一種緊急釋熱裝置的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐(一)

李星 王爭利 王興龍 王鵬飛 許浩

摘 要：對(duì)采用制冷裝置冷卻降溫的Tokamak（托卡馬克）裝置單回路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，分析其在設(shè)備及管路運(yùn)行時(shí)存在的問題與不足，在其基礎(chǔ)上提出Tokamak（托卡馬克）裝置雙回路冷卻水循環(huán)，即Tokamak（托卡馬克）裝置冷卻水和制冷裝置冷凍水獨(dú)立循環(huán)回路，兩回路以水箱連接。通過不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，指出雙回路冷卻循環(huán)在設(shè)備投資及實(shí)際運(yùn)行中均優(yōu)于單回路系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：冷卻水;冷凍水;制冷裝置;循環(huán)泵

中圖分類號(hào)：TL33? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）13-0037-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.13.009

0? ? 引言

文獻(xiàn)[1]指出，為保證Tokamak（托卡馬克）裝置正常冷卻，其冷卻水采用制冷裝置冷卻降溫。制冷裝置直接設(shè)置在供、回水箱之間，如圖1所示，水泵提供的動(dòng)力可以克服試驗(yàn)裝置（水阻力0.8 MPa）、制冷裝置（水阻力0.05～0.08 MPa）及管道阻力，但試驗(yàn)裝置水流量（3.67 L/s）小于制冷裝置水流量（4.13 L/s，制冷量以最小值86.40 kW計(jì)，實(shí)際水流量大于該值），試驗(yàn)裝置水流量只有制冷裝置理論水量的88.86%，如果以試驗(yàn)裝置水流量運(yùn)行，則會(huì)造成制冷機(jī)水流量不足引起制冷機(jī)停機(jī)，且供、回水箱會(huì)承受一定的壓力。水泵流量選型若以制冷裝置為準(zhǔn)，則會(huì)引起試驗(yàn)裝置流量過大。

1? ? 冷卻水系統(tǒng)水泵的設(shè)置

如圖2所示，供水水箱可以去掉，采用管道直接連接制冷裝置和水泵。

1.1? ? 水泵設(shè)置在制冷裝置出口、試驗(yàn)裝置入口之間

項(xiàng)目在屋面預(yù)留了制冷設(shè)備安裝條件，且滿足制冷裝置的散熱要求?？紤]水箱荷載較大且場地有限，將水箱設(shè)置于室內(nèi)地面，以利于保溫，水箱和制冷裝置之間存在10.60 m的高差。水泵如設(shè)置在制冷裝置出口、試驗(yàn)裝置入口之間的管段，其優(yōu)點(diǎn)是制冷裝置承受壓力較小，缺點(diǎn)是制冷裝置高于水箱，水流無法依靠水泵的汽蝕余量克服制冷裝置及其管道的阻力進(jìn)入水泵。在管道和水箱必須滿水并承受一定壓力的條件下即管路為閉式，才能依靠水泵動(dòng)力送至制冷裝置。管道、水箱若承受壓力，整個(gè)系統(tǒng)需單獨(dú)設(shè)置定壓補(bǔ)水系統(tǒng)，且無論定壓補(bǔ)水系統(tǒng)采用何種方式均需額外設(shè)置一套補(bǔ)水水箱。

1.2? ? 水泵設(shè)置在制冷裝置入口、水箱出口之間

同水泵設(shè)置在制冷裝置出口、試驗(yàn)裝置入口之間類似，依靠水泵將水送至制冷裝置，不同的是，水泵靠近水箱時(shí)水泵入口管道長度較小或管徑夠大時(shí)，利用水箱內(nèi)水的液位和水泵的汽蝕余量，水可以直接吸入水泵，由水泵提供的動(dòng)力克服制冷裝置、試驗(yàn)裝置和管道阻力完成循環(huán)。水箱和管道可以設(shè)計(jì)為開式也可以設(shè)計(jì)為閉式，水箱和管道若采用開式，其優(yōu)點(diǎn)：1）水箱不承壓，直接按照文獻(xiàn)[2-3]選用與制作;2）可以直接采用純水機(jī)組向水箱補(bǔ)水，不需要額外增加設(shè)備;3）不需要單獨(dú)設(shè)置定壓補(bǔ)水系統(tǒng)和補(bǔ)水箱。缺點(diǎn)是制冷裝置的蒸發(fā)器工作壓力要選用1.6 MPa。試驗(yàn)裝置阻力為0.8 MPa，對(duì)于該項(xiàng)目采用開式或閉式管道對(duì)水泵揚(yáng)程的影響幾乎可以忽略。

1.3? ? 對(duì)圖2所示供回水箱之間直接設(shè)置制冷裝置存在問題的改進(jìn)

