高 峰，黃世山，何官送

(安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

穩(wěn)態(tài)強磁場中心冷卻系統(tǒng)主要用于冷卻水冷磁體消耗電能后而產(chǎn)生的熱量。水冷磁體的運行離不開大功率高穩(wěn)定度電源、大功率去離子水冷卻系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)的支撐[1]。冷卻系統(tǒng)主要用于帶走水冷磁體消耗大量電能而產(chǎn)生的熱量，由去離子水制備與循環(huán)系統(tǒng)、制冷與冷卻循環(huán)系統(tǒng)以及水冷控制系統(tǒng)三部分構成[2]，原理如圖1所示。

圖1 中心原冷卻系統(tǒng)設計原理圖

項目原有2臺蓄冷冷水機組，冷量分別為4 388 kW、3 989 kW，2臺機組串聯(lián)使用，制備6 ℃低溫水，設計供回水溫度分別為26 ℃/15.5 ℃、15.5 ℃/6 ℃。項目原有蓄冷水罐2座，容量為3 400 m3，并聯(lián)使用。并配置有相應的蓄放冷水泵、放冷板換等設備。

原蓄冷冷水機組僅能滿足一座蓄冷罐的蓄冷需要，無法保障水冷磁體的實驗時間要求。因此對去離子水冷卻系統(tǒng)進行升級改造，提高蓄冷量，延長水冷磁體實驗時間；同時提高能源利用效率，提升系統(tǒng)能效。

2 設計選型

2.1 制冷主機

原設計2臺主機串聯(lián)制備低溫冷凍水流量約為345 m3/h，設計新增冷凍水機組與原有2臺冷水機組并聯(lián)將顯著提升制備的冷凍水量。

實際運行中蓄冷進水溫度在一般情況下并未達到26℃，結合多種運行工況下的綜合效能分析，并滿足系統(tǒng)常態(tài)的制冷需求，選取新增主機和閉式冷卻塔聯(lián)合供冷，冷水機組制冷量：5 016 k～，選型工況供回水溫度為6 ℃/18 ℃，保證系統(tǒng)出水溫度為6 ℃；與冷水機組對應配置開式橫流冷卻塔。

2.2 輸配水泵

原放冷水泵并聯(lián)運行后流量損失較大，此次改造進行了現(xiàn)場系統(tǒng)壓力的實測，得出不同工況下的系統(tǒng)壓力數(shù)值，并結合水泵性能曲線[3]，更換放冷水泵，使其并聯(lián)流量達到1 300 m3/h。根據(jù)計算結果更換3臺放冷泵，流量為500 m3/h，揚程40 m。

冷凍水采用一次泵定流量系統(tǒng)，由于現(xiàn)場情況限制，冷凍水系統(tǒng)無法做到一一對應，為平衡新增系統(tǒng)和原有系統(tǒng)，通過增加平衡閥使新舊系統(tǒng)阻力接近。冷卻水泵采用定流量，制冷主機和冷卻泵采用一對一的連接方式。

2.3 冷卻塔

合肥市全年濕球溫度低于12 ℃共178 d，低于0 ℃共54 d，在冬季及過渡季低溫情況下采用閉式冷卻塔代替上游冷水機組，其節(jié)能效益非常顯著[4]。閉式冷卻塔選型主要考慮以下因素：安裝空間限制、不同工況下的運行要求、供回水溫度及濕球溫度與冷卻塔出水溫度差的選取[5]。

閉式冷卻塔作為冷水機組的上游或冷水機組的下游，處理水量360 m3/h。綜合多個設計工況的要求：進出水溫度26 ℃/18 ℃、濕球溫度為12 ℃，進出水溫度23.5 ℃/15 ℃、濕球溫度為8 ℃。選型滿足不同工況下的運行要求，最大限度提升主機能效，并提供較好的保障性。

3 改造方案

3.1 設計方案

本次設計增設一套冷機系統(tǒng)與原蓄冷冷機并聯(lián)運行，并增設閉式冷卻塔系統(tǒng)與新增冷機串聯(lián)運行；對原放冷水泵進行更換，使其并聯(lián)流量達到1 300 m3/h。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 改造后的冷卻系統(tǒng)設計原理圖

3.2 運行方案

現(xiàn)有系統(tǒng)運行中僅投入運行了一個蓄冷水罐，主機增加后可啟用另一蓄冷罐。系統(tǒng)根據(jù)第二天的實驗需求，既可以逐個蓄冷，亦可同時蓄冷。原有蓄冷機組與新增閉式冷卻塔及冷水機組為并聯(lián)關系，兩者可同時或分別供冷。鑒于現(xiàn)有系統(tǒng)設有閉式冷卻塔且為新增系統(tǒng)，應優(yōu)先使用。新增閉式冷卻塔及冷水機組系統(tǒng)可提供冷卻塔上游、冷卻塔下游、制冷主機單獨蓄冷三種運行方式。

(1)制冷主機單獨蓄冷的適應工況為：室外濕球溫度>(蓄冷水池溫度-6℃)，蓄冷水池溫度低于17℃。開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V14、V13。

(2)制冷主機下游的適應工況為：蓄冷水池溫度>(室外濕球溫度+5℃)，開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V10、V11、V13。

(3)制冷主機上游的適應工況為：室外濕球溫度<0℃，開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V12、V14、V15。

3.3 冬季防凍

在冬季蓄冷和供冷停止運行時，室外溫度低于3℃，閉式冷塔、冷卻水輸配系統(tǒng)有凍傷風險；開式冷卻塔冬季使用時，存在積水盤防凍和升溫的要求。

(1)冬季蓄冷和供冷停止運行時，當室外溫度低于3℃時，開啟蓄冷側防凍循環(huán)泵，循環(huán)蓄冷罐內冷水，達到防凍目的，開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V10、V12，防凍泵1。

(2)冬季蓄冷停止、供冷運行時，當室外溫度低于3℃時，開啟二次側防凍循環(huán)泵，旁流部分二次側回水循環(huán)至閉式冷卻塔，達到防凍目的，開啟閥門V2、V3、V6、V7、V16、V17，防凍泵2。同時，此時控制方式適用于利用自然冷源對二次水進行再冷卻過程，使用免費冷源，可降低系統(tǒng)運行能耗。

(3)室外冷卻水管和冷凍水管均設保溫；閉式冷卻塔水盤設置6×3 kW電加熱裝置，當室外溫度低于2℃時開啟，高于5℃時關閉。

(4)開式冷卻塔水盤設置10×6 kW電加熱裝置，當室外溫度低于2 ℃時開啟，高于5 ℃時關閉，冬季冷水機組開啟前將水溫加熱至20 ℃。在進一步的改造中，計劃將冷卻塔積水盤設置于室內保溫水箱，可有效縮短加熱時間，減少加熱耗電量，進一步提升系統(tǒng)能效。

4 結束語

穩(wěn)態(tài)強磁場中心冷卻系統(tǒng)作為全年運行的冷卻系統(tǒng)，應充分利用過渡季、冬季室外天然冷源，優(yōu)化運行方案，降低全年能耗。系統(tǒng)改造中，通過現(xiàn)場測試和運行情況調研，力求與原有系統(tǒng)有效互補，并最大限度體現(xiàn)新增系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。目前，系統(tǒng)改造已安裝完畢，已進入聯(lián)合調試階段。