方婷婷

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司華東建筑設(shè)計研究總院，上海 200002）

1 引言

為了建設(shè)低碳、節(jié)能的綠色建筑，建設(shè)項目綜合利用能源成為一種趨勢[1]。大型能源站根據(jù)服務(wù)區(qū)域的功能定位及項目所在地的可用資源條件，綜合考慮能源方案，從而提高資源利用率，提高能源經(jīng)濟效益。常見的能源方案為冷熱電三聯(lián)供，涉及的設(shè)備主要有燃氣發(fā)電機、直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組等。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的作用是在設(shè)備內(nèi)進行換熱，帶走設(shè)備及制冷劑的熱量。

2 能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)特點

1）系統(tǒng)水量大

由于能源站設(shè)備需服務(wù)地塊面積較大，因此，三聯(lián)供設(shè)備機組負荷高，從而循環(huán)水系統(tǒng)的水量相比于普通的單體建筑循環(huán)水量要大許多，單組冷卻塔的循環(huán)水量通常為500～1 000 m3/h，需多臺冷卻塔機組并聯(lián)運行。

2）運行工況復雜

由于制冷機組的運行模式多，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行也需要與之相匹配，因此，存在多種無級調(diào)節(jié)的運行工況。

3）噪聲限制

能源站可為獨立建筑也可能依附于公共建筑。能源站的選址多樣化，其周圍可能存在對噪聲較為敏感的建筑或能源站建筑本身對噪聲需要控制。

3 能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

能源站中不同制冷設(shè)備運行工況不同，按制冷設(shè)備分為不同循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，可簡化對冷卻水系統(tǒng)的控制，同系統(tǒng)間的水量平衡較容易實現(xiàn)。同時，由于能源站建筑高度通常較低，三聯(lián)供設(shè)備及冷卻水塔出水點間高差較小，為保證制冷設(shè)備的進水壓力，宜采用水泵前置式。干管制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有管路系統(tǒng)簡單、冷卻塔使用率高、單臺設(shè)備檢修時不影響系統(tǒng)的正常運行、系統(tǒng)靈活度高等優(yōu)點。

4 已建成能源站運行中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)問題

通過對多家已建成的大型能源站進行調(diào)研，在運行過程中站內(nèi)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)主要存在以下問題。

4.1 冬季運行問題

冬季時，能源站主要負責給服務(wù)地塊提供熱源，部分設(shè)備（如離心式制冷機組）需間歇地運用冷卻水進行換熱。冬季環(huán)境溫度較低，冷卻水管道內(nèi)的冷卻水初溫較低，設(shè)備無法正常運行，因此，設(shè)計時應考慮冷卻水系統(tǒng)低流量旁通管，管徑與單臺冷卻塔進水管管徑相同，冬季運行初期，用循環(huán)冷卻水進行低流量旁通，待冷卻水溫度升高至設(shè)計溫度時，啟動冷卻水塔進行循環(huán)。低流量旁通分為2 種形式：供水主管旁通及冷卻水塔集水盤旁通。

除此之外，在冬季結(jié)冰地區(qū)，對于冬季需間歇運行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，應考慮冷卻水塔集水池、水盤的保溫、電加熱措施及室外露天循環(huán)冷卻水管道的保溫措施，以防集水池、水盤及管道結(jié)冰甚至凍裂，從而影響冷卻塔正常運作。

4.2 水質(zhì)問題

開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運行過程中，由于水溫較高，循環(huán)水濃縮，從而使水中碳酸鈣、硫酸鈣等結(jié)晶水垢增多；水與空氣直接接觸使水中藻類及細菌繁殖，同時，空氣中灰塵、昆蟲、樹葉等進入系統(tǒng)，使循環(huán)冷卻水水質(zhì)變差、水中污垢增多，因此，在運行中出現(xiàn)存在需要頻繁清洗設(shè)備前端過濾器的困擾。

能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水量大，設(shè)計時應參照GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》[2]，采取以下措施：（1）集水盤或集水池出水口設(shè)置濾網(wǎng)，攔截水盤或水池內(nèi)沉淀的污垢；（2）設(shè)置旁濾，將1%～5%的循環(huán)冷卻水進行旁濾；（3）設(shè)置水質(zhì)檢測儀，自動投加化學藥劑，如緩蝕阻垢劑、濃硫酸、氧化性殺菌劑及非氧化性殺菌劑等；（4）定期排污，條件允許時設(shè)置自動排污閥，由水質(zhì)監(jiān)測電導率值連鎖控制啟閉。根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計標準》[3]，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排水應排入室外污水管道。

5 設(shè)計要點

5.1 循環(huán)水量確定

能源站項目中，循環(huán)冷卻水的水量需結(jié)合三聯(lián)供設(shè)備運行負荷及運行工況進行計算。

5.1.1 循環(huán)冷卻水換熱流程

三聯(lián)供系統(tǒng)（燃氣發(fā)電機、直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組）冷卻水換熱流程如圖1 所示。

圖1 三聯(lián)供系統(tǒng)冷卻水換熱流程

在三聯(lián)供系統(tǒng)中，燃氣發(fā)電機有高溫煙氣及缸套水2 種余熱資源，當溴化鋰機組暫停運行而燃氣發(fā)電機仍需保持運行的狀態(tài)下，廢氣排放至大氣中，缸套水需采用冷卻水進行冷卻換熱，因此，在計算循環(huán)冷卻水流量時，需對應急冷卻水量進行校核。

