冷却塔: 効率化は実現を待っています - 株式会社ケインシャープアビリティ

冷却塔は発電所の熱交換装置の冷却水として重要な役割を果たしています。水温が 1 度上昇するとエネルギー使用量が 2% 増加する可能性があるため、優れたシステムパフォーマンスを維持することが重要です。適切なメンテナンスといくつかのアップグレードにより、冷却塔の効率が向上し、同時にその過程で水を節約できる可能性があります。

発電所のほんのわずかな非効率性が発電機に多大なコストをもたらす可能性があり、多くのエネルギー発電会社は、老朽化した冷却塔以外に目を向ける必要はなく、潜在的な非効率性の温床を見つけて、徐々に利益を流出させています。冷却塔の効率が低下すると、塔内の温度が上昇し、装置内のエネルギー消費量が 1 度上昇するごとに 2% も増加します。良いニュースは、ファンからノズル、充填媒体、さらには水自体に至るまで、冷却塔の効率を向上させる機会が豊富にあることです。

もちろん、非効率なシステムを構築するつもりはありませんが、今日の冷却塔の多くは過去の遺物であり、かつては最新鋭であったかもしれませんが、今日の基準には大きく遅れています。古いプラントが遅れをとっている主な分野の 1 つは、充填材です。数十年前から使用されている冷却塔では、プラスチック、グラスファイバー、または木材のスプラッシュフィルが引き続き使用されています。このシステムは、落下する水を水滴に砕くためにスプラッシュバーを配置します。 SPX Cooling Technologies Inc.によると、空気が垂直方向のフルハイト充填部分を水平方向に容易に流れることができるため、スプラッシュ充填はクロスフロータワーに適しているとのことです。新しい向流タワーには、スプラッシュ充填システムまたは新しいフィルム充填システムを統合できます。

1980 年代頃、より優れた性能の充填媒体の開発により、冷却塔の効率化への取り組みが強化されました。「1980 年代の逆流充填の画期的な進歩は、PVC フィルム充填パックの導入でした」と SPX のフィールド組立製品ディレクター、テリードワイヤー氏は述べています。これらの新しい充填タイプは、「冷却塔の特定の立方フィート内の充填の表面積を増加させるため、PVC (プラスチック充填パック) の表面積が増加し、熱伝達が増加します。」

実際、ドワイヤー氏によれば、冷却塔の効率を迅速に高める最も簡単な方法は、充填媒体を交換することです。「今日では、何年も前よりもパフォーマンスの高いフィルが他にもあります」とドワイヤー氏は語った。「車の場合と同じようなものです。今日の車の燃費は 20 年前よりも向上しています。その多くはエンジンの設計と技術によるものです。」

現在の高性能フィルムフィルは、スプラッシュフィルのほぼ 2 倍の熱性能を誇ります。フィルムフィルは、水と空気が反対方向に流れる迷路状の素材の積み重ねで構成されています。フィルム充填により、水面の空気への露出が大幅に増加し、その結果、熱の伝達がより効率的になりました。

ただし、フィルムフィルには欠点がないわけではありません。前述したように、スプラッシュフィルは、その名前が示すように、タワー内の比較的幅広に設定されたバーから水を飛び散らせることによって水を液滴に砕くように機能しますが、フィルムフィルは水を小さな漏斗に導きます。残念なことに、当然のことですが、ほとんどの冷却塔は濾過された水で稼働していません。これらの塔で使用されている水は一般にかなり汚れており、鉱物や生物学的沈殿物が多く含まれており、微生物の増殖、汚れ、またはスケールで充填物が簡単に詰まる可能性があります。

スプラッシュフィルは、冷却効率の点で最新のフィルスタイルに比べて不利ですが、利点がないわけではありません。スプラッシュフィルは密度が低いため、困難な水に対してより寛容です。堆積物の多い水は、スプラッシュフィルよりもはるかに簡単にフィルムフィルを詰まらせる可能性がありますが、困難な水に対処するのに役立つ化学処理が急速に進歩しているため、一般に、トレードオフには価値がありません。

