穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置水冷系統(tǒng)制冷節(jié)能設(shè)計

許忠,唐佳麗,歐陽崢嶸,吳琦琦

1.安徽大學物質(zhì)科學與信息技術(shù)研究院,安徽 合肥 230601;

2.中國科學院強磁場科學中心,安徽 合肥 230031

1 引 言

穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(Steady High Magnetic Field Facilities,SHMFF)20 MW級水冷系統(tǒng)于2021年完成升級改造,目前運行穩(wěn)定,系統(tǒng)性能得以有效改善.系統(tǒng)原有制冷能力為兩臺離心式冷水機組串聯(lián)制冷,上游1號機最高可將26℃的實驗熱回水降至15.5℃,再由下游2號機制冷至6℃.制冷運行約10小時蓄滿3000 m3低溫冷凍水.由于改造涉及蓄冷量的翻倍,因此系統(tǒng)制冷能力需要得以相應升級,以維持合理的制冷時間.改造新增了一臺3號大溫差離心式冷水機組,制冷溫度為18℃至6℃.該機器的選型主要考慮水冷廠房空間限制并滿足多數(shù)制冷工況.而三臺大溫差離心式冷水機組的串、并聯(lián)制冷輸入功率巨大,為了降低能耗,在新增離心式冷水機組的上游增加了一臺閉式冷卻塔,在秋冬濕球溫度較低時可以利用室外的“免費冷源”進行制冷,達到節(jié)約能源的目的[1].系統(tǒng)升級改造后的原理圖如下所示.

圖1 水冷系統(tǒng)升級改造后原理圖Fig.1 Schematic diagram of cooling water system design after modification

閉式冷卻塔又名蒸發(fā)式冷卻器,相對于開式冷卻塔,其優(yōu)勢在于可保持流體的清潔,其利用水的蒸發(fā)潛熱帶走工藝流體的熱量,完成冷卻過程,具有節(jié)能、節(jié)水、運行費用低等特點[2].閉式冷卻塔的運行效果隨著室外空氣參數(shù)而變化[3],例如濕球溫度.濕球溫度較低的季節(jié)采用閉塔制冷使用,相對于離心式冷水機組具有明顯的節(jié)能效果.國際上的強磁場實驗裝置水冷磁體運行由于巨大的電能消耗,均需配備大型水冷系統(tǒng)帶走其熱量.美國強磁場采用4臺2000冷噸大溫差離心式冷水機組進行并聯(lián)制冷.而荷蘭強磁場則利用其所在地年平均濕球溫度僅7.5℃的自然條件,主要采用開式冷卻塔制冷,極端天氣才需配合冷水機組使用.而我國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置地處夏熱冬冷地區(qū),為了降低制冷能耗,必須優(yōu)化制冷配置,降低運行能耗.

2 水冷系統(tǒng)制冷模式分析

2.1 改造前制冷運行模式

改造前,水冷系統(tǒng)利用兩臺總制冷量達8 MW的大溫差離心式冷水機組進行制冷.而水冷系統(tǒng)的冷卻目標為5臺水冷磁體及一臺混合磁體內(nèi)水冷磁體.由于各臺磁體運行功率及用戶的運行模式均有所不同,冷凍水的回水溫度也不盡相同.

制冷運行前,根據(jù)蓄水罐內(nèi)的具體溫度,選擇下游機單獨制冷或兩臺冷機串聯(lián)制冷.上下游冷水機組的額定輸入功率分別為626 k W及756 k W,若以額定工況串聯(lián)制冷運行10小時,一晚消耗電能為13820 k Wh.

2.2 改造后制冷運行模式

由于蓄冷量的提升,系統(tǒng)制冷能力也隨之提升.新增冷水機組的額定輸入功率達937 k W,兩路制冷設(shè)備并聯(lián)運行能耗巨大.因此改造在冷水機組的上游增加了閉式冷卻塔.系統(tǒng)可根據(jù)不同磁體的實驗熱回水溫度及所需制冷水量,除選擇單臺設(shè)備制冷外,還可選擇多臺制冷設(shè)備串、并聯(lián)聯(lián)合制冷.秋冬季節(jié),濕球溫度較低時,盡可能采用閉式冷卻塔,實現(xiàn)節(jié)能的目的.

