1研究背景循环水系统的核心单元是冷却塔设计。设计冷却塔时，若参数值选取较为保守，则出现设备的负荷过低、占地面积大，实际运行中能耗较高等问题；若冷却能力不足，则设备实际运行时达不到冷却效果，影响企业生产效率。风量问题直接影响设计中的风机选型；气象参数的变化具有局部性、随机性，其时刻变化直接影响冷却塔运行时的冷却能力。无论设备的设计阶段还是运行阶段，均需要对影响逆流式机械通风冷却塔所需风量进行因素分析，确定影响冷却塔能耗的环境因素。学者们在冷却塔研究方面做出大量工作[1-2]。水力研究所针对塔形、填料等方面进行深入研究[3]，优化和提升了冷却塔的理论计算技术[4]与模拟分析技术[5-6]，开发冷却塔水力、热力方面的计算软件，为用户提供技术支撑。通过热力学的计算分析，探讨外部因素对冷却塔所需风量的影响，如：环境温度、湿球温度、大气压力、相对湿度，冷却塔出水温度、循环水进塔流量等。研究表明：部分影响因素之间具有耦合关系，环境温度、大气压力与相对湿度可决定湿球温度；在确定冷却塔的结构尺寸与填料的类型、排列后，循环水进塔流量直接影响冷却塔的淋水密度。但目前的研究中，并没有将具有耦合关系的因素进行解耦，考察单个因素的影响。基于此，本文对单个因素对风量的影响程度进行分析，再将某些对风量影响较大的因素设计正交试验进行极差分析，为设计人员在参数选取上提供侧重点，为运维人员分析冷却塔的冷却效果提供指导。2冷却风量影响因素的研究方法2.1某公司冷却塔设计资料文中初始数据来自某公司设计的某逆流式机械通风冷却塔项目。设计主要参数为：环境温度32.1 ℃，湿球温度27.6 ℃，大气压力99.43 kPa，冷却塔轴线尺寸10 m×10 m，设计冷却循环水量1 500 t/h，进水温度43.0 ℃，出水温度33.0 ℃，填料选取聚氯乙烯S波，填料高度1.5 m，间距30 mm，填料冷却参数A=2.17，m=0.69。2.2热力学计算方程热力学计算原理根据Merkel理论及方程[7]。冷却塔的热力学计算采用式(1)与式(2)[8]，与冷却塔CTI软件计算一致，未考虑蒸发引起的散热。N=Aλm (1)式中：N——填料数；A、m——填料特性参数，反应填料冷却性能的参数；λ——气水比，湿空气质量流量与循环水质量流量比值。Me=∫t2t1CwIt″-Iθdt (2)式中：Me——麦克尔数；t1、t2——循环水的进、出塔温度，℃；Cw——循环水的比热，kJ/(kg·℃)；It″——水温为t时的饱和空气焓值，kJ/kg；Iθ——气温为θ时的空气焓值，kJ/kg。冷却塔热力学计算时，当填料数与Me相等时，满足冷却任务，可确定冷却塔、填料以及风机的选型；冷却塔复核热力学计算时，根据已确定的冷却塔结构、填料以及风机性能，在不同气象条件、冷却负荷情况下，计算冷却塔的出水温度或所需风量。2.3热力学方程数值计算采用Simpson积分法求取Me的数值。求解过程中，不断地假设式(1)的气水比，直至N=Me为止。由进塔水温、空气参数的边界条件、湿空气与冷却水的换热过程确定多个数值的筛选。2.4影响风量的单因素分析选取环境温度、湿球温度、大气压力、循环水量、进塔水温、出塔水温等进行单因素分析，主要考察设计参数与实际运行参数对理论所需风量的影响。因素分析时，忽略湿球温度对冷却塔填料特性的影响[9]。单因素分析时，仅单个被考察的因素发生变化，考察范围根据项目地的气象参数、冷却塔实际运行情况针对性地选取。文献[10]表明，环境温度、湿球温度、循环水量、进塔水温、出塔水温对冷却风量具有较大的影响。设备实际运行中，外部环境与操作条件不可控，冷却塔的节能可通过调频手段调节风机的风量。因此，分析外部因素对风量的影响，设置正交试验，进行极差分析，以判断影响风量的外部因素的主次顺序。2.5影响因素的极差分析选取对冷却风量影响较大的因素，采用正交试验，进行极差分析，以确定各因素对风量影响的主次顺序。依据单因素分析结果可知：大气压力对风量影响较小；环境温度、大气压力、相对湿度决定了环湿球温度，此三因素可归为湿球温度。