発電機がタワーを最高の状態で稼働させるために直面する主な水質問題は、腐食、スケール、汚れ、微生物活動の 4 つです。

腐食は、水中の化学物質が冷却塔のコンポーネントを侵食するときに発生します。これにより、熱伝達が失われ、効率が低下する可能性があります。腐食は機器の故障につながる可能性があり、その結果、プラントのダウンタイムや機器の交換コストが発生する可能性があります。

スケーリングとは、溶解したミネラルが機器上に蓄積することです。これも、スケールが断熱材として機能するため、システムの熱交換能力が低下する可能性があり、システムを効果的に冷却することが非常に困難になります。

スケーリングと同様に、ファウリングは浮遊粒子の蓄積です。スケーリングは鉱物に限定されますが、ファウリングは有機物から油まであらゆるものに適用されます。せいぜい汚れは、スケーリングと同じように絶縁体として作用して熱伝達を阻害します。最悪の場合、汚れによってプラグが完全に埋まり、システムの蒸発領域が減少し、システムの効率に打撃を与える可能性があります。

最後に、微生物活動とは、システム内に生息する微生物が植物に与える影響を指します。微生物は水中に浮遊したり、冷却塔装置の表面で増殖したりする可能性があり、充填材の断熱や閉塞により熱伝達が低下します。

冷却塔では大量の水を使用するため、多くの場合、地方自治体や州が発電機での使用に最低品質の資源を委任していることは驚くべきことではありません。米国地質調査所の最新の全国水利用報告書によると、2010 年には熱電発電のための取水量が米国の総取水量の 45% を占めていました。しかし、熱電発電のための水の使用量は減少傾向にあると報告書は指摘しています（図1）。 2005 年から 2010 年の間に、このカテゴリーにおける取水量は 20% 減少しました。

淡水を保護するために、国の一部の地域では、冷却塔に市営雑排水を使用するか、冷却塔の循環を増やす必要があります（POWER 号の「再生水による淡水供給へのストレスの軽減」を参照）。これは、GE Water & Process Technologies のクライアントの場合に当てはまります。

「当社の顧客は、市営雑排水を使用するように求められました。これは市営工場からの廃水です。区域が設定されて操業を開始したとき、川や湖からの真水を使用することはできませんでした。これらは水の処理が非常に困難でした。」同社のエグゼクティブプロダクトマネージャー、ピーター・マシオス氏はこう語る。

GE Water & Process Technologies は、困難な水を扱う発電機向けに、カスタマイズ可能な化学処理および装置処理の幅広いオプションを提供しています。「私たちは、顧客がその水を使用して[可能な限り]効率的に運用できるようにするプログラムを開発および設計することができ、微生物の制御、性質、腐食に対するすべての影響を打ち消すことができました」とマシオス氏は述べた。

冷却塔水の化学処理は、複雑なバランスをとる作業です。残念ながら、ある問題に対処するための化学処理の多くは、別の問題に対処するための化学処理に悪影響を及ぼします。幸いなことに、GE は、悪影響を及ぼさない化学処理を開発することで、適切なバランスを見つけたと信じています。

「従来のプログラムでは、殺生剤や微生物制御を設定すると、腐食抑制や堆積物の制御が常に低下していました」とマシオス氏は述べた。「言い換えれば、プログラムは常に互いに矛盾しています。GE では、どのプログラムにも影響を与えることなく、微生物の堆積制御と腐食の両方を抑制することができます。」

GE の GenGard 水処理技術は、pH スペクトル全体で機能して腐食を抑制し、一方、GE の Spectrus 微生物制御剤は、細菌、藻類、酵母、真菌などの微生物種を制御下に保ちます。他の化学処理オプションとは異なり、2 つのテクノロジーは併用できます。「このプログラムの利点は、それらが相乗効果を発揮することです。酸化剤（Spectrus）はGenGardプログラムを劣化させません。SpectrusはGenGardに影響を与えません」とマシオス氏は語った。

冷却塔の充填物がクリーンで効率的に稼働している場合でも、非効率性が依然として潜んでいる可能性があります。あまり注目されない効率の問題の 1 つは、タワー上部のスプレーノズルの性能です。

