許忠,唐佳麗,歐陽(yáng)崢嶸,吳琦琦

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

2.中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心,安徽 合肥 230031

1 引 言

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置(Steady High Magnetic Field Facilities,SHMFF)20 MW級(jí)水冷系統(tǒng)于2021年完成升級(jí)改造,目前運(yùn)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(tái)離心式冷水機(jī)組串聯(lián)制冷,上游1號(hào)機(jī)最高可將26℃的實(shí)驗(yàn)熱回水降至15.5℃,再由下游2號(hào)機(jī)制冷至6℃.制冷運(yùn)行約10小時(shí)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(yīng)升級(jí),以維持合理的制冷時(shí)間.改造新增了一臺(tái)3號(hào)大溫差離心式冷水機(jī)組,制冷溫度為18℃至6℃.該機(jī)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(tái)大溫差離心式冷水機(jī)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(jī)組的上游增加了一臺(tái)閉式冷卻塔,在秋冬濕球溫度較低時(shí)可以利用室外的“免費(fèi)冷源”進(jìn)行制冷,達(dá)到節(jié)約能源的目的[1].系統(tǒng)升級(jí)改造后的原理圖如下所示.

圖1 水冷系統(tǒng)升級(jí)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(duì)于開(kāi)式冷卻塔,其優(yōu)勢(shì)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(guò)程,具有節(jié)能、節(jié)水、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)[2].閉式冷卻塔的運(yùn)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(duì)于離心式冷水機(jī)組具有明顯的節(jié)能效果.國(guó)際上的強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置水冷磁體運(yùn)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(guó)強(qiáng)磁場(chǎng)采用4臺(tái)2000冷噸大溫差離心式冷水機(jī)組進(jìn)行并聯(lián)制冷.而荷蘭強(qiáng)磁場(chǎng)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(kāi)式冷卻塔制冷,極端天氣才需配合冷水機(jī)組使用.而我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(yùn)行能耗.

2 水冷系統(tǒng)制冷模式分析

2.1 改造前制冷運(yùn)行模式

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

制冷運(yùn)行前,根據(jù)蓄水罐內(nèi)的具體溫度,選擇下游機(jī)單獨(dú)制冷或兩臺(tái)冷機(jī)串聯(lián)制冷.上下游冷水機(jī)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(yùn)行10小時(shí),一晚消耗電能為13820 k Wh.

2.2 改造后制冷運(yùn)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(jī)組的額定輸入功率達(dá)937 k W,兩路制冷設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行能耗巨大.因此改造在冷水機(jī)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(shí)驗(yàn)熱回水溫度及所需制冷水量,除選擇單臺(tái)設(shè)備制冷外,還可選擇多臺(tái)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(shí),盡可能采用閉式冷卻塔,實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的.

表1 水冷系統(tǒng)制冷運(yùn)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(yùn)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(dāng)?shù)臐袂驕囟认?新增的閉塔和離心式冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行可以實(shí)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(jī)組:18～6℃.由圖2的性能曲線可以看出,當(dāng)空氣濕球溫度為12℃時(shí),閉塔的進(jìn)口水溫為26℃,出口水溫可以達(dá)到18℃,閉塔可以參與制冷運(yùn)行.去離子水冷卻系統(tǒng)采用夜間蓄冷的運(yùn)行模式,制冷時(shí)間通常為17:00開(kāi)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(xiàng)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(lái)年3月下半月的濕球溫度基本低于12℃.經(jīng)詳細(xì)統(tǒng)計(jì),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(yùn)行的條件.該臺(tái)閉式冷卻塔在合肥地區(qū)的理論可運(yùn)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(jī)組不宜長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行,因此閉式冷卻塔在本系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用無(wú)法始終發(fā)揮其理論最大能力.考慮制冷運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng),本系統(tǒng)將閉式冷卻塔與3號(hào)冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的閉塔出水溫度設(shè)置為約11℃,保持冷水機(jī)組始終運(yùn)行在50%左右的負(fù)荷,該負(fù)荷下冷水機(jī)組的COP達(dá)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(jìn)出水溫度的預(yù)測(cè)判斷.即通過(guò)擬合本臺(tái)閉式冷卻塔濕球溫度與實(shí)際運(yùn)行閉塔進(jìn)出口水溫關(guān)系式,當(dāng)根據(jù)采集的濕球溫度及入口水溫,判斷出口水溫可達(dá)到制冷溫度時(shí),3號(hào)冷水機(jī)組停止運(yùn)行,由閉式冷卻塔單獨(dú)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(hào)冷水機(jī)組作為分析參照.即對(duì)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(hào)機(jī)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(jī)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(jī)組的輸入功率,k W;

Δt——進(jìn)出口水溫溫差,℃.

閉式冷卻塔制冷時(shí),主要運(yùn)行設(shè)備有風(fēng)機(jī)及噴淋泵.運(yùn)行中,風(fēng)機(jī)的變頻器會(huì)通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變風(fēng)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)實(shí)際頻率,Hz;

fmax——風(fēng)機(jī)最大頻率,Hz;

P1——風(fēng)機(jī)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(gè).

由此,閉塔節(jié)能效益的數(shù)學(xué)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(shí)間,h;

Pin、P b分別由式(1)、式(2)計(jì)算.

例如,當(dāng)濕球溫度約為6℃時(shí),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(hào)冷水機(jī)組制冷,則功率達(dá)342 k W.制冷運(yùn)行10小時(shí),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(yùn)行系統(tǒng),必須考慮防凍問(wèn)題,否則盤(pán)管易在冬季出現(xiàn)凍裂的情況.本項(xiàng)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(yùn)行不易結(jié)冰且防凍化冰更容易等優(yōu)點(diǎn)[4].閉塔的換熱盤(pán)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(pán)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(diǎn)[6-7].新增的閉塔結(jié)構(gòu)從上至下主要由風(fēng)機(jī)、配水系統(tǒng)、填料、擋水板、換熱盤(pán)管、噴淋水泵、集水盤(pán)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(jì)了相應(yīng)的循環(huán)流程.在非制冷階段,將其與實(shí)驗(yàn)熱回水連通,一旦濕球溫度觸發(fā)循環(huán)條件,即開(kāi)啟閥門(mén)及防凍泵進(jìn)入防凍循環(huán).考慮極低溫條件下,非實(shí)驗(yàn)及制冷階段,該循環(huán)若無(wú)法保障盤(pán)管安全,還有一路與蓄水罐連通的循環(huán)流程,直接進(jìn)行大循環(huán).防凍原理圖如下所示.若系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng),也可考慮放空閉塔盤(pán)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(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置水冷系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)其升級(jí)改造后整體制冷設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹.重點(diǎn)針對(duì)冬季及過(guò)渡季節(jié)閉式冷卻塔在該系統(tǒng)中的制冷節(jié)能應(yīng)用進(jìn)行了分析.主要研究?jī)?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(jī)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(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定性及閉式冷卻塔利用的最大化問(wèn)題.

(2)提出了閉式冷卻塔的選型依據(jù),結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行特征及合肥濕球溫度數(shù)據(jù),提出了該項(xiàng)目閉式冷卻塔理論可參與系統(tǒng)制冷天數(shù)超過(guò)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(hào)離心式冷水機(jī)組作為基準(zhǔn),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(jī)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(pán)管無(wú)凍裂風(fēng)險(xiǎn).

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(jì)策略可為類(lèi)似項(xiàng)目提供參考.