можно осуществлять с помощью удаленных камер, которые передают изображение в диспетчерскую. Чем холоднее погода, тем чаще следует внимательно наблюдать за градирней.

При необходимости организовать байпас. Если тепловая нагрузка падает слишком низко, для предотвращения обледенения в холодном климате необходимо перенаправить весь рабочий расход воды напрямую в бассейн(ы) с холодной водой. Не следует направлять поток через градирню, пока он не нагреется до целевой температуры горячей воды. Не следует модулировать поток воды по байпасу, иначе ороситель может замерзнуть в зонах с низким расходом. Следует определить размер и местоположение байпасного трубопровода с помощью производителя градирни или приобрести его как опцию для новой градирни. Смотрите Рисунок 2.

Рисунок 2. Непосредственный байпас когда в условиях замерзания температура воды падает ниже минимально допустимого значения, указанного производителем, а вентиляторы уже выключены.

Надлежащее управление потоком воздуха

Вентиляторы многосекционных градирен иногда включаются последовательно: все включены, один выключен, два выключены… и т. д. Однако следующие иллюстрации показывают, что это может привести к потенциальному замерзанию в отдельных секциях, используя в примере температуру влажного термометра -1°С.

Температура воды при работающих вентиляторах во всех трех секциях одинакова, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Равномерная температура нагнетания от секции к секции, при этом все вентиляторы работают с одинаковой частотой.

Температуры воды при работе вентиляторов в двух секциях показаны на Рисунке 4. Температуры воды на выходе из двух секций ниже температуры воды, возвращаемой в охладитель.

Рисунок 4. Секция градирни с одним выключенным вентилятором имеет более высокую температуру выходящей холодной воды, чем две другие.

Температуры воды при работающем вентиляторе только в одной секции показаны на рисунке 5. Вода может замерзать в некоторых зонах внутри секции 3, как будет показано далее в этой статье, даже несмотря на то, что средняя температура на выходе из этой секции составляет 4°С в то время как средняя температура выхода воды обратно в охладитель — и, вероятно, единственная контролируемая температура — составляет 10 °С.

Рисунок 5. У одной секции с работающим вентилятором температура выходящей холодной воды существенно ниже, чем у двух других.

В то время как цикличность вентиляторов и/или двухскоростные электродвигатели использовались в прошлом, частотно-регулируемые приводы (VFD) могут устранить температурные градиенты от секции к секции и предпочтительны по многим причинам, особенно при эксплуатации градирен в условиях устойчивых отрицательных температур. Каждая секция должна быть оснащена приводом VFD, и каждая должна работать при одной и той же заданной температуре. Применение инверторных приводов также является наиболее энергоэффективным методом работы секционных градирен. Для наиболее энергоэффективной работы, а также для лучшей работы вентиляторов с устойчивостью к замерзанию ASHRAE 90.1-2013 (пункт 6.5.5.2.2b) требует плавного увеличения и уменьшения частоты вращения на всех секциях одновременно.

Выбор типа градирни

Конструкции градирен с перекрестным и противоточным направлением потоков имеют различия в характеристиках работы в холодную погоду. Две основные конфигурации градирен показаны на рисунке 6 перекрестный поток и рисунке 7 Противоток.

Рисунок 6. Перекрестный поток — вода стекает вниз через ороситель из резервуара с горячей водой сверху, воздух течет горизонтально поперек пути движения воды.

Некоторые проблемы, являющиеся общими для обоих типов:

• Необходимость избегать контакта холодного воздуха с зонами оросителя недостаточно смачиваемые водой.

• Необходимость предотвращения попадания капель воды за пределы градирни.

• Эксплуатация без достаточной тепловой нагрузки в условиях отрицательных наружных температур является очевидной проблемой для любой конструкции.

• Некоторое обледенение на градирнях в условиях минусовой температуры является нормальным и, как правило, не вызывает беспокойства при эксплуатации. Сначала лед образуется на любой из поверхности контакта воздух/вода в градирне, например, в области впускных жалюзи.

• Цель состоит в том, чтобы предотвратить чрезмерное обледенение, которое может привести к повреждению конструкции градирни.

Рисунок 7. Противоток — Вода распыляется сверху вниз, стекает вниз через ороситель, а воздух поступает с боков и вверх через ороситель. Поток воды противоположен потоку воздуха.

Контроль обледенения – Поперечный поток.

На рисунке 8 показаны линии постоянной температуры в оросителе градирни с поперечным потоком. Это типичный пример того, что должно происходить в ячейке 3 (рисунок 5) для получения холодной воды 4°С при температуре воды на входе 16°С. Вода течет вниз между листами оросителя под действием гравитации. Температура в нижней части поверхности воздухозаборника составляет около 0°С, то есть точки замерзании, хотя средняя температура на выходе из ячейки составляет 4°С.