水しぶきは傘の形になり、その結果、円形のしぶきパターンが得られると一般的に受け入れられています。問題は、円を並べて表面全体に水を均等に分配するのが難しいことです。円が触れる程度に並んでいる場合は、フィルメディアの領域全体が乾燥したままになります。

この問題を解決するために、タワーの設計者はノズルを近づけてスプレーを重ねます。しかし、その行動計画では依然として水の分布が不均一になり、重なり合う領域の充填媒体が浸水します。充填物の一部が浸水すると、空気が通過できなくなり、プラントの効率が低下します。

「水と空気の混合物の質が熱伝達の効率を決定します。もちろん、業界はそれをずっと知っていたと思います」と、Curtis Technologies の可変流量ノズル (VFN、図 2) の発明者である Howard Curtis 氏は述べています。

Curtis の VFN により、水の均一な分配が可能になり、冷却効率が向上します。「私たちは四角い水のパターンを生み出すノズルを開発しました。このノズルは水力学的にバランスがとれているので、充填媒体全体で水のバランスが良くなります。つまり、空気と水の接触が良くなります。」とカーティス氏は言いました。「最も経済的にできるのは、ノズルを交換して、場合によっては 10% 以上の熱効率を実現することです。」

簡単に実現できる成果を探す際に見落とされがちなもう 1 つの設備は、冷却塔ファンだとドワイヤー氏は言いました。「熱伝達の重要な部分は、充填媒体を通る空気の動きです」と彼は言いました。「媒体を通る空気の流れを増やすことができれば、熱伝達に直接的な影響を与えます。つまり、空気が多ければ多いほど、より多くの冷却が行われ、より効率的に冷却されます。あまり効率的ではない古いファンを使用することができれば、そこに、より現代的なデザインを導入すれば、エアフローを増加させることができ、エアフローの増加により冷却効果と効率が向上するはずです。」

人生のほとんどのことと同様、冷却塔の効率の問題に対処するための最初のステップは、問題がどこにあるのかを特定することです。発電機が非効率な冷却塔の影響を感じている場合、問題の原因を迅速かつ正確に特定することが、効果的な戦略を立てるために不可欠です。

そこで、Quantum Technical Services のような企業が登場します。同社は、冷却塔の熱的動作条件を決定するために、ピーク稼働中に実行される冷却塔効率の調査を提供しています。このような監査では、ユニットの空気と水の流れ、熱伝達領域の評価、タワーの赤外線熱スキャンを調査して、潜在的な問題を特定します。

同社は、タワーが意図したとおりに動作しているかどうかを判断する際に、可能な場合にはタワーの元の設計も考慮に入れるよう努めています。「これが最善の策だと信じています」とクアンタム・テクニカル・サービス社のエンジニアリング・コンサルタント、ポール・チラ氏は語った。「[タワー]が建設されたとき、一定のパーセントの効率で稼働するように設計されていました。私たちがやっているのは、できる限り古い設計シートを掘り出して、全体像を把握したら、測定された効率と比較することです」彼らがどのような状況にあるのかを知らせるために、どのような設計が行われているかを確認し、スペックシート上のすべてを比較しました。」

タワーの元の設計仕様を考慮することで、企業はプラントがどの程度良好に動作するかを判断する前に、プラントが本来あるべきとおりに動作しているかどうかをまず判断できます。「ごく最近、ある問題が発生しました。タワーに供給される流量が規格から大きく外れていたため、まずこの問題を解決する必要があります。その後、戻ってきてタワーを再評価できると伝えました」とチラ氏は語った。。「これは大きな要素だ、これに対処する必要がある、と言う必要があるプロセスになる可能性があります。」

逆流タワーの場合、同社の GamaScan テクノロジーは、充填材の内部で何が起こっているかについて役立つ画像を提供できます。「GamaScan は文字通り塗りつぶしを調べ、密度プロファイルを提供します」と Chila 氏は言います。「そこから、フィルムの充填物が汚れているかどうか、セル全体でかなり均一に汚れが付着しているかどうかがわかります。それだけでも、私たちが測定できる汚れの量によっては、明らかにセルの効率に影響を与えることになります。」あの塔の調子はどうだ？」

