能源站中給排水循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思考

方婷婷

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002）

1 引言

為了建設(shè)低碳、節(jié)能的綠色建筑，建設(shè)項(xiàng)目綜合利用能源成為一種趨勢(shì)[1]。大型能源站根據(jù)服務(wù)區(qū)域的功能定位及項(xiàng)目所在地的可用資源條件，綜合考慮能源方案，從而提高資源利用率，提高能源經(jīng)濟(jì)效益。常見的能源方案為冷熱電三聯(lián)供，涉及的設(shè)備主要有燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組等。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的作用是在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行換熱，帶走設(shè)備及制冷劑的熱量。

2 能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)特點(diǎn)

1）系統(tǒng)水量大

由于能源站設(shè)備需服務(wù)地塊面積較大，因此，三聯(lián)供設(shè)備機(jī)組負(fù)荷高，從而循環(huán)水系統(tǒng)的水量相比于普通的單體建筑循環(huán)水量要大許多，單組冷卻塔的循環(huán)水量通常為500～1 000 m3/h，需多臺(tái)冷卻塔機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。

2）運(yùn)行工況復(fù)雜

由于制冷機(jī)組的運(yùn)行模式多，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行也需要與之相匹配，因此，存在多種無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的運(yùn)行工況。

3）噪聲限制

能源站可為獨(dú)立建筑也可能依附于公共建筑。能源站的選址多樣化，其周圍可能存在對(duì)噪聲較為敏感的建筑或能源站建筑本身對(duì)噪聲需要控制。

3 能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

能源站中不同制冷設(shè)備運(yùn)行工況不同，按制冷設(shè)備分為不同循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化對(duì)冷卻水系統(tǒng)的控制，同系統(tǒng)間的水量平衡較容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，由于能源站建筑高度通常較低，三聯(lián)供設(shè)備及冷卻水塔出水點(diǎn)間高差較小，為保證制冷設(shè)備的進(jìn)水壓力，宜采用水泵前置式。干管制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有管路系統(tǒng)簡(jiǎn)單、冷卻塔使用率高、單臺(tái)設(shè)備檢修時(shí)不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行、系統(tǒng)靈活度高等優(yōu)點(diǎn)。

4 已建成能源站運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)問(wèn)題

通過(guò)對(duì)多家已建成的大型能源站進(jìn)行調(diào)研，在運(yùn)行過(guò)程中站內(nèi)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題。

4.1 冬季運(yùn)行問(wèn)題

冬季時(shí)，能源站主要負(fù)責(zé)給服務(wù)地塊提供熱源，部分設(shè)備（如離心式制冷機(jī)組）需間歇地運(yùn)用冷卻水進(jìn)行換熱。冬季環(huán)境溫度較低，冷卻水管道內(nèi)的冷卻水初溫較低，設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮冷卻水系統(tǒng)低流量旁通管，管徑與單臺(tái)冷卻塔進(jìn)水管管徑相同，冬季運(yùn)行初期，用循環(huán)冷卻水進(jìn)行低流量旁通，待冷卻水溫度升高至設(shè)計(jì)溫度時(shí)，啟動(dòng)冷卻水塔進(jìn)行循環(huán)。低流量旁通分為2 種形式：供水主管旁通及冷卻水塔集水盤旁通。

除此之外，在冬季結(jié)冰地區(qū)，對(duì)于冬季需間歇運(yùn)行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，應(yīng)考慮冷卻水塔集水池、水盤的保溫、電加熱措施及室外露天循環(huán)冷卻水管道的保溫措施，以防集水池、水盤及管道結(jié)冰甚至凍裂，從而影響冷卻塔正常運(yùn)作。

4.2 水質(zhì)問(wèn)題

開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于水溫較高，循環(huán)水濃縮，從而使水中碳酸鈣、硫酸鈣等結(jié)晶水垢增多；水與空氣直接接觸使水中藻類及細(xì)菌繁殖，同時(shí)，空氣中灰塵、昆蟲、樹葉等進(jìn)入系統(tǒng)，使循環(huán)冷卻水水質(zhì)變差、水中污垢增多，因此，在運(yùn)行中出現(xiàn)存在需要頻繁清洗設(shè)備前端過(guò)濾器的困擾。