Рисунок 8. Температурный градиент в градирне с поперечным оросителем, показывающий температуру замерзания в нижней части воздухозаборника.

Поток воды направляется наклонно в направлении потока воздуха, как показано на рисунке 8. Поперечные оросители спроектированы так, чтобы находиться под углом, совместимым с отводом воды к поверхности выпуска воздуха. Таким образом, вода равномерно распределяется между жалюзи и каплеуловителями. Когда вентиляторы выключены, вода падает прямо вниз, вызывая сильный поток воды на поверхности жалюзи, как показано на рисунке 9. Этот сильный поток теплой воды может эффективно размораживать жалюзи в большинстве случаев.

Рисунок 9. Вода омывает воздушные жалюзи при выключенном вентиляторе.

С водосливными перегородками или с переливными чашками вода при пониженном расходе концентрируется во внешних зонах оросителя. При сниженном расходе вода не переливается через перегородки или чашки на внутренней стороне и остается во внешней части емкости с горячей водой, как показано на рисунке 10. Внутренняя часть оросителя остается влажной и теплой из-за нагретого воздуха из внешней части оросителя. При полном расходе вода переливается через водосливные перегородки или чашки, чтобы покрыть весь объем оросителя.

Рисунок 10. Секция градирни работает при пониженном расходе воды, при этом вода подается с низким расходом только во внешнюю часть из-за перегородки или использования переливных сопловых чашек на внутренних соплах.

Контроль обледенения – противоток.

Градирни с противотоком имеют в нижней части оросителя немного меньший градиент холодной воды, чем градирни с перекрестным потоком, но градиент аналогичен поперечному потоку в нижней части зоны орошения между нижней поверхностью оросителя и уровнем воды в емкости с охлажденной водой, как показано на рисунке 11.

При средней температуре воды 4°С на уровне емкости охлажденной воды температура на самом нижнем уровне поверхности воздухозаборника в зоне орошения под оросителем может составлять 0°С, как в примере с поперечными потоками, увеличиваясь примерно до 6°С в центре оросителя градирни. Градирня с противотоком без жалюзи (обычно встречается на больших градирнях, возводимых на объекте) и конструктивно чистый воздухозаборник более устойчивы к обледенению, поскольку существует меньше мест для образования или улавливания вытекающих капель воды. Капли воды за пределами зон нагретого воздуха и воды приводят к образованию льда.

Обычно жалюзи необходимы в большинстве противоточных градирен систем ОВиК, включая градирни заводской сборки, где соблюдение достаточного расстояния между градирней и бортиком бассейна нецелесообразно.

Рисунок 11. Температурный градиент в градирне с противоточным оросителем, показывающий более низкую температуру по периметру и более высокую температуру в центре.

Следует помнить, что при установленных жалюзи обледенение может быть не видно внутри или под оросителем противоточной градирни, поскольку лед образуется на жалюзи с внутренней стороны. Иногда в противоточных градирнях используются конструкции с несколькими распылительными системами для обеспечения низкого расхода воды, но это может быть проблематично. Противоточная градирня не подходит для сегментированного распределения площади сечения для снижения потока в пределах заданной секции. Отдельные секции градирни обычно изолируются для поддержания минимального потока.При работе вентиляторов на полную мощность на противоточной градирне вода отводится от воздухозаборника или жалюзи, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Отвод воды от воздушных жалюзи с помощью вентиляторов, работающих на противоточной градирне.

При выключенных вентиляторах возникает небольшой отрицательный поток воздуха из-за силы сопротивления воды в распылительной камере и под оросителем, поэтому вода немного выходит за пределы площади сечения оросителя. Эта сила обычно достаточно сильна, чтобы преодолеть эффект естественной тяги, вызванный нагревом воздуха теплой водой от тепловой нагрузки на градирне. Воздух движется в обратном направлении с низкой скоростью из воздухозаборника, как показано на рисунке 13. Это, как правило, способствует обледенению жалюзи в очень холодную погоду.

Рисунок 13. Вода за пределами периметра оросителя на противоточной градирне, вентиляторы не работают. Площадь поверхности накопительной емкости охлажденной воды, как показано, шире, чем площадь сечения оросителя, поэтому вода в ней удерживается.

Реверсивная работа вентилятора.