装置が古いか新しいかに関係なく、冷却塔のパフォーマンスを定期的に評価することで、オペレーターは治療プログラムが機能しているかどうかを判断できます。「ここ 2 ～ 3 年以内に作られた、フィルムフィルを使用した新しいスタイルのものがかなりたくさんありますが、彼らは私たちを連れてきて、『ベースラインを取りに来てください』と言ったんです」とチラさんは語った。。このようなベースラインを確立すると、オペレーターはタワーが引きずり始めているかどうかを判断しやすくなります。

GE は、治療プログラムの定期的なメンテナンスとモニタリングも提供しています。 GE は、InSight と呼ばれる水監視システムを使用して、顧客の冷却塔内で何が起こっているかをリアルタイムで追跡できます。この製品により、顧客は発生する可能性のある問題に迅速に対応できます。このようなリアルタイム追跡テクノロジーが利用可能になる前は、問題がタワーの効率を脅かす場合、オペレーターは事前対応ではなく事後対応を余儀なくされていました。「考えてみれば、手動で行うときは常にバックミラーを見ることになる。データを取得して評価すれば、すでに合格している」とマシオス氏は語った。「アイデアは、データを取得し、分析を実行して、システム内で今何が起こっているかを知ることができるかということです。」

効率を向上させるために冷却塔をアップグレードするには多くのオプションがありますが、ある時点で、1975 年のクロスフローをピカピカの新しいカウンターフローモデルに交換する時期が来るかもしれません。もちろん、冷却塔の交換は軽々しく決断できるものではありませんが、冷却塔が非常に劣化したり非効率になったりして発電機が停止したり、さらに悪化して倒壊する危険が生じた場合には、メリットがデメリットを上回る可能性があります。

冷却塔の技術と設計はここ数年で大幅に改善されましたが、多くの発電機はゼロから始めるのではなく、古い塔をアップグレードすることを選択しています。「60年代から70年代に建設された古いスタイルの冷却塔、主にスプラッシュフィルを備えたクロスフロー冷却塔の冷却塔セルが何千基もある」とドワイヤー氏は述べた。

冷却塔の交換は、必ずしも全体を根本から交換することを意味するわけではありません。クロスフロータワーを解体し、カウンターフローユニットに変換することが可能です。「これは少し難しいかもしれません。向流冷却塔を同じ設置面積に収めるのが難しい場合があり、配管を多数変更する必要があるためです。しかし、古い向流冷却塔を持っていたとしても、交換することができます。それを、より現代的な熱伝達媒体で埋めてください」とドワイヤー氏は語った。

しかし、発電機にとって、古くて非効率な冷却塔を撤去しなければならないことが明らかになった場合でも、交換の選択肢は以前ほど負担ではなくなります。 SPX は、工場で組み立てられた冷却塔の製品ラインを提供しており、ほとんど完成した状態で現場に出荷できます。より小規模なラインである NC Everest (図 3) は、わずか数個で国内どこにでも発送できます。タワーが現場に到着したら、最小限の現場組み立てでボルトで固定されます。「これら 6 つの大きな部品は、現場で数時間でボルトで組み立てられます。私たちが基本的に行ったことは、長時間にわたる現場での組み立てを工場環境に移すことです」とドワイヤー氏は説明しました。

SPX は、工場で組み立てられた冷却塔の大型バージョンである F400 も提供しています (図 4)。ただし、タワーのサイズが大きいため、工場で組み立てられた部品の輸送はすぐに高価になります。

アップグレードまたは交換の決定は、通常、最終的には何ドルか何セントになるかによって決まります。「車の修理に1万ドルかかり、あと2年しか持たないとしたら、おそらく思い切って1万5000ドルの新車を買うだろう」とドワイヤー氏は言う。冷却塔の選択を評価する際にも、同じ方法論がよく使用されます。 ■

—アビー・L・ハーベイはPOWERレポーターです。

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