表1 水冷系統(tǒng)制冷運行模式Tab.1 Refrigeration operation mode of cooling water system

閉式冷卻塔的選型參數(shù)及性能曲線如表2及圖2所示.該選型參數(shù)的確定主要基于設(shè)備成本以及閉式冷卻塔可投入運行天數(shù)分析.

表2 閉式冷卻塔參數(shù)Tab.2 The parameters of closed cooling tower

在適當?shù)臐袂驕囟认?新增的閉塔和離心式冷水機組串聯(lián)運行可以實現(xiàn)最高20℃的大溫差制冷,即上游閉式冷卻塔:26～18℃;下游離心式冷水機組:18～6℃.由圖2的性能曲線可以看出,當空氣濕球溫度為12℃時,閉塔的進口水溫為26℃,出口水溫可以達到18℃,閉塔可以參與制冷運行.去離子水冷卻系統(tǒng)采用夜間蓄冷的運行模式,制冷時間通常為17:00開始.2020年6月1日至2021年5月31日合肥17:00和24:00系統(tǒng)所采集的空氣濕球溫度變化曲線如圖3所示.

圖2 閉式冷卻塔的性能曲線Fig.2 Performance curve of closed cooling tower

圖3 合肥本項目所在地濕球溫度曲線Fig.3 Air wet bulb temperature curve in Hefei

由上圖可知,11月上半月至來年3月下半月的濕球溫度基本低于12℃.經(jīng)詳細統(tǒng)計,共有124天17:00—24:00的空氣濕球溫度低于12℃,具備投入制冷運行的條件.該臺閉式冷卻塔在合肥地區(qū)的理論可運行天數(shù)占全年百分比近35%.

2.3 閉式冷卻塔制冷節(jié)能效益分析

由于大溫差離心式冷水機組不宜長時間低負荷運行,因此閉式冷卻塔在本系統(tǒng)中的節(jié)能應用無法始終發(fā)揮其理論最大能力.考慮制冷運行的時間較長,本系統(tǒng)將閉式冷卻塔與3號冷水機組串聯(lián)運行時的閉塔出水溫度設(shè)置為約11℃,保持冷水機組始終運行在50%左右的負荷,該負荷下冷水機組的COP達到6.9以上.

此外,本系統(tǒng)控制邏輯中,加入了濕球溫度與閉式冷卻塔進出水溫度的預測判斷.即通過擬合本臺閉式冷卻塔濕球溫度與實際運行閉塔進出口水溫關(guān)系式,當根據(jù)采集的濕球溫度及入口水溫,判斷出口水溫可達到制冷溫度時,3號冷水機組停止運行,由閉式冷卻塔單獨制冷.該模式可在保障系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,將閉塔的節(jié)能效果最大化.

閉式冷卻塔的節(jié)能效益分析主要將3號冷水機組作為分析參照.即對比閉式冷卻塔在某濕球溫度下將不同水溫的水制冷至11℃與3號機組制冷同樣溫度的輸入功率差異.在出水溫度定為11℃的前提下,擬合得出冷機輸入功率與制冷溫差的關(guān)系,如式(1)所示.

式中:Pin——離心式冷水機組的輸入功率,k W;

Δt——進出口水溫溫差,℃.

閉式冷卻塔制冷時,主要運行設(shè)備有風機及噴淋泵.運行中,風機的變頻器會通過控制風機轉(zhuǎn)速來改變風量,以滿足不同的制冷需求.噴淋水泵的輸入功率保持不變.則不同風機頻率下,閉塔的輸入功率為:

式中:P b——閉塔的輸入功率,k W;

f1——風機實際頻率,Hz;

fmax——風機最大頻率,Hz;

P1——風機的最大輸入功率,k W;

P2——泵的輸入功率,k W;

N——閉塔模塊數(shù),個.

