浦東機場能源中心水蓄冷運行方式改進方案

張 敏，王晨曉

（上海上電電力運營有限公司，上海 200245）

1 浦東機場2號能源中心水蓄冷系統(tǒng)簡述

浦東機場2號能源中心主要服務(wù)對象為二期航站樓區(qū)域，面積近期為49萬m2的航站樓東廳（T2）及3萬m2交通中心，遠期考慮10萬m2的航站樓南廳（T3）。根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的設(shè)計冷負荷數(shù)據(jù)如下：東廳+交通中心的冷負荷為24 740RT（87 000kW），考慮1.2安全系數(shù)；南廳的冷負荷為4 980RT（17 500kW）。

經(jīng)過多種制冷方案設(shè)計和詳細的技術(shù)方案比較，水蓄冷系統(tǒng)與冰蓄冷系統(tǒng)和常規(guī)電制冷系統(tǒng)相比，在初投資和運行費用上都有明顯優(yōu)勢。故設(shè)計優(yōu)先采用了水蓄冷。

1.1 水蓄冷系統(tǒng)的組成

浦東機場2號能源中心水蓄冷系統(tǒng)是由制冷機組、蓄冷水灌、蓄冷水泵（冷凍泵）、放冷水泵（供冷泵）組成。單蓄冷循環(huán)圖如圖1所示。

圖1 單蓄冷循環(huán)圖

1.2 水蓄冷系統(tǒng)主要設(shè)備配置

浦東機場2號能源中心水蓄冷系統(tǒng)運行圖如圖2所示，機房主要設(shè)備配置如表1所示?？傂罾淞堪礉M負荷的34%設(shè)計。

圖2 水蓄冷系統(tǒng)運行圖

表1 水蓄冷機房主設(shè)備配置與技術(shù)參數(shù)表

配套的冷凍機房內(nèi)設(shè)置10臺制冷能力為2 000RT的離心式冷水機組及冷卻水泵、冷凍水一次泵和冷凍水二次變頻泵等。

冷凍機房內(nèi)的管道為雙管制，采用同程式（阻力大致相同，流量分配較均衡）系統(tǒng)，并附設(shè)在同一高度，下設(shè)托架梁以求整齊劃一，室外部分采用直埋管。通往航站樓的冷凍水供回水溫度為4～12℃。為節(jié)能運行，并且考慮氣候變化，冷凍水供回水溫度允許進行適當?shù)恼{(diào)整。通至末端用戶的供回水管系統(tǒng)，由于遠近不同而易產(chǎn)生水力失調(diào)，在每個用戶入口設(shè)差壓控制閥，最不利環(huán)路設(shè)差壓傳感器，其壓差變化傳輸至二次變頻泵進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定最不利環(huán)路的水量，從而保證所有用戶的水量分配達到設(shè)計要求。

2 水蓄冷系統(tǒng)調(diào)試時出現(xiàn)的問題及原因

2.1 出現(xiàn)的問題

浦東機場2號能源中心的蓄冷罐不能按照蓄冷設(shè)計要求進行充冷。在對蓄冷罐進行充冷調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)當蓄冷罐出水溫度下降至充冷終結(jié)溫度時，此時蓄冷罐內(nèi)的水層溫度分布為，底部水溫為4℃，頂部水溫為12℃，斜溫層厚度為9.5m，并且蓄冷罐內(nèi)的蓄水溫度分布未按照自然分層過渡，出現(xiàn)水層溫度分布交錯跳躍。顯然，蓄冷低溫水的水量和斜溫層的厚度均未能達到設(shè)計要求。

2.2 原因分析

根據(jù)蓄冷罐內(nèi)溫度分布情況分析，充冷終結(jié)時斜溫層太厚，并且斜溫層的溫度分布不正常。主要原因是在安裝調(diào)試初期，蓄冷罐進行過多次充放冷，每次充放冷時均未將斜溫層全部移至蓄冷罐外，就進行下一輪充放冷調(diào)試，造成蓄冷罐內(nèi)的分層水溫非?；靵y。蓄冷罐在充冷前罐內(nèi)溫度分層不正常，當充冷時上部出水溫度已滿足低于12℃的終結(jié)條件時，罐內(nèi)還留存很多溫度高低交錯的斜溫層，造成儲存的低溫水水量嚴重不足，蓄冷能力大為下降，不能按要求滿足蓄冷計劃。