能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水量大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，采取以下措施：（1）集水盤或集水池出水口設(shè)置濾網(wǎng)，攔截水盤或水池內(nèi)沉淀的污垢；（2）設(shè)置旁濾，將1%～5%的循環(huán)冷卻水進(jìn)行旁濾；（3）設(shè)置水質(zhì)檢測(cè)儀，自動(dòng)投加化學(xué)藥劑，如緩蝕阻垢劑、濃硫酸、氧化性殺菌劑及非氧化性殺菌劑等；（4）定期排污，條件允許時(shí)設(shè)置自動(dòng)排污閥，由水質(zhì)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率值連鎖控制啟閉。根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排水應(yīng)排入室外污水管道。

5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 循環(huán)水量確定

能源站項(xiàng)目中，循環(huán)冷卻水的水量需結(jié)合三聯(lián)供設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷及運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算。

5.1.1 循環(huán)冷卻水換熱流程

三聯(lián)供系統(tǒng)（燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組）冷卻水換熱流程如圖1 所示。

圖1 三聯(lián)供系統(tǒng)冷卻水換熱流程

在三聯(lián)供系統(tǒng)中，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)有高溫?zé)煔饧案滋姿? 種余熱資源，當(dāng)溴化鋰機(jī)組暫停運(yùn)行而燃?xì)獍l(fā)電機(jī)仍需保持運(yùn)行的狀態(tài)下，廢氣排放至大氣中，缸套水需采用冷卻水進(jìn)行冷卻換熱，因此，在計(jì)算循環(huán)冷卻水流量時(shí)，需對(duì)應(yīng)急冷卻水量進(jìn)行校核。

5.1.2 循環(huán)冷卻水量計(jì)算

循環(huán)冷卻水水量基于耗熱量公式進(jìn)行計(jì)算：

板式換熱器：

式中，qh為循環(huán)冷卻水量，m3/h；Ql為制冷量，通常用冷噸（RT）或功率（kW）來(lái)表示；COP 為能效比，制冷量與制冷所消耗電功率的比值，無(wú)量綱；Qh為耗熱量，循環(huán)冷卻水帶走的熱量，kJ/h；tr、tl為制冷設(shè)備冷卻水進(jìn)出水溫度，℃；k 為板式換熱器效率，無(wú)量綱；C 為水的比熱，4.187 kJ/（kg·℃）；ρr為制冷設(shè)備冷卻水出水密度，kg/L。

5.1.3 循環(huán)冷卻水補(bǔ)水量及排放水量計(jì)算

參照GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》，間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水量及排污水量主要有以下計(jì)算公式：

式中，Δt 為冷卻水塔進(jìn)出水溫差，℃；K 為氣溫系數(shù)，1/℃；pw為風(fēng)吹損失水率，機(jī)械通風(fēng)冷卻塔取0.05%～0.10%；N 為濃縮倍數(shù)，循環(huán)冷卻水與補(bǔ)充水含鹽量比值，設(shè)計(jì)值≥3，無(wú)量綱；Qe為冷卻塔蒸發(fā)水量，m3/h；Qw為風(fēng)吹損失水量，m3/h；Qb為排污水量，m3/h。

新鮮水補(bǔ)水量為冷卻塔蒸發(fā)水量、風(fēng)吹損失水量及排污水量之和。由此可知，為提高循環(huán)水系統(tǒng)的水利用率，減少新鮮水使用量及污水排放量，濃縮倍數(shù)極為關(guān)鍵。而濃縮倍數(shù)與新鮮水補(bǔ)水水質(zhì)有關(guān)。以上海某項(xiàng)目為例，在使用水處理劑時(shí)，濃縮倍數(shù)可控制在4～7，當(dāng)濃縮倍數(shù)＞8 時(shí)，節(jié)水效果不明顯，并且循環(huán)水水質(zhì)惡化將影響制冷設(shè)備正常運(yùn)行。

5.2 循環(huán)水控制系統(tǒng)