由此,閉塔節(jié)能效益的數(shù)學模型為:

式中:E ec——使用閉塔節(jié)約的電能,k Wh;

T——使用閉塔的時間,h;

Pin、P b分別由式(1)、式(2)計算.

例如,當濕球溫度約為6℃時,出水溫度為11℃,制冷溫差為5℃,則采用閉式冷卻塔的制冷功率為82 k W,而采用3號冷水機組制冷,則功率達342 k W.制冷運行10小時,輸入功率差異為2600 k Wh,節(jié)能效益顯著.

3 閉式冷卻塔的防凍

閉式冷卻塔在夏熱冬冷地區(qū)使用,尤其是非連續(xù)運行系統(tǒng),必須考慮防凍問題,否則盤管易在冬季出現(xiàn)凍裂的情況.本項目選擇了逆流式閉式冷卻塔,其相比橫流塔具有占地面積小、冷卻效率高、在冬季運行不易結(jié)冰且防凍化冰更容易等優(yōu)點[4].閉塔的換熱盤管選用截面形狀因子E≈1.5的橢圓管.相較于圓管,橢圓型盤管抗凍性更好[5].E=1.5橢圓管具有液膜薄、均勻性好、傳熱系數(shù)明顯提高等特點[6-7].新增的閉塔結(jié)構(gòu)從上至下主要由風機、配水系統(tǒng)、填料、擋水板、換熱盤管、噴淋水泵、集水盤等構(gòu)成,其原理圖如下.

圖4 閉式冷卻塔結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Schematic diagram of closed cooling tower structure

而在工藝流程上,也設(shè)計了相應的循環(huán)流程.在非制冷階段,將其與實驗熱回水連通,一旦濕球溫度觸發(fā)循環(huán)條件,即開啟閥門及防凍泵進入防凍循環(huán).考慮極低溫條件下,非實驗及制冷階段,該循環(huán)若無法保障盤管安全,還有一路與蓄水罐連通的循環(huán)流程,直接進行大循環(huán).防凍原理圖如下所示.若系統(tǒng)停機時間較長,也可考慮放空閉塔盤管內(nèi)的存水.

圖5 水冷系統(tǒng)閉塔防凍循環(huán)示意圖Fig.5 Anti-freezing cycle of closed cooling tower in water system

4 總結(jié)

本文以合肥穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置水冷系統(tǒng)為研究對象,對其升級改造后整體制冷設(shè)計方案進行了介紹.重點針對冬季及過渡季節(jié)閉式冷卻塔在該系統(tǒng)中的制冷節(jié)能應用進行了分析.主要研究內(nèi)容及相關(guān)結(jié)論如下:

(1)由于該大功率水冷系統(tǒng)制冷能耗大,因此提出閉塔加大溫差離心式冷水機組串聯(lián)制冷的方案.該方案從參數(shù)設(shè)置及控制邏輯等方面充分考慮了大溫差機組低負荷運行的穩(wěn)定性及閉式冷卻塔利用的最大化問題.

(2)提出了閉式冷卻塔的選型依據(jù),結(jié)合系統(tǒng)運行特征及合肥濕球溫度數(shù)據(jù),提出了該項目閉式冷卻塔理論可參與系統(tǒng)制冷天數(shù)超過全年總天數(shù)的1/3.建立了閉式冷卻塔節(jié)能效益模型,以系統(tǒng)3號離心式冷水機組作為基準,分析得出在一定的濕球溫度及相同的制冷溫差條件下,閉式冷卻塔相較于冷水機組所節(jié)約的電能,指出其節(jié)能效果顯著.

(3)結(jié)合系統(tǒng)特征,給出了閉式冷卻塔防凍方案,該方案可確保在不同的系統(tǒng)狀態(tài)下,盤管無凍裂風險.

因此,閉式冷卻塔在夏熱冬冷地區(qū)的大功率水冷系統(tǒng)中制冷使用,具備可行性,且具有巨大的節(jié)能效益,本文提出的相關(guān)分析及設(shè)計策略可為類似項目提供參考.