由于充冷時的水溫更替是由下往上逐步上移的，如果充冷前蓄冷罐內(nèi)溫度分層混亂，當出水溫度達到充冷終結(jié)條件時，斜溫層的水層并未能全部更替。因此，充冷前蓄冷罐內(nèi)溫度分層混亂是造成斜溫層破壞，導(dǎo)致蓄冷失敗的主要原因。

3 解決方案

3.1 方案1

通過改變原有的充冷時“蓄冷罐出水溫度下降至12℃”停止充冷的充冷終結(jié)條件，將充冷的終結(jié)條件改為，“當蓄冷罐內(nèi)原有的斜溫層全部移至罐外時”停止充冷，此時蓄冷罐內(nèi)儲存的全為新充入的低溫冷水。

但由于受到制冷機組冷凍水回水最低溫度保護的限制，當蓄冷罐出水溫度下降至9℃，即制冷機組的冷凍水回水溫度低于9℃時，制冷機組將卸載停機，停止制冷。此時制冷機的冷凍水出水溫度上升，不能再對蓄冷罐進行充冷。顯然，方案1受制于制冷機組的運行條件，無法將不正常的“斜溫層”全部排至罐外。

3.2 方案2

由于正常的充冷條件為：充冷前蓄冷罐內(nèi)的水溫必須按自然的分層溫度分布，且斜溫層厚度必須正常。因此，在充冷前應(yīng)對蓄冷罐的水溫分層作一個檢測，當罐內(nèi)水溫斜溫層過厚，分層錯亂時，必須將罐內(nèi)這些溫度分層錯亂的“斜溫層”的水全部排至罐外，以確保水溫符合正常充冷條件。但是要將這些分層錯亂的“斜溫層”的水移至罐外，要消耗大量的時間和能源，既不能滿足運行時間控制的要求，又不符合水蓄冷系統(tǒng)的節(jié)能原則。

如要杜絕這些分層錯亂的“斜溫層”，就必須保證在日常運行操作中將蓄冷罐內(nèi)的水溫控制在正常充冷條件下。因此，日常運行操作必須按照如下要求進行。

1）嚴格控制蓄冷罐內(nèi)的充冷量 根據(jù)次日氣溫預(yù)測及用戶熱負荷預(yù)測，估算出較為精確的蓄冷罐內(nèi)的充冷量，以使當晚充入的冷量，在次日既滿足用戶需要，又能全部用完。

2）對蓄冷量不足或蓄冷量富裕的調(diào)節(jié) 因估算不準或用戶負荷變化造成蓄冷冷量不足時，應(yīng)增開制冷機制冷作補充。如蓄冷冷量過多，也必須設(shè)法用完，以保證下一次充冷操作能夠正常完成。

3）充放冷操作原則 充放冷操作以一次充入、一次放完為原則，避免在一個供冷運行日中進行多次充放冷操作，以防止蓄冷自然溫度分層的破壞。

4）嚴格控制蓄冷罐放冷運行時的回水溫度控制回水溫度不低于9.5℃，以保證充冷運行時制冷機組能正常制冷。

根據(jù)方案2進行試運行操作，蓄冷罐的充放冷運行正常。運行操作平穩(wěn)安全，基本符合原設(shè)計的充蓄冷溫度要求。但需要注意，由于方案2必須準確估算蓄冷罐內(nèi)的充冷量，這需要大量的原始數(shù)據(jù)及豐富經(jīng)驗，并且需要在實踐中不斷修正完善。由于水蓄冷系統(tǒng)是浦東機場2號能源中心工程的配套項目，沒有原始數(shù)據(jù)。目前可以通過浦東機場2號能源中心用戶單位的設(shè)計日負荷，制定蓄冷計劃。

4 不同負荷下的運行方案

浦東機場為上海市的窗口行業(yè)，設(shè)計負荷的25%～100%都有供冷需求。在不同負荷運行情況下，回水溫度會有明顯變化，這對斜溫層也有很大影響。通過結(jié)合以往氣溫變化情況、設(shè)計日的熱負荷情況以及參考數(shù)據(jù)，得出如下運行方案。

4.1100 %設(shè)計負荷的運行方案

設(shè)計日是夏季最熱時，結(jié)合空調(diào)逐時冷負荷分布圖及上海市水蓄冷空調(diào)的電費政策，水蓄冷系統(tǒng)按以下3種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，3～5臺主機提供夜間冷負荷，5～7臺主機全力蓄冷，至6：00時系統(tǒng)總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯(lián)合供冷模式（8：00至11：00，18：00至21：00）。這期間3～4臺主機在空調(diào)工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）主機單獨供冷模式（其余時間）。這期間8～10臺主機在空調(diào)工況下運行，可以滿足所有冷負荷需求。