為與制冷設(shè)備運(yùn)行工況更好地匹配，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的循環(huán)水泵及冷卻水塔宜采用變頻控制，并在循環(huán)水供回水總管上設(shè)置壓力表、溫度表。

冷卻水塔風(fēng)速變頻由冷卻水出水總管溫度表連鎖控制，出水總管水溫低時(shí)，風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，反之風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行；循環(huán)水泵流量變頻由冷卻水塔回水總管溫度連鎖控制，回水總管水溫低時(shí)，采用低流速運(yùn)行，反之高流速運(yùn)行。同時(shí)，低流量旁通管調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)制冷機(jī)冷卻水進(jìn)出總管的壓差值調(diào)節(jié)開啟度，當(dāng)壓差較低時(shí)，加大旁通閥開啟度，增加旁通流量，提高制冷機(jī)冷卻水進(jìn)水溫度，反之減小旁通閥開啟度。

經(jīng)研究表明，冷卻塔冷量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)能耗與轉(zhuǎn)速比的立方成正比。不同運(yùn)行工況，能耗對(duì)比見表1（以4 臺(tái)同型號(hào)冷卻塔并聯(lián)為例）。

表1 4 臺(tái)并聯(lián)冷卻塔不同工況能耗對(duì)比

因此，當(dāng)?shù)土髁垦h(huán)時(shí)，冷卻水平均分配至冷卻塔中進(jìn)行冷卻，以滿足節(jié)能降耗的綠色要求。

5.3 設(shè)備及管道設(shè)置

5.3.1 連通管設(shè)置

能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻塔通常多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，但由于受項(xiàng)目場(chǎng)地限制，難以設(shè)置集水池，應(yīng)在集水盤間增設(shè)連通管，防止水盤被抽空或水盤溢流。連通管管徑需考慮在淋水時(shí)間內(nèi)，滿足單臺(tái)冷卻塔從配水管至集水盤淋水時(shí)間內(nèi)的循環(huán)水量與集水盤容積之間的差值，連通管總管管徑宜按并聯(lián)冷卻塔臺(tái)數(shù)加權(quán)計(jì)算。

5.3.2 集水盤深度設(shè)置

當(dāng)冷卻塔及循環(huán)水泵位于同一層時(shí)，為避免氣蝕的發(fā)生，冷卻水塔盡可能采用集水池集水，當(dāng)確有困難無(wú)法設(shè)置時(shí)，需考慮集水盤的有效水深及水泵吸水管的布置方式。

集水盤有效水深需按GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)離心泵進(jìn)水管在吸水池中的布置要求進(jìn)行校核，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)集水盤深度不滿足要求時(shí)，可要求設(shè)備供應(yīng)商按要求加深集水盤，同時(shí)，可采用抬高冷卻塔基礎(chǔ)的方式避免氣蝕[4]。

5.3.3 冷卻塔回水總管設(shè)置

為保證同系統(tǒng)多臺(tái)冷卻塔進(jìn)水量均勻，冷卻塔進(jìn)水總管盡可能采用環(huán)狀布置，當(dāng)不能滿足時(shí)，可采用在冷卻塔進(jìn)水管上安裝靜態(tài)流量平衡閥的方法加以彌補(bǔ)。

5.3.4 降噪設(shè)置

為降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行噪聲，采用低噪聲型冷卻塔。冷卻塔及循環(huán)水泵基礎(chǔ)應(yīng)考慮采用減震器，管道與設(shè)備連接處設(shè)置軟接頭。必要時(shí)，在冷卻塔周圍設(shè)置消聲器，設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮消聲器通風(fēng)量及流阻與冷卻塔進(jìn)出風(fēng)條件相匹配。

6 結(jié)語(yǔ)

大型能源站中的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有流量大、運(yùn)行復(fù)雜、系統(tǒng)種類多的特點(diǎn)，本文通過(guò)對(duì)已建成能源站進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的問(wèn)題。結(jié)合項(xiàng)目，從循環(huán)冷卻水換熱流程出發(fā)，總結(jié)了設(shè)計(jì)水量、系統(tǒng)控制、冷卻水系統(tǒng)設(shè)備及管道布置要點(diǎn)，確保系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、綠色、節(jié)能。