組合式工業(yè)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設計研究

余雪花

（機械工業(yè)第六設計研究院有限公司天津分公司 天津 300392）

0 引 言

冷卻塔結(jié)構(gòu)簡單、造價低、運行維護成本低廉等優(yōu)勢突出。對于一種結(jié)構(gòu)已確定的冷卻塔，其出口水溫由冷負荷和室外空氣濕球溫度決定。濕球溫度則代表在當?shù)卮髿鉁囟葪l件下水可以被冷卻的最低溫度，即冷卻塔出水溫度的理論極限［2］。在實際工程應用中，受項目所在地自然氣候條件等多重因素影響，在最不利工況下，冷卻塔作為單一冷源可能難以實現(xiàn)生產(chǎn)工藝循環(huán)水冷卻的需求［3-6］。通過設計形成一套組合式工業(yè)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，充分發(fā)揮冷卻塔的冷卻效能，同時配合輔助冷卻設備，可滿足不同工況下生產(chǎn)工藝循環(huán)冷卻水需求，對保障工藝條件、節(jié)約能耗具有重要意義［7］。

1 項目概況

該項目位于某工業(yè)企業(yè)的車間內(nèi)，生產(chǎn)工藝使用循環(huán)冷卻水。該車間工藝設備數(shù)量多，循環(huán)冷卻水需求量較大且不均衡。特別是工藝設備循環(huán)冷卻水供水水溫要求較低，以冷卻塔為單一冷源的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)難以滿足工藝需求，需統(tǒng)籌考慮冷卻效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性、能耗及造價，設計形成一套循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，以保障工藝設備穩(wěn)定運行。

2 循環(huán)冷卻水需求分析

2.1 水量分析

根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，需要使用冷卻循環(huán)水的工藝設備共計150臺，循環(huán)冷卻水用水量合計1 720 m3/h，其中最高用水設備用水量300 m3/h，最低用水設備用水量0.5 m3/h，用水量差異較大，且生產(chǎn)初期工藝設備不會全部開啟。系統(tǒng)用水量整體處于非比例變化的動態(tài)中，冷源選型應能適應系統(tǒng)水量變化，管網(wǎng)設計需考慮配水均勻性。

2.2 溫度分析

經(jīng)查詢當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，該項目所在地夏季溫度最高時室外濕球溫度為27 ℃。因冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度之差（即逼近度）在正常處理水量下通常為4 ℃，故冷卻塔在一年中最不利情況下出水溫度為31 ℃。

根據(jù)工藝設備要求，工藝設備在標準工況下供水溫度不得高于28 ℃，對應回水溫度為36 ℃；最低供水溫度不應低于20 ℃。故在夏季最不利工況下，除冷卻塔外均須設置輔助冷源。當室外濕球溫度低于24 ℃時，冷卻塔循環(huán)水出水溫度不高于28 ℃，此時僅用冷卻塔降溫，輔助冷源停止運行。當溫度進一步降低，冷卻塔運行出水溫度低于20 ℃時，采用旁通措施保證冷卻塔出水溫度不低于20 ℃，確保工藝設備正常運行。

2.3 水力分析

在變流量系統(tǒng)中，水力平衡可確保各工藝設備在各工況下至少可接收到所需的流量?？紤]到項目非一次性投產(chǎn)，且不同設備用水量差別較大，檢修時可能造成系統(tǒng)循環(huán)流量變化，進而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為使整個系統(tǒng)在設計工況下獲得所需流量，水力平衡是本項目中的必要工藝流程，原理如圖1所示。

圖1 循環(huán)冷卻系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of principle of circulating cooling system

循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷源可采用冷水機或冷卻塔等制冷設備。冷卻水經(jīng)過工藝設備升溫后，經(jīng)冷卻水循環(huán)泵回到冷源中降溫，再繼續(xù)供給生產(chǎn)設備?？稍诠┗厮晒荛g增設聯(lián)通管及電動調(diào)節(jié)閥，在工藝設備非滿負荷運行條件下，根據(jù)工藝設備開啟數(shù)量變化所引起的需水量變化，自動調(diào)整電動閥開度，多余循環(huán)水通過聯(lián)通管回到冷源，確保各工藝設備水量及水力條件相對穩(wěn)定和不受其他工藝設備開閉影響。靜態(tài)水力平衡閥用于克服系統(tǒng)因連接形式產(chǎn)生的水力不平衡［8］。