針對(duì)圖2所示制冷裝置所需水流量大于試驗(yàn)裝置水流量問題，采用旁通多余水量的思路提出兩種解決方案：1）在試驗(yàn)裝置側(cè)設(shè)置旁通管及旁通閥，旁通多余的流量，如圖3所示。2）在回水水箱和制冷裝置之間增加水泵2，利用旁通管旁通多余流量，如圖4所示。

1.3.1? ? 試驗(yàn)裝置側(cè)設(shè)置旁通管及旁通閥

圖3所示方案一直接以經(jīng)過制冷裝置的冷凍水作為冷卻水使用，但存在如下問題：

1）冷卻水系統(tǒng)試驗(yàn)裝置側(cè)增加旁通閥和旁通管，試驗(yàn)裝置回路和旁通管回路水力極不平衡，旁通管起點(diǎn)壓力1.0 MPa，末點(diǎn)壓力0.2 MPa，旁通管長度不足1.0 m，依賴旁通管實(shí)現(xiàn)0.8 MPa的水阻力不現(xiàn)實(shí)。需采用特殊裝置消除多余的壓力，閥前壓力1.0 MPa，閥后壓力0.2 MPa，閥前、后壓力比即減壓比5.0，采用閥門節(jié)流的方法無法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)考慮試驗(yàn)裝置的水流量要穩(wěn)定，由于旁通管路和試驗(yàn)裝置在管路上是并聯(lián)關(guān)系，依據(jù)帕斯卡定律，旁通時(shí)壓力不穩(wěn)定必然引起試驗(yàn)裝置流量不穩(wěn)定，需設(shè)置特殊的閥門——減壓穩(wěn)壓閥[4]來實(shí)現(xiàn)旁通管路的壓力穩(wěn)定?？紤]到本項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)裝置流量的要求嚴(yán)格，且需全年工作日可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，旁通閥應(yīng)采用互相備用減壓穩(wěn)壓閥閥組來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

2）制冷裝置設(shè)置于水泵出口，水泵克服制冷裝置（0.05～0.08 MPa）和管路阻力后仍需要達(dá)到1.0 MPa才能滿足試驗(yàn)裝置進(jìn)口壓力需求，制冷裝置的蒸發(fā)器承壓必須在1.0 MPa以上，蒸發(fā)器承壓在1.0 MPa的規(guī)格只有1.6 MPa，且比承壓1.0 MPa造價(jià)高出5%～8%，同時(shí)管道及其附件承壓也相應(yīng)提高。

3）試驗(yàn)裝置入口冷卻水水溫即制冷裝置出口冷凍水水溫，制冷裝置出口水溫和制冷裝置正常運(yùn)行取決于回水水箱進(jìn)入制冷裝置的水溫是否達(dá)到設(shè)計(jì)溫度且恒定，制冷裝置進(jìn)水水溫的波動(dòng)必須控制在±2 ℃以內(nèi)，否則會(huì)引起制冷裝置自動(dòng)保護(hù)停機(jī)。水箱進(jìn)入制冷裝置的水溫恒定是方案一是否可行的核心，為解決該問題需：（1）加大制冷裝置的容量和水泵的流量，制冷裝置的冷凍水一部分經(jīng)過試驗(yàn)裝置（流量13.21 m3/h），另外一部分經(jīng)過旁通管，經(jīng)過試驗(yàn)裝置的冷卻水（試驗(yàn)時(shí)被釋放的熱量加熱）與經(jīng)過旁通管冷凍水在三通1處混合后進(jìn)入回水水箱，然后再次混合;（2）增加回水水箱的容量，回水水箱容量越大，蓄（吸）熱能力越強(qiáng)、吸收熱量越多，水溫越不容易升高和波動(dòng)，越容易滿足制冷機(jī)入口溫度和水溫波動(dòng)要求，為制冷裝置提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

1.3.2? ? 制冷裝置側(cè)設(shè)置旁通管及旁通閥

為降低方案一中制冷裝置的承壓，管路和水箱均設(shè)置為開式，同時(shí)制冷裝置側(cè)設(shè)置旁通管旁通多余的流量，提出圖4所示方案二，方案二比方案一多出一套水泵。

1）制冷裝置側(cè)增加旁通閥和旁通管，制冷裝置出口冷凍水直接作為冷卻水進(jìn)入試驗(yàn)裝置用于冷卻，多余的流量進(jìn)入水箱，在水箱內(nèi)與試驗(yàn)裝置出口冷卻水及水箱內(nèi)的水混合降溫。水泵2僅需要克服制冷裝置和部分管道的阻力，制冷回路和旁通管回路水力雖然不平衡，但不平衡率明顯下降，旁通管起點(diǎn)壓力約0.20 MPa，末點(diǎn)壓力近似為0 MPa，完全可以通過設(shè)置截止閥節(jié)流的方法實(shí)現(xiàn)。

