熱氣工房工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

張福萍，李作鑫

(中國航天建設(shè)集團有限公司四分院，北京100072)

開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是指冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵送入冷卻設(shè)備進行熱交換，被加熱的冷卻水經(jīng)冷卻塔冷卻處理后，再由循環(huán)水泵送入冷卻設(shè)備，循環(huán)使用。系統(tǒng)在節(jié)能、經(jīng)濟和環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢，是目前工業(yè)、企業(yè)常用的主要冷卻方式［1，2］;結(jié)合本工程工藝設(shè)備需求，工程系統(tǒng)設(shè)計采用開式循環(huán)冷卻方式。

1 工程概述

工程位于南京市××區(qū)，其冷卻水系統(tǒng)對水溫、水質(zhì)要求如下:工藝設(shè)備進水溫度小于32℃，溫升一般在15～18℃;進水壓強 0.15～0.35 MPa;水質(zhì)酸堿度 pH值6～8，硬度不大于10度(每度為 1 L水中含 10 mgCaO)，總固體含量不超過250 mg/L。各工藝設(shè)備用水量見表1。

表1 工藝設(shè)備用水量 單位:m3/h

由表1可知系統(tǒng)最大循環(huán)水總量為268 m3/h。工程主要設(shè)計難點:循環(huán)水用水總量大，為目前單位工藝循環(huán)水用量最大的建筑物之一;用水設(shè)備多且布置分散，相同用水量設(shè)備分散設(shè)置于建筑物內(nèi)，具有4臺小流量用水設(shè)備和8臺大流量用水設(shè)備;單臺設(shè)備用水量差別大，最大40 m3/h，最小1 m3/h;同一設(shè)備用水量變化大，最大38 m3/h，平時8 m3/h;根據(jù)試驗的不同各設(shè)備之間使用搭配無規(guī)律且不固定;進水溫度要求嚴格，水溫過高或過低都會對試驗產(chǎn)生影響甚至損壞試驗設(shè)備。

2 工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

循環(huán)冷卻水通過變頻水泵，經(jīng)物化全程水處理器處理后輸送至工藝用水設(shè)備，冷卻水換熱后通過溫度控制選擇是否進入冷卻塔冷卻或直接回流入水箱;由于水在循環(huán)過程中，蒸發(fā)、風吹、排污和滲漏要損失一部分水量，為使水量平衡需進行補水;系統(tǒng)以市政給水經(jīng)全自動軟水器處理后作為補水水源，為滿足工藝設(shè)備水質(zhì)要求及防止水質(zhì)變化，市政水源需經(jīng)全自動軟水器處理后進入水箱。工程所采用循環(huán)冷卻水工藝流程見圖1。

圖1 工藝循環(huán)冷卻水流程

2.2 系統(tǒng)分組

根據(jù)項目每臺設(shè)備的用水量及使用特點，工程工藝設(shè)備循環(huán)冷卻水共設(shè)計了3個系統(tǒng)，系統(tǒng)分組及選用變頻泵組情況見表2。

表2 系統(tǒng)分組

在系統(tǒng)分配時，每個系統(tǒng)充分考慮設(shè)備同時使用系數(shù)，工程工藝設(shè)備的水溫、水壓的要求相同，在滿足同時使用最大用水量的同時，又要滿足單臺設(shè)備小流量的用水要求，同時達到設(shè)備運行節(jié)能的目的。為了保證用水點的流量和壓力，每個系統(tǒng)用水設(shè)備管道采用同程布置［3］。

2.3 泵組系統(tǒng)控制

根據(jù)工藝設(shè)備用水量變化大，用水時間也不穩(wěn)定的特點;工程系統(tǒng)設(shè)計中采用了變頻調(diào)速泵組(自帶1臺變頻控制柜)，系統(tǒng)水量根據(jù)工藝設(shè)備使用狀況采用循環(huán)水泵變頻加臺數(shù)進行調(diào)節(jié)，為避免壓力表波動在出水管道上設(shè)置1臺24 L小氣壓罐;為防止循環(huán)冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生短路，在系統(tǒng)最不利點設(shè)置遠傳電接點壓力表，水泵的運行由系統(tǒng)最遠用水點的壓力控制［4］。