由于改造施工是在既有線上進行的，且每日施工僅有不到4 h 的“天窗”時間，當日施工結(jié)束后必須恢復線路并保證軌道狀態(tài)穩(wěn)定，不影響線路運營安全。因此，改造方案需重點考慮以下兩方面的問題：

3 循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設計

循環(huán)水冷卻系統(tǒng)為閉式循環(huán)系統(tǒng)，為節(jié)約成本，主要冷源選擇閉式冷卻塔，采用板式換熱器并聯(lián)冷水機組作為輔助冷源。系統(tǒng)設置循環(huán)泵，循環(huán)水由冷源及輔助冷源降溫后通過循環(huán)泵供給工藝生產(chǎn)線中的設備，升溫后的循環(huán)水回到冷源再一次降溫，實現(xiàn)往復循環(huán)。系統(tǒng)采用定壓補水裝置補水，水源來自軟水機制軟化水。輔助冷源的冷水機組冷凝器側(cè)設置循環(huán)水泵與冷卻塔循環(huán)降溫，蒸發(fā)器側(cè)設置水泵及中間水箱與板式換熱器循環(huán)降溫。循環(huán)冷卻系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2 循環(huán)冷卻系統(tǒng)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of circulating cooling system

在制冷站房內(nèi)設置流量相同的2套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)設計流量為860 m3/h，一用一備。以下計算選型均以單套系統(tǒng)計。

3.1 冷卻塔設計

選用3臺閉式冷卻塔，單臺設計流量為430 m3/h，兩用一備。冷卻塔夏季運行時，采用冷水機輔助降溫；冬季運行或遇停產(chǎn)等非正常工況時，采用電伴熱保溫方式保證水溫不低于5 ℃；恢復生產(chǎn)后，先采用鍋爐房熱水供回水管路，通過板式換熱器加熱，至循環(huán)水溫度高于20 ℃后停止。

3.2 工藝冷卻水循環(huán)泵設計

工藝冷卻水循環(huán)泵設計流量為系統(tǒng)循環(huán)水量的1.1倍，選用3臺水泵，兩用一備，單臺設計流量473 m3/h。水泵揚程為系統(tǒng)管路水頭損失加上末端設備所需水頭損失，經(jīng)計算約為0.5 MPa。

3.3 板式換熱器設計

板式換熱器為系統(tǒng)中連接主循環(huán)水系統(tǒng)和輔助冷源的關鍵設備。當冷卻循環(huán)水溫度經(jīng)由冷卻塔無法降至預期值，即出水溫度升至28 ℃時，自動開啟并調(diào)節(jié)比例式調(diào)節(jié)閥，啟動冷凍水循環(huán)泵（板式換熱器側(cè)）；冷凍水系統(tǒng)通過板式換熱器降低冷卻循環(huán)水供水溫度，使冷卻循環(huán)水供水溫度降至28 ℃以下。冷卻水側(cè)流量與系統(tǒng)流量一致，溫差為28～31℃；冷凍水側(cè)與冷凍水循環(huán)泵（板式換熱器側(cè)）一致，溫差為7～12 ℃。

3.4 輔助冷源系統(tǒng)設計

冷水機組作為系統(tǒng)的輔助冷源，難以實現(xiàn)變頻水泵式的精細化定量供冷方式，故應設置冷凍水箱。冷凍水箱存儲一定量冷凍水，冷凍水循環(huán)泵（板式換熱器側(cè)）根據(jù)工藝設備冷卻需求啟停，通過板式換熱器與工藝設備換熱。同時，冷水機組與冷凍水箱間采用冷凍水循環(huán)泵（冷水機側(cè)）換熱。當冷凍水箱溫度超過22 ℃時，冷凍水循環(huán)泵（冷水機側(cè)）啟動，冷水機組開啟直至冷凍水箱溫度至12 ℃，冷水機組及冷凍水循環(huán)泵（冷水機側(cè)）依次停止運行，直至冷凍水箱溫度升至22 ℃時再次啟動。

常規(guī)冷水機組蒸發(fā)器端進出水溫度為7～12 ℃，當系統(tǒng)需冷量降低、蒸發(fā)器端進水溫度降低時，冷水機組停止工作。使用冷凍水箱既解決了供用冷平衡問題，又能防止冷水機組頻繁啟?；虻蜏剡\行喘振停機對正常生產(chǎn)的影響。