Задача состоит в том, чтобы избежать обледенения, но когда образуется лед, первым вариантом является отключение вентиляторов по секциям градирни и обеспечивается возможность теплой воде растопить лед в данной секции в течение определенного периода времени. Для более стойкого обледенения чтобы разморозить впускные воздушные жалюзи производят на короткий период времени реверс вращения вентиляторов на пониженной частоте вращения (обычно 30% от номинала или меньше с помощью привода VFD). Это еще одно преимущество использования VFD на градирнях, работающих в холодную погоду. Реверс вентилятора отправляет часть воды за пределы градирни, а также может подавать замерзающий воздух в нижнюю часть градирни обратно через жалюзи.. Эксплуатационный персонал должен внимательно следить за размораживанием путем реверсирования вентилятора и сводить к минимуму продолжительность реверсирования.

Выводы

Когда условия окружающей среды приближаются к точке замерзания, вода неизбежно превращается в лед. Открытые градирни подвержены замерзанию из-за присущей им природы работы, отвода теплоты путем испарения. В результате процесс образование льда становится предметом управления, а не устранения.

Необходимо учесть несколько конструктивных соображений, чтобы минимизировать время и усилия, затрачиваемые на управление процессом образования льда. В приведенной ниже таблице учтены различные конструкции открытых градирен и показан наилучший вариант для зимней эксплуатации, чтобы минимизировать риск образование льда в градирне.

Градирни с принудительной тягой имеют явное преимущество перед градирнями с естественной тягой. Если лед начинает образовываться, градирни с принудительной тягой могут использовать последовательность удаления льда, запуская осевой вентилятор в обратном направлении вращения на максимальной частоте 50% от номинала в течение коротких периодов времени, при этом внимательно следя за градирней, что делает зимнюю эксплуатацию намного более устойчивой.

При сравнении технологий противотока и перекрестного тока, противоток имеет преимущество для работы в зимнее время. Теплоноситель в градирнях с противотоком полностью заключен в корпус, что обеспечивает защиту от внешней среды. Градирни с противотоком также имеют более равномерный градиент температуры охлаждения во всем объеме теплоносителя по сравнению с градирнями с перекрестным током. Это гарантирует, что технологическая вода охлаждается в оросителе с равномерной скоростью, что имеет решающее значение в условиях замерзания. Температурные градиенты, указанные ниже, обеспечивают температуру воды на выходе 7° С.

В некоторых системах охлаждения градирня рассчитана на работу при пониженном расходе воды для удовлетворения пониженной тепловой нагрузки в зимние месяцы. Многосекционная конструкция обеспечивает большую гибкость для управления производительностью в холодные месяцы, одновременно сводя к минимуму вероятность образования льда снаружи или внутри градирни. Направление пониженного расхода воды в одну ячейку многосекционной градирни обеспечивает более оптимальное распределение воды в оросителе, что приводит к более эффективной работе градирни. Низкий расход воды может привести к неравномерному распределению воды в оросителе градирни, что приводит к появлению влажных/сухих участков, которые более подвержены замерзанию.

Очень важно поддерживать минимальную температуру воды 6°C на выходе во время зимней эксплуатации градирни. Использование частотно-регулируемых приводов обеспечивает наиболее оптимальный и эффективный метод управления производительностью для градирен с принудительной тягой, имеющих двухскоростные электродвигатели вентиляторов. Чтобы свести к минимуму риск повреждения системы механического привода агрегата в условиях более холодной окружающей среды, следует избегать длительных периодов эксплуатации градирни с неработающим вентилятором.

При выборе подходящей открытой градирни для конкретного проекта необходимо учитывать и некоторые другие факторы, среди которых: трубопроводы, компоновка агрегата, использование удаленного поддона и некоторые принадлежности, которые могут помочь в зимней эксплуатации и/или при управлении процессом образования льда. Все системные трубопроводы и сопутствующие принадлежности, которые не имеют возможности дренажа, должны быть обогреваемыми и изолированными и иметь возможность подачи воды из градирни самотеком. Рекомендуется организовать полный байпас расхода воды в системном трубопроводе для любой градирни, которая будет работать зимой. Кроме того, неправильное расположение градирни может привести во время зимней эксплуатации к рециркуляции влажного воздуха обратно в воздухозаборник агрегата, что в свою очередь может привести к образованию льда на воздухозаборниках градирни.

Эксплуатация открытой градирни в зимнее время требует определенных взвешенных решений в процессе проектирования системы сброса избыточной теплоты в окружающую среду. Именно на этапе проектирования необходимо принять эти решения, чтобы минимизировать риски образование льда на будущей градирне. Учет этих и многих других факторов при проектировании системы позволит минимизировать расходы, которые могут быть связаны с управлением процессом образования льда в зимний период.

*Статья подготовлена по материалам зарубежных производителей градирен.

Автор: к.т.н. Андрей Алексеевич Бичев, технический специалист ГК “ФРЕСКО”