5.1.2 循環(huán)冷卻水量計算

循環(huán)冷卻水水量基于耗熱量公式進行計算：

板式換熱器：

式中，qh為循環(huán)冷卻水量，m3/h；Ql為制冷量，通常用冷噸（RT）或功率（kW）來表示；COP 為能效比，制冷量與制冷所消耗電功率的比值，無量綱；Qh為耗熱量，循環(huán)冷卻水帶走的熱量，kJ/h；tr、tl為制冷設(shè)備冷卻水進出水溫度，℃；k 為板式換熱器效率，無量綱；C 為水的比熱，4.187 kJ/（kg·℃）；ρr為制冷設(shè)備冷卻水出水密度，kg/L。

5.1.3 循環(huán)冷卻水補水量及排放水量計算

參照GB/T 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)范》，間冷開式循環(huán)水系統(tǒng)補水量及排污水量主要有以下計算公式：

式中，Δt 為冷卻水塔進出水溫差，℃；K 為氣溫系數(shù)，1/℃；pw為風吹損失水率，機械通風冷卻塔取0.05%～0.10%；N 為濃縮倍數(shù)，循環(huán)冷卻水與補充水含鹽量比值，設(shè)計值≥3，無量綱；Qe為冷卻塔蒸發(fā)水量，m3/h；Qw為風吹損失水量，m3/h；Qb為排污水量，m3/h。

新鮮水補水量為冷卻塔蒸發(fā)水量、風吹損失水量及排污水量之和。由此可知，為提高循環(huán)水系統(tǒng)的水利用率，減少新鮮水使用量及污水排放量，濃縮倍數(shù)極為關(guān)鍵。而濃縮倍數(shù)與新鮮水補水水質(zhì)有關(guān)。以上海某項目為例，在使用水處理劑時，濃縮倍數(shù)可控制在4～7，當濃縮倍數(shù)＞8 時，節(jié)水效果不明顯，并且循環(huán)水水質(zhì)惡化將影響制冷設(shè)備正常運行。

5.2 循環(huán)水控制系統(tǒng)

為與制冷設(shè)備運行工況更好地匹配，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的循環(huán)水泵及冷卻水塔宜采用變頻控制，并在循環(huán)水供回水總管上設(shè)置壓力表、溫度表。

冷卻水塔風速變頻由冷卻水出水總管溫度表連鎖控制，出水總管水溫低時，風機低速運行，反之風機高速運行；循環(huán)水泵流量變頻由冷卻水塔回水總管溫度連鎖控制，回水總管水溫低時，采用低流速運行，反之高流速運行。同時，低流量旁通管調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)制冷機冷卻水進出總管的壓差值調(diào)節(jié)開啟度，當壓差較低時，加大旁通閥開啟度，增加旁通流量，提高制冷機冷卻水進水溫度，反之減小旁通閥開啟度。

經(jīng)研究表明，冷卻塔冷量與風機轉(zhuǎn)速成正比，風機能耗與轉(zhuǎn)速比的立方成正比。不同運行工況，能耗對比見表1（以4 臺同型號冷卻塔并聯(lián)為例）。

表1 4 臺并聯(lián)冷卻塔不同工況能耗對比

因此，當?shù)土髁垦h(huán)時，冷卻水平均分配至冷卻塔中進行冷卻，以滿足節(jié)能降耗的綠色要求。

5.3 設(shè)備及管道設(shè)置

5.3.1 連通管設(shè)置

能源站循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻塔通常多臺并聯(lián)運行，但由于受項目場地限制，難以設(shè)置集水池，應在集水盤間增設(shè)連通管，防止水盤被抽空或水盤溢流。連通管管徑需考慮在淋水時間內(nèi)，滿足單臺冷卻塔從配水管至集水盤淋水時間內(nèi)的循環(huán)水量與集水盤容積之間的差值，連通管總管管徑宜按并聯(lián)冷卻塔臺數(shù)加權(quán)計算。

5.3.2 集水盤深度設(shè)置

當冷卻塔及循環(huán)水泵位于同一層時，為避免氣蝕的發(fā)生，冷卻水塔盡可能采用集水池集水，當確有困難無法設(shè)置時，需考慮集水盤的有效水深及水泵吸水管的布置方式。

集水盤有效水深需按GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》中對離心泵進水管在吸水池中的布置要求進行校核，當標準集水盤深度不滿足要求時，可要求設(shè)備供應商按要求加深集水盤，同時，可采用抬高冷卻塔基礎(chǔ)的方式避免氣蝕[4]。

5.3.3 冷卻塔回水總管設(shè)置

為保證同系統(tǒng)多臺冷卻塔進水量均勻，冷卻塔進水總管盡可能采用環(huán)狀布置，當不能滿足時，可采用在冷卻塔進水管上安裝靜態(tài)流量平衡閥的方法加以彌補。

5.3.4 降噪設(shè)置

為降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行噪聲，采用低噪聲型冷卻塔。冷卻塔及循環(huán)水泵基礎(chǔ)應考慮采用減震器，管道與設(shè)備連接處設(shè)置軟接頭。必要時，在冷卻塔周圍設(shè)置消聲器，設(shè)計時，需考慮消聲器通風量及流阻與冷卻塔進出風條件相匹配。

6 結(jié)語

大型能源站中的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)具有流量大、運行復雜、系統(tǒng)種類多的特點，本文通過對已建成能源站進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)運行中的問題。結(jié)合項目，從循環(huán)冷卻水換熱流程出發(fā)，總結(jié)了設(shè)計水量、系統(tǒng)控制、冷卻水系統(tǒng)設(shè)備及管道布置要點，確保系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、綠色、節(jié)能。