余雪花

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)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(jià)低、運(yùn)行維護(hù)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(fù)荷和室外空氣濕球溫度決定。濕球溫度則代表在當(dāng)?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(shí)際工程應(yīng)用中，受項(xiàng)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝循環(huán)水冷卻的需求［3-6］。通過設(shè)計(jì)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(shí)配合輔助冷卻設(shè)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(xiàng)目概況

該項(xiàng)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(shè)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(shè)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(jià)，設(shè)計(jì)形成一套循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，以保障工藝設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)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(shè)備共計(jì)150臺，循環(huán)冷卻水用水量合計(jì)1 720 m3/h，其中最高用水設(shè)備用水量300 m3/h，最低用水設(shè)備用水量0.5 m3/h，用水量差異較大，且生產(chǎn)初期工藝設(shè)備不會(huì)全部開啟。系統(tǒng)用水量整體處于非比例變化的動(dòng)態(tài)中，冷源選型應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)水量變化，管網(wǎng)設(shè)計(jì)需考慮配水均勻性。

2.2 溫度分析

經(jīng)查詢當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，該項(xiàng)目所在地夏季溫度最高時(shí)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(shè)備要求，工藝設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)工況下供水溫度不得高于28 ℃，對應(yīng)回水溫度為36 ℃；最低供水溫度不應(yīng)低于20 ℃。故在夏季最不利工況下，除冷卻塔外均須設(shè)置輔助冷源。當(dāng)室外濕球溫度低于24 ℃時(shí)，冷卻塔循環(huán)水出水溫度不高于28 ℃，此時(shí)僅用冷卻塔降溫，輔助冷源停止運(yùn)行。當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，冷卻塔運(yùn)行出水溫度低于20 ℃時(shí)，采用旁通措施保證冷卻塔出水溫度不低于20 ℃，確保工藝設(shè)備正常運(yùn)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(shè)備在各工況下至少可接收到所需的流量?？紤]到項(xiàng)目非一次性投產(chǎn)，且不同設(shè)備用水量差別較大，檢修時(shí)可能造成系統(tǒng)循環(huán)流量變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。為使整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下獲得所需流量，水力平衡是本項(xiàng)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(jī)或冷卻塔等制冷設(shè)備。冷卻水經(jīng)過工藝設(shè)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(shè)備。可在供回水干管間增設(shè)聯(lián)通管及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，在工藝設(shè)備非滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，根據(jù)工藝設(shè)備開啟數(shù)量變化所引起的需水量變化，自動(dòng)調(diào)整電動(dòng)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(shè)備水量及水力條件相對穩(wěn)定和不受其他工藝設(shè)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(jìn)行的，且每日施工僅有不到4 h 的“天窗”時(shí)間，當(dāng)日施工結(jié)束后必須恢復(fù)線路并保證軌道狀態(tài)穩(wěn)定，不影響線路運(yùn)營安全。因此，改造方案需重點(diǎn)考慮以下兩方面的問題：

3 循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)組作為輔助冷源。系統(tǒng)設(shè)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(shè)備，升溫后的循環(huán)水回到冷源再一次降溫，實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)。系統(tǒng)采用定壓補(bǔ)水裝置補(bǔ)水，水源來自軟水機(jī)制軟化水。輔助冷源的冷水機(jī)組冷凝器側(cè)設(shè)置循環(huán)水泵與冷卻塔循環(huán)降溫，蒸發(fā)器側(cè)設(shè)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(shè)置流量相同的2套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為860 m3/h，一用一備。以下計(jì)算選型均以單套系統(tǒng)計(jì)。

3.1 冷卻塔設(shè)計(jì)

選用3臺閉式冷卻塔，單臺設(shè)計(jì)流量為430 m3/h，兩用一備。冷卻塔夏季運(yùn)行時(shí)，采用冷水機(jī)輔助降溫；冬季運(yùn)行或遇停產(chǎn)等非正常工況時(shí)，采用電伴熱保溫方式保證水溫不低于5 ℃；恢復(fù)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?yán)鋮s水循環(huán)泵設(shè)計(jì)

工藝?yán)鋮s水循環(huán)泵設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流量473 m3/h。水泵揚(yáng)程為系統(tǒng)管路水頭損失加上末端設(shè)備所需水頭損失，經(jīng)計(jì)算約為0.5 MPa。

3.3 板式換熱器設(shè)計(jì)

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(guān)鍵設(shè)備。當(dāng)冷卻循環(huán)水溫度經(jīng)由冷卻塔無法降至預(yù)期值，即出水溫度升至28 ℃時(shí)，自動(dòng)開啟并調(diào)節(jié)比例式調(diào)節(jié)閥，啟動(dòng)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(shè)計(jì)