2）圖4所示方案二中整個(gè)冷卻水系統(tǒng)比圖3方案一多一套水泵1，水泵2的實(shí)際作用只是為克服制冷裝置和管道阻力提供動(dòng)力，水泵1則為試驗(yàn)裝置冷卻水降溫提供動(dòng)力。從水力學(xué)角度看，水泵2和水泵1存在串聯(lián)關(guān)系，如水泵2或水泵1任意一臺(tái)故障，整個(gè)系統(tǒng)將不能正常運(yùn)行;從運(yùn)行角度看，運(yùn)行時(shí)先啟動(dòng)水泵2再啟動(dòng)水泵1，停止時(shí)先停水泵1再停水泵2，兩者之間存在聯(lián)鎖關(guān)系，運(yùn)行時(shí)冷卻水系統(tǒng)可靠性變差。且為提高冷卻水系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，水泵2和水泵1均需設(shè)置備用泵，使得水泵電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜化，該做法目的是提高冷卻水系統(tǒng)可靠性、安全性和穩(wěn)定性，但實(shí)際上冷卻水系統(tǒng)可靠性、安全性和穩(wěn)定性未得到明顯提升或保證。

為彌補(bǔ)上述兩方面缺陷，將水泵1管路（試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水循環(huán)管路，簡稱冷卻水管路）和水泵2管路（冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路，簡稱冷凍水管路）的功能分離，兩者通過水箱連接，試驗(yàn)裝置的冷卻水和冷源側(cè)冷凍水獨(dú)立完成自己的循環(huán)，通過冷凍水和冷卻水直接接觸混合實(shí)現(xiàn)降溫，并維持混合后水溫恒定。由于管路獨(dú)立，冷凍水、冷卻水循環(huán)管路不用再設(shè)旁通管和旁通閥，且冷凍水管路、冷卻水管路的流量之間、壓力和溫度之間不再相互影響。冷卻水管路的循環(huán)阻力由冷卻水管路循環(huán)動(dòng)力水泵1克服，冷凍水管路的循環(huán)阻力由冷凍水管路循環(huán)動(dòng)力水泵2克服，如圖6所示。水泵1和水泵2啟動(dòng)、停止時(shí)互不影響，且不存在聯(lián)鎖關(guān)系，從水力角度和電氣角度，圖6所示方案的冷卻水系統(tǒng)可靠性、安全性和穩(wěn)定性相對(duì)于方案一、方案二均實(shí)現(xiàn)明顯提高。

2? ? 方案對(duì)比

2.1? ? 主要設(shè)備投資對(duì)比

圖6所示方案比圖3所示方案多兩臺(tái)水泵（一套水泵設(shè)置兩臺(tái)，互為備用），但方案一制冷機(jī)組造價(jià)高5%～8%，并多出一套相互備用的減壓穩(wěn)壓閥組，其造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩臺(tái)水泵的造價(jià)。

2.2? ? 水泵運(yùn)行對(duì)比分析

文獻(xiàn)[1]指出，進(jìn)水溫度20 ℃的條件下，試驗(yàn)裝置600 s平均熱釋放速率為86.40 kW，540.5 s平均熱釋放速率為95.91 kW，制冷裝置最接近該值的是130 kW風(fēng)冷模塊機(jī)組，其流量為22.4 m3/h，也是實(shí)際中能選取的最小流量。對(duì)于方案一經(jīng)過風(fēng)冷模塊機(jī)組的冷凍水，一部分固定流量（13.21 m3/h）經(jīng)過試驗(yàn)裝置用于直接冷卻，另外一部分通過旁通閥組消能后與試驗(yàn)裝置出口的冷卻水混合進(jìn)行降溫。旁通閥消耗流體的壓能是固定的（0.8 MPa），經(jīng)過旁通閥的流量越大，消耗的能量越大，依據(jù)公式（1）[4]，其消耗的能量全部需要水泵提供。方案二雖然多出一套水泵，水泵1的流量小、揚(yáng)程高，水泵2的流量大、揚(yáng)程低，水泵1和水泵2雙泵能耗不一定大于方案一的單泵能耗。