因此，选取湿球温度、循环水量、循环水进出塔水温温差为考察对象，各因素选取3个水平，按L9(34)正交表设计试验。试验其他因素条件为气温24 ℃，大气压力10.4 kPa，循环水进塔水温40 ℃，正交试验的因素及水平数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.T001表1L9（34）正交试验因素水平设计水平湿球温度/℃循环水量/（t/h）进出塔水温温差/℃1161300721714008318150093计算结果及分析3.1环境温度对冷却风量的影响在大气压10.4 kPa，相对湿度70.9%，冷却循环水量1 350 t/h，进塔水温43.0 ℃，出塔水温33.0 ℃的情况下，冷却风量随气温的变化曲线如图1所示。由图1可知，冷却风量随环境温度的升高而增加。原因在于其他气象条件不变时，温度升高，湿球温度随之升高，湿球温度与出塔水温差值变小，焓差变小，理论达到冷却负荷所需风量增加。当湿球温度远低于出塔水温时，冷却风量变化不大；湿球温度接近出塔水温时，冷却风量急剧增加。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.F001图1冷却风量随气温的变化曲线3.2相对湿度对冷却风量的影响在气温30 ℃，大气压99.43 kPa，进塔水温43.0 ℃，出塔水温33.0 ℃，循环水量1 350 t/h的情况下，冷却风量随相对湿度的变化曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.F002图2冷却风量随相对湿度的变化曲线由图2可知，冷却风量随相对湿度的增加而增大。原因在于其他条件不变时，相对湿度增加，湿空气中所含水分增多，湿空气越接近饱和，湿球温度也升高。相对湿度越接近100%，冷却所需风量变化越大，说明其他参数一致时，下雨天（相对湿度高）比晴天（相对湿度低）冷却时所需的风量大。3.3大气压力对冷却风量的影响在环境温度30 ℃，相对湿度70.9%，进塔水温43.0 ℃，出塔水温33.0 ℃，循环水量1 350 t/h的情况下，冷却风量随大气压力的变化曲线如图3所示。由图3可知，冷却风量随大气压力的上升而增大，但风量整体变化不大，大气压力从90 kPa升至104 kPa，风量增加约1.4 万m3/h。因此，在气象参数的极差分析中，将大气压力与相对湿度结合分析湿球温度的变化。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.F003图3冷却风量随大气压力的变化曲线3.4循环水量对冷却风量的影响在环境温度30 ℃，大气压力99.43 kPa，相对湿度70.9%，进塔水温43.0 ℃，出塔水温33.0 ℃的情况下，冷却风量随循环水流量的变化曲线如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.F004图4冷却风量随循环水量的变化曲线由图4可知，循环水流量从700 t/h增加至1 500 t/h时，风量从约33 万m3/h增大至约70 万m3/h。冷却风量与循环水量呈单调递增关系，两者变化几乎为线性。原因在于其他条件不变时，循环水量增加，冷却负荷增加，风量随之增加。因此，设计时需对冷却塔的循环水流量进行较为精准的预估。在实际运行中，需要根据实际的循环水量进行风机的开停及变频调节，以达到节能目的。3.5进水温度对冷却风量的影响在环境温度30 ℃，大气压力99.43 kPa，相对湿度70.9%，循环水量1 350 t/h，出塔水温33.0 ℃情况下，冷却风量随进塔水温的变化曲线如图5所示。由图5可知，进塔水温从38.0 ℃升至44.0 ℃时，风量从约44 万m3/h升至约66 万m3/h。冷却风量随进塔水温的升高而增加，但随着进塔水温不断升高，风量的变化增量不断下降。