冷水機(jī)組作為系統(tǒng)的輔助冷源，難以實(shí)現(xiàn)變頻水泵式的精細(xì)化定量供冷方式，故應(yīng)設(shè)置冷凍水箱。冷凍水箱存儲(chǔ)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(shè)備冷卻需求啟停，通過板式換熱器與工藝設(shè)備換熱。同時(shí)，冷水機(jī)組與冷凍水箱間采用冷凍水循環(huán)泵（冷水機(jī)側(cè)）換熱。當(dāng)冷凍水箱溫度超過22 ℃時(shí)，冷凍水循環(huán)泵（冷水機(jī)側(cè)）啟動(dòng)，冷水機(jī)組開啟直至冷凍水箱溫度至12 ℃，冷水機(jī)組及冷凍水循環(huán)泵（冷水機(jī)側(cè)）依次停止運(yùn)行，直至冷凍水箱溫度升至22 ℃時(shí)再次啟動(dòng)。

常規(guī)冷水機(jī)組蒸發(fā)器端進(jìn)出水溫度為7～12 ℃，當(dāng)系統(tǒng)需冷量降低、蒸發(fā)器端進(jìn)水溫度降低時(shí)，冷水機(jī)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(jī)組頻繁啟停或低溫運(yùn)行喘振停機(jī)對正常生產(chǎn)的影響。

3.4.1 冷水機(jī)組選型

冷水機(jī)制冷量計(jì)算如式（1）所示：

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

通過計(jì)算，冷水機(jī)組制冷量至少應(yīng)為2 995.6 kW，選用一臺冷水機(jī)組，單臺冷水機(jī)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(jìn)出水溫度為7～12 ℃，冷凝器側(cè)流量616.3 m3/h（冷卻水）、進(jìn)出水溫度為32～37 ℃。

3.4.2 水泵設(shè)計(jì)

輔助冷源系統(tǒng)中共設(shè)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(jī)側(cè)）為冷凍水箱和冷水機(jī)組之間的循環(huán)泵；冷凍水循環(huán)泵（冷卻塔側(cè)）為冷水機(jī)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(jī)側(cè)）流量采用冷水機(jī)組蒸發(fā)器側(cè)流量，選用2臺相同型號水泵，一用一備。揚(yáng)程為管路及設(shè)備水頭損失，經(jīng)計(jì)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(jī)冷凝器側(cè)流量的1.2倍，流量為740 m3/h。冷卻塔設(shè)置于室外地面，經(jīng)計(jì)算，管路水頭損失加上冷卻塔與冷水機(jī)組安裝位置的高差、冷水機(jī)組的局部水頭損失約為0.2 MPa。

3.4.3 冷卻塔設(shè)計(jì)

冷卻塔設(shè)計(jì)流量為冷水機(jī)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(shè)計(jì)流量740 m3/h，進(jìn)出水溫度為32～37 ℃。

3.4.4 冷凍水箱設(shè)計(jì)

冷水機(jī)組在冷負(fù)荷低于滿負(fù)荷25%時(shí)可能發(fā)生喘振停機(jī)，而停機(jī)后至重新啟動(dòng)至少需0.5 h。因此，冷凍水箱存儲(chǔ)的冷量應(yīng)不低于25%冷負(fù)荷工況下停機(jī)0.5 h的冷量，即25%循環(huán)水流量0.5 h的水量，計(jì)算得65 m3。

3.4.5 定壓補(bǔ)水系統(tǒng)

定壓補(bǔ)水裝置主要由囊式定壓罐、水泵、壓力開關(guān)、控制箱等組成，通過吸納部分水膨脹量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水、自動(dòng)排氣、自動(dòng)泄壓和自動(dòng)過壓保護(hù)等功能。當(dāng)系統(tǒng)中水體積減小、系統(tǒng)壓力降低時(shí)，罐內(nèi)氣體膨脹將囊中水壓回系統(tǒng)，若補(bǔ)水量仍不能滿足系統(tǒng)需水量，則水泵啟動(dòng)補(bǔ)水。因此，水泵流量的選擇要根據(jù)系統(tǒng)的漏損量計(jì)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(diǎn)和定壓點(diǎn)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(jī)、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(gè)方面具有獨(dú)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(jī)組僅在夏季高溫時(shí)段用于補(bǔ)充冷卻塔無法提供的冷量，較僅采用冷水機(jī)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(jī)低負(fù)荷工況下的生產(chǎn)供冷問題，保護(hù)了冷水機(jī)正常運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化了水力平衡，保障了各工藝設(shè)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(diǎn)，具有較大的推廣潛力。