香港華藝設(shè)計(jì)顧問(深圳)有限公司 高 龍 王 笙 李雪松 蔡健銘深圳市前海能源科技發(fā)展有限公司 王朝暉 胡 勣

0 引言

在冰蓄冷系統(tǒng)中，外融冰系統(tǒng)具有放冷速度快、換熱效果好、出水溫度低、融冰能耗少等優(yōu)點(diǎn)，適合低溫冷水的長距離輸送，因此在大型區(qū)域供冷系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。一般采用主機(jī)上游串聯(lián)的系統(tǒng)形式，即外網(wǎng)回水先經(jīng)過上游主機(jī)降溫，再經(jīng)過下游冰池后獲得較低的供水溫度[1-4]。

圖1為典型外融冰閉式系統(tǒng)原理圖[5]，為了便于分析冷水水力工況，圖中省略了水-乙二醇板式換熱器一次側(cè)雙工況主機(jī)及相應(yīng)管路和閥門。采用此種系統(tǒng)形式的工程案例有深圳市前海合作區(qū)區(qū)域集中供冷項(xiàng)目2號(hào)供冷站、4號(hào)供冷站，廣州大學(xué)城區(qū)域供冷項(xiàng)目[6]，三亞市亞龍灣區(qū)域供冷項(xiàng)目[5]，重慶市江北城中央商務(wù)區(qū)區(qū)域供冷項(xiàng)目[7]等。這些項(xiàng)目外網(wǎng)冷水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，控制相對(duì)簡單，但是需要設(shè)置冰池的融冰板式換熱器和融冰泵，設(shè)備占地面積、初投資和運(yùn)行能耗相對(duì)較高。

1.用戶側(cè)板式換熱器；2.平衡管；3一級(jí)泵；4.雙工況主機(jī)水-乙二醇板式換熱器(以下簡稱雙工況板式換熱器)；5.基載主機(jī)；6電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；7.融冰板式換熱器；8.二級(jí)泵(外網(wǎng)循環(huán)水泵)；9.冰池；10.冰池融冰泵；11.定壓補(bǔ)水裝置。圖1 外融冰閉式冷水系統(tǒng)示意圖

典型外融冰開式系統(tǒng)如圖2所示[8]，采用這種系統(tǒng)形式的工程有北京市中關(guān)村區(qū)域供冷項(xiàng)目[8]、深圳市留仙洞戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)總部基地區(qū)域集中供冷項(xiàng)目、深圳市前海合作區(qū)區(qū)域集中供冷項(xiàng)目3號(hào)供冷站等。開式系統(tǒng)冷水經(jīng)上游主機(jī)降溫后進(jìn)入冰池，通過外網(wǎng)循環(huán)水泵從冰池抽水輸送至用戶側(cè)，不存在融冰板式換熱器的換熱，冷水的供水溫度更低，設(shè)備初投資、占地面積、系統(tǒng)運(yùn)行能耗相對(duì)閉式系統(tǒng)均有所減少，但是冰池液面低于管網(wǎng)最高點(diǎn)，管網(wǎng)有可能出現(xiàn)負(fù)壓，控制相對(duì)復(fù)雜。

1.用戶側(cè)板式換熱器；2.平衡管；3.一級(jí)泵；4.雙工況板式換熱器；5.基載主機(jī)；6.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；7.冰池；8.二級(jí)泵(外網(wǎng)循環(huán)水泵)。圖2 外融冰開式冷水系統(tǒng)示意圖

相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為，開式系統(tǒng)可提供1.1 ℃的低溫冷水[8]，實(shí)現(xiàn)大溫差供冷；在冰池出口設(shè)置電動(dòng)閥并在停泵時(shí)快速關(guān)閉，可防止系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)發(fā)生倒灌[9]；在設(shè)計(jì)合理的情況下，設(shè)有鼓氣泵的外融冰系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生氣塞問題，外融冰系統(tǒng)應(yīng)采取可靠的技術(shù)手段防止水系統(tǒng)倒空與冰槽水溢流[6]。但對(duì)于開式系統(tǒng)外網(wǎng)與冰池液面之間存在的高差，以及由于高差可能導(dǎo)致的系統(tǒng)部分管路負(fù)壓運(yùn)行的問題鮮有研究。本文針對(duì)外融冰開式系統(tǒng)可能存在的負(fù)壓問題，著重分析其水力工況，分析產(chǎn)生負(fù)壓的原因和負(fù)壓出現(xiàn)的位置，并結(jié)合水力計(jì)算給出維持系統(tǒng)正壓運(yùn)行的方法。