这是因为当其他条件不变时，进塔水温升高，冷却负荷增加，风量随之增加。进塔水温与空气间的焓差增大，传热推动力增大，循环水越易被冷却。因此，风量的变化增量不断下降。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.F005图5冷却风量随进塔水温的变化曲线3.6出塔水温对冷却风量的影响在环境温度30 ℃，大气压力99.43 kPa，相对湿度70.9%，循环水量1 350 t/h，进塔水温43.0 ℃的情况下，冷却风量随出塔水温的变化曲线如图6所示。由图6可知，冷却风量随出塔水温的升高而下降。这是因为当其他条件不变时，出塔水温越低，越接近环境的湿球温度，所需风量急剧增加。出塔水温从34.0 ℃下降至27.5 ℃时，风量从约60 万m3/h升至近210 万m3/h，变化较大。因此，在实际运行过程中，需要关注设定的出塔水温与湿球温度之间的温差，温差越小，消耗的风量越大。设计时对风机风量的要求越高，设备节能性相对越差。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.F006图6冷却风量随出塔水温的变化曲线综上可知，湿球温度是最终影响风量大小的因素。而湿球温度在设备运行中较难获取，一般可通过观测温度、相对湿度与大气压力确定。冷却负荷也是决定风量大小的关键因素。结合循环水流量、进出塔水温各单因素分析，相对较为理想的操作模式为：循环水量越低，供回水温差越大，即“小流量、大温差”的操作模式。3.7影响因素的极差分析判断结果L9(34)正交试验因素水平设计如表2所示。从极差分析结果看，影响风量的主次顺序为循环水进出塔水温温差循环水量湿球温度。根据分析结果，设计人员对冷却塔进行设计时，需要着重考虑冷却塔的冷却负荷设计，即冷却水量与进出塔水温温差；再结合冷却塔所在地的气象参数，即湿球温度，对冷却塔进行详细的设计。在实际运行中，冷却塔的冷却效果低于设计目标时，可以复核冷却塔的实际冷却负荷与设计负荷的偏差；冷却塔处于低负荷运行时，冷却效果相对较差，能耗较高[11]；冷却塔超负荷运行时，冷却效果同样出现相对较差的情况。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.009.T002表2L9（34）正交试验因素水平设计试验序号湿球温度循环水量进出塔水温温差空白列冷却所需风量/（万m3/h）1111130.622122238.003133346.224212336.315223144.606231236.137313242.898321334.829332143.08K1114.84109.82101.57118.30K2117.04117.42117.39117.02K3120.79125.43133.71117.35k138.2836.6133.8639.43k239.0139.1439.1339.01k340.2641.8144.5739.12R1.985.2010.710.424结语文中考察了环境温度、大气压力、相对湿度、循环水量、进出塔水温对逆流式机械通风冷却塔风量的影响情况，同时对湿球温度、循环水量、进出塔水温温差因素进行风量影响的正交试验分析，结果表明：（1）大气压力对冷却风量影响较小，风量随环境温度、大气压力与相对湿度各因素的增大而增加。而环境因素可最终与湿球温度相关联，即湿球温度对风量的影响较大。（2）循环水量、进出塔水温对风量影响较大。风量随循环水量增大、进塔水温增大而增大；随出塔水温降低而增大。循环水量与进出塔水温可表示为冷却负荷，即冷却负荷越高，所需的风量越大。实际操作过程中，宜采用“小流量、大温差”的操作模式。（3）由极差分析结果可知，影响冷却所需风量的大小顺序为循环水进出塔水温温差循环水量湿球温度。（4）在冷却塔设计过程参数确定与在实际运行过程冷却效果不佳时，可着重依次考虑分析冷却塔循环水的进出塔水温温差、循环水量与湿球温度这3个因素。