N=KA（1）

式中：N為水泵配用電機(jī)容量;KA為電機(jī)容量安全系數(shù);ρ為輸送流體的密度;G為水泵流量;H為水泵揚(yáng)程;η為水泵效率。

水泵選型的流量、揚(yáng)程遵守文獻(xiàn)[4-5]，以開式管道計(jì)算阻力和高差選擇水泵揚(yáng)程，以文獻(xiàn)[6]在高能效要求下對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的建議為依據(jù)，同時(shí)水泵效率需大于文獻(xiàn)[7]規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值。采用選型軟件對(duì)方案一、二的水泵進(jìn)行選型并給出參數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1中，水泵的效率均大于文獻(xiàn)[7]規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值，可以看出，方案一比方案二水泵配備電機(jī)總功率大，設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)的輸入功率總和方案二要小于方案一1.6 kW。方案一水泵揚(yáng)程過大，水泵葉輪進(jìn)出口壓差變大，從而導(dǎo)致水泵內(nèi)泄漏量增大，輪阻加大，引起整個(gè)效率下降。同時(shí)，為保證冷卻效果增大制冷裝置容量和水泵的流量時(shí)，依據(jù)公式（1）方案一采用減壓閥組消能將造成水泵功率增大，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)能源的浪費(fèi)和不經(jīng)濟(jì)。

3? ? 冷卻水、冷凍水管路形式與冷卻水水箱

工程中與水箱連接的一般為開式管路，相對(duì)于閉式管路采用開式管路的優(yōu)點(diǎn)是：1）不用對(duì)管路進(jìn)行定壓，至少省去一套定壓補(bǔ)水裝置，同時(shí)能避免或減緩管路的水錘現(xiàn)象;2）水箱為開式水箱，不用承壓，制造成本低;3）純化水可直接補(bǔ)入水箱，不用提供額外的壓力;4）試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水管路、冷源側(cè)冷凍水管路獨(dú)立循環(huán)，管路之間壓力和溫度幾乎無干擾。缺點(diǎn)是制冷機(jī)設(shè)置在屋面，冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路停止工作時(shí)，水管內(nèi)的水倒回水箱，再次啟動(dòng)時(shí)水再次進(jìn)入管道，容易造成空化形成氣阻，同時(shí)影響制冷機(jī)的正常啟動(dòng)和運(yùn)行，造成制冷系統(tǒng)響應(yīng)過慢，試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水也存在同樣問題。冷卻水循環(huán)管路采用開式管路優(yōu)于閉式管路，前提是解決冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路水泵啟停時(shí)管路空化問題。

解決冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路水泵啟停管路空化問題的核心是讓管道充滿水，不出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。為解決這一問題，在冷源側(cè)冷凍水循環(huán)管路出水與水箱的連接處設(shè)置止回閥?？紤]到不斷啟閉及水中雜質(zhì)的影響，止回閥可靠性將受到影響，而止回閥與倒流防止器[8]均具備防止水流倒流的功能，倒流防止器工程實(shí)際效果優(yōu)于止回閥，冷凍水循環(huán)管道與水箱的連接處設(shè)置倒流防止器，在循環(huán)水泵出口設(shè)置止回閥，以有效防止空化，保證管路中全部充滿水，解決制冷系統(tǒng)和冷卻水的快速降溫及響應(yīng)問題。

4? ? 結(jié)論

1）對(duì)于Tokamak（托卡馬克）裝置的冷卻水系統(tǒng)，采用開式管路優(yōu)于閉式管路，管路無須定壓，水箱無須承壓，可按照標(biāo)準(zhǔn)圖集[2-3]制作安裝，降低施工難度和投資。

2）對(duì)于Tokamak（托卡馬克）裝置的冷卻水系統(tǒng)，采用雙回路即冷源側(cè)冷凍水回路和試驗(yàn)裝置側(cè)冷卻水回路并設(shè)置相應(yīng)的循環(huán)水泵比采用單回路在設(shè)備初投資和運(yùn)行方面均具備明顯優(yōu)勢。

本文所述Tokamak（托卡馬克）裝置冷卻水的雙回路設(shè)計(jì)方案已建成并順利投入使用，且該技術(shù)已獲得專利授權(quán)，專利號(hào)：CN202321031630.6[9]。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王爭利.Tokamak裝置的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代工程科技，2024，3（13）：113-116.

[2] 中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司.12S101矩形給水箱[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2012.

[3] 北京國電華信電力工程有限公司.05R401-3常壓蓄熱水箱[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2012.

[4] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5] 馬最良，姚楊.民用建筑空調(diào)設(shè)計(jì)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6] 建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范：GB 55015—2021[S].

[7] 清水離心泵能效限定值及節(jié)能評(píng)價(jià)值：GB 19762—2007[S].

[8] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.12S108-1倒流防止器選用及安裝[M].北京：中國計(jì)劃出版社，2012.

[9] 王爭利，李星，王潔，等.托卡馬克試驗(yàn)裝置水冷線圈的雙回路冷卻裝置：CN202321031630.6[P].2023-10-20.

作者簡介：李星（1980—），男，陜西西安人，工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)備工藝?yán)鋮s。

通信作者：王爭利（1982—），男，陜西西安人，工程師，注冊(cè)設(shè)備公用設(shè)備工程師（暖通空調(diào)），研究方向：工業(yè)設(shè)備工藝?yán)鋮s。