4.2 非100%設(shè)計日負荷的運行方案

在天氣發(fā)生變化、日負荷較小時，系統(tǒng)將依據(jù)實際的冷負荷需求，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)運行模式。自動調(diào)整每一時段內(nèi)蓄冷罐供冷及主機供冷的相對應(yīng)比例，以實現(xiàn)分量儲冷模式逐步向全量儲冷模式的運行轉(zhuǎn)化，按照蓄冷罐優(yōu)先供冷原則，最大限度地控制主機在電力高峰期間的運行，節(jié)省運行費用。

4.375 %設(shè)計日負荷的運行方案

結(jié)合上海市的電價政策，在75%設(shè)計日負荷時水蓄冷系統(tǒng)按以下4種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，3～5臺主機提供夜間冷負荷，5～7臺主機全力蓄冷，至6：00時系統(tǒng)總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯(lián)合供冷模式（8：00至11：00，18：00至20：00）。這期間1～2臺主機在空調(diào)工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）蓄冷罐單獨供冷模式（20：00至21：00）。這期間由蓄冷罐滿足全部冷負荷的需求。

4）主機單獨供冷模式（其余時間）。這期間6～8臺主機在空調(diào)工況下運行，滿足所有冷負荷需求。

4.450 %設(shè)計日負荷的運行方案

結(jié)合上海市的電價政策，在50%設(shè)計日負荷時水蓄冷系統(tǒng)按以下4種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，2～3臺主機提供夜間冷負荷，7～8臺主機全力蓄冷，至6：00時系統(tǒng)總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯(lián)合供冷模式（12：00至13：00）。這期間5臺主機在空調(diào)工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）蓄冷罐單獨供冷模式（8：00至11：00，18：00至22：00）。這期間由蓄冷罐滿足全部冷負荷的需求。

4）主機單獨供冷模式（其余時間）。這期間5臺主機在空調(diào)工況下運行，滿足所有冷負荷需求。

4.525 %設(shè)計日負荷的運行方案

結(jié)合上海市的電價政策，在25%設(shè)計日負荷時水蓄冷系統(tǒng)按以下3種工作模式運行。

1）主機供冷+主機蓄冷模式（22：00至6：00）。這期間為電力低谷時段，1～2臺主機提供夜間冷負荷，7到8臺主機全力蓄冷，至6：00時系統(tǒng)總蓄冷量達到116 000RTH。

2）主機與蓄冷罐聯(lián)合供冷模式（15：00至18：00）。這期間1～2臺主機在空調(diào)工況下運行，滿足部分冷負荷的需求，其他冷負荷由蓄冷罐滿足。

3）蓄冷罐單獨供冷模式（7：00至15：00，18：00至22：00）。

55 種運行方案的耗電量與電費計算

當蓄冷率為34%時的常規(guī)制冷，水蓄冷在各種負荷下、不同時段的耗電量與電費計算結(jié)果見表2。通過水的顯熱儲存冷量，將夜間電網(wǎng)多余的谷段電力（低電價時）與水的顯熱相結(jié)合來蓄冷，以低溫冷凍水形式儲存冷量，并在用電高峰時段（高電價時）使用儲存的低溫冷凍水來作為冷源的空調(diào)系統(tǒng)。通過利用峰電與谷電的差價節(jié)約1290萬元電費。浦東機場2號能源中心投運至今，每年節(jié)約電費均為設(shè)計最大值的80%以上。

表2 采用116 000RTH蓄冷量的系統(tǒng)耗電量及電費計算結(jié)果

6 結(jié)語

通過以上一系列的運行方案的修正，運行操作平穩(wěn)安全，基本符合了原設(shè)計的充蓄冷的溫度要求，現(xiàn)蓄冷水罐內(nèi)的斜溫層已經(jīng)能夠很穩(wěn)定地控制在0.3～1.0m。分布式能源與儲能做為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵部分，被政府納入“十二五”規(guī)劃。水蓄冷作為分布式能源的一部分，是高效、環(huán)保的能源利用方式，有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)。

［1］ 殷亮，劉道平.自然分層水蓄冷技術(shù)［J］.暖通空調(diào)HV＆AC，1997，27（1）：50-53.

［2］ 黃麗.溫度分層型水蓄冷罐的模擬與理論研究［D］.武漢科技大學(xué)，2010.