選泵的技術(shù)要求必須運行在高效區(qū)，因此選擇水泵變流量范圍應(yīng)控制在25%～100%之間，即一臺水泵的出流量只能運行在1/4～4/4工作范圍;由于設(shè)置了氣壓罐，可以調(diào)節(jié)瞬時的用水量變化、穩(wěn)定水泵切換過程中造成的水壓波動，因此可使水泵一直運行在高郊區(qū)［5］。結(jié)合工程工藝設(shè)備用水特點，在選擇水泵時，變流量控制在50%。

為實現(xiàn)變頻泵組的安全控制，需根據(jù)水泵的特性曲線和工程工況需求合理選擇水泵，這樣才能滿足生產(chǎn)需求。現(xiàn)以循環(huán)冷卻水系統(tǒng)二為例，以兩種水泵的特性曲線核實滿足工況需求，具體見水泵特性曲線圖2、3。

圖2 水泵-CR(E)45-2的特性曲線

圖3 水泵-CR(E)20-3的特性曲線

工程單泵主要工況點如圖2、3中A，B，C點所示;各點主要參數(shù):Qa=38 m3/h，Ha=43.3 m;Qb=8 m3/h，Hb=38.8 m;Qc=20 m3/h，Hc=41.1 m。由上可知通過控制不同變頻泵的組合開啟可滿足系統(tǒng) Qmax=78 m3/h，Qmin=8 m3/h，H0=38 m的工況要求。系統(tǒng)運行過程中為滿足節(jié)能要求，主泵運行時，小泵退出運行。

2.4 冷卻塔組控制

在系統(tǒng)設(shè)計中，由于工藝設(shè)備溫升大，為15～18℃，即冷卻塔進水溫度為50℃，為了保證冷卻效果和設(shè)備安全，工程各系統(tǒng)均采用高溫型冷卻塔散熱。開式冷卻塔選型按最大運行流量設(shè)計，為保證小流量運行時布水安全可靠，冷卻塔采用重力流布水型。

為了避免運行時設(shè)備回水溫度低于室外環(huán)境濕球溫度，每個系統(tǒng)的室外地面冷卻塔進、出水管及連接管上均設(shè)置了3個電動蝶閥，閥門由濕球溫度控制開啟。工程各系統(tǒng)工藝設(shè)備要求隨時監(jiān)測循環(huán)水進水口的壓力與溫度以及每個支路回水口的水溫與流量，所以在各系統(tǒng)的進水總水管上設(shè)置了遠傳電接點壓力表和溫度傳感器，在每個支路的回水管上設(shè)置了溫度傳感器和電磁流量計，信號均傳到控制室。

3 結(jié)論

當前的工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，有很多工程是按照滿足最不利用水條件的原則進行設(shè)計和運行的，系統(tǒng)采用最大流量、最高供水壓力向工藝設(shè)備供水是最常用的做法［4］。對于工藝循環(huán)冷卻水系統(tǒng)而言，設(shè)備的用水需求并非都是恒定不變的。有時單個設(shè)備用水量在試驗工況與平時工況就有很大區(qū)別，有時單個工藝設(shè)備的用水情況是不變的，但多個工藝設(shè)備組合在一起，由于用水時間、周期的不同，其總的用水條件也是在變化的。因此在設(shè)計過程中應(yīng)充分根據(jù)各工藝設(shè)備工況特點合理分配系統(tǒng)，并根據(jù)水泵特性切實選擇適宜水泵。

通過對工程循環(huán)冷卻水系統(tǒng)流量、壓力控制和冷卻塔組溫度等一系列設(shè)計要點的介紹和分析，對航天系統(tǒng)類似的廠房、試驗樓的工藝循環(huán)冷卻水設(shè)計提供一定的借鑒經(jīng)驗。

［1］王強.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施給水排水［M］.北京:中國計劃出版社，2009

［2］張杰.工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范［M］.北京:中國計劃出版社，2003

［3］金亞飚.新型連鑄結(jié)晶輥循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計［J］.工業(yè)給排水，2013，39(12):54-57

［4］張琳.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能方案設(shè)計實踐［J］.有色冶金節(jié)能，2013，2(1):36-39

［5］李仁義.建筑給水排水設(shè)計手冊［M］.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011