3.4.1 冷水機組選型

冷水機制冷量計算如式（1）所示：

式中：Q為制冷量，kW；T1為進水溫度，℃，本項目取31℃；T2為出水溫度，℃，本項目取28 ℃；L為冷卻水循環(huán)水量，L/s。

通過計算，冷水機組制冷量至少應為2 995.6 kW，選用一臺冷水機組，單臺冷水機組制冷量3 010 kW、用電功率555 kW，蒸發(fā)器側(cè)流量517.7 m3/h（冷凍水）、進出水溫度為7～12 ℃，冷凝器側(cè)流量616.3 m3/h（冷卻水）、進出水溫度為32～37 ℃。

3.4.2 水泵設計

輔助冷源系統(tǒng)中共設置3組水泵。其中冷凍水循環(huán)泵（板式換熱器側(cè)）為冷凍水箱和板換之間的循環(huán)泵；冷凍水循環(huán)泵（冷水機側(cè)）為冷凍水箱和冷水機組之間的循環(huán)泵；冷凍水循環(huán)泵（冷卻塔側(cè)）為冷水機組與冷卻塔之間的循環(huán)泵。

冷凍水循環(huán)泵（板式換熱器側(cè)）和冷凍水循環(huán)泵（冷水機側(cè)）流量采用冷水機組蒸發(fā)器側(cè)流量，選用2臺相同型號水泵，一用一備。揚程為管路及設備水頭損失，經(jīng)計算約為0.2 MPa。

冷卻塔采用開式冷卻塔，冷凍水循環(huán)泵（冷卻塔側(cè)）流量為冷水機冷凝器側(cè)流量的1.2倍，流量為740 m3/h。冷卻塔設置于室外地面，經(jīng)計算，管路水頭損失加上冷卻塔與冷水機組安裝位置的高差、冷水機組的局部水頭損失約為0.2 MPa。

3.4.3 冷卻塔設計

冷卻塔設計流量為冷水機冷凝器側(cè)流量的1.2倍，與冷凍水循環(huán)泵（冷卻塔側(cè)）流量一致，設計流量740 m3/h，進出水溫度為32～37 ℃。

3.4.4 冷凍水箱設計

冷水機組在冷負荷低于滿負荷25%時可能發(fā)生喘振停機，而停機后至重新啟動至少需0.5 h。因此，冷凍水箱存儲的冷量應不低于25%冷負荷工況下停機0.5 h的冷量，即25%循環(huán)水流量0.5 h的水量，計算得65 m3。

3.4.5 定壓補水系統(tǒng)

定壓補水裝置主要由囊式定壓罐、水泵、壓力開關、控制箱等組成，通過吸納部分水膨脹量實現(xiàn)自動補水、自動排氣、自動泄壓和自動過壓保護等功能。當系統(tǒng)中水體積減小、系統(tǒng)壓力降低時，罐內(nèi)氣體膨脹將囊中水壓回系統(tǒng)，若補水量仍不能滿足系統(tǒng)需水量，則水泵啟動補水。因此，水泵流量的選擇要根據(jù)系統(tǒng)的漏損量計算，由于閉式系統(tǒng)水的損耗很低，選用水泵流量一般較小，壓力一般為系統(tǒng)最高點和定壓點的高差，并附加2～3 m靜水壓力余量。

4 結(jié) 論

采用閉式冷卻塔為主要冷源，結(jié)合冷水機、冷凍水箱、板式換熱器等組成輔助冷源系統(tǒng)所形成的組合式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)在2個方面具有獨特優(yōu)勢：一是節(jié)能效果突出，通過充分利用冷卻塔的制冷能力，冷水機組僅在夏季高溫時段用于補充冷卻塔無法提供的冷量，較僅采用冷水機組為冷源的方案更加節(jié)能；二是保障正常生產(chǎn)效果明顯，通過采用冷水箱蓄冷，平穩(wěn)解決了冷水機低負荷工況下的生產(chǎn)供冷問題，保護了冷水機正常運行，同時系統(tǒng)優(yōu)化了水力平衡，保障了各工藝設備用水需求。因此，此組合式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)具有高效、穩(wěn)定、節(jié)能等特點，具有較大的推廣潛力。