1 主機(jī)上游串聯(lián)的外融冰開式系統(tǒng)冷水水力工況分析

1.1 系統(tǒng)壓力最低點(diǎn)的確定

主機(jī)上游串聯(lián)的外融冰開式二級(jí)泵系統(tǒng)示意圖見圖3。圖3中H0表示冰池液面與管網(wǎng)最低點(diǎn)的高差，在實(shí)際工程中，外融冰池一般設(shè)置在建筑的地下室，因此與管網(wǎng)系統(tǒng)的最高點(diǎn)之間存在一定的高差，此高差用H1表示，H表示管網(wǎng)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高差。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，上游雙工況板式換熱器和基載主機(jī)的阻力由一級(jí)泵克服，一級(jí)泵根據(jù)不同工況的運(yùn)行策略調(diào)節(jié)雙工況板式換熱器和基載主機(jī)的流量。一、二級(jí)泵之間設(shè)置平衡管，下游進(jìn)入冰池的水流量和旁通的流量由閥門V1和V2控制，保證混水后的溫度。為方便水力分析，針對(duì)圖3給出以下假定：1) 平衡管內(nèi)無流量；2) 圖3中點(diǎn)2、3及用戶板式換熱器等站外各點(diǎn)均與外網(wǎng)在同一高度；3) 圖3中點(diǎn)4、4′、5′、5、6、7、7′、8、1站內(nèi)各點(diǎn)均與供冷站在同一高度。

圖3 外融冰開式二級(jí)泵系統(tǒng)簡化圖

用hi表示點(diǎn)i的管道靜壓，分析1～8點(diǎn)靜壓。從外網(wǎng)水泵出口點(diǎn)1到外網(wǎng)回水進(jìn)入制冷站前的最高點(diǎn)3，存在如下關(guān)系：h1>h2>h2′>h3′>h3。點(diǎn)3位置高于點(diǎn)4，且管道內(nèi)流速較低，因此h4>h3。由于平衡管內(nèi)無流量，雙工況板式換熱器和基載主機(jī)的阻力由一級(jí)泵克服，故h4=h5。點(diǎn)5后冷水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥V1進(jìn)入冰池。點(diǎn)5～8管道內(nèi)靜壓的關(guān)系為：h5>h6>h7>h8，其中點(diǎn)7、8管道都與冰池連通，考慮進(jìn)出水布水器的阻力，因此有h7>h8，而冰池出水管一般位于冰池液面之下，所以h8>0，故點(diǎn)4～8管道內(nèi)均為正壓。

綜上所述，各點(diǎn)靜壓根據(jù)大小順序?yàn)椋篽1>h2>h2′>h3′>h3h6>h7>h8>0。如果系統(tǒng)有負(fù)壓點(diǎn)，則點(diǎn)3會(huì)最先出現(xiàn)負(fù)壓。故對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，只要保證h3>0(一般保證0.5 m左右)，則整個(gè)系統(tǒng)均會(huì)在正壓工況下運(yùn)行。因此需要推導(dǎo)出h3與高差H1、水泵揚(yáng)程及管網(wǎng)阻力之間的關(guān)系，判斷h3形成負(fù)壓的條件及應(yīng)采取的避免產(chǎn)生負(fù)壓的措施。

1.2 外融冰開式系統(tǒng)維持系統(tǒng)正壓的判斷

圖3中外網(wǎng)水泵揚(yáng)程等于管道的沿程和局部阻力之和，即

h=h12+h23+h34+h45+h56+h78+hV1

(1)

式中h為外網(wǎng)水泵揚(yáng)程；hij為點(diǎn)i～j的沿程阻力和局部阻力之和；hV1為調(diào)節(jié)閥V1的阻力，即h67。

由于平衡管內(nèi)無流量，故可認(rèn)為h45=0。考慮到系統(tǒng)的高差，從水泵出口點(diǎn)1到點(diǎn)3列伯努利方程為

式中 v為管道內(nèi)流速；g為自由落體加速度；本節(jié)后文敘述中H、H0、H1均表示由高差產(chǎn)生的位能，即位置水頭。

化簡式(2)得到

h3=H0+h-H-h12-h23

(3)

由圖3可知，H=H0+H1，將式(1)代入式(3)可得

h3=h34+h56+h78+hV1-H1

(4)

化簡式(4)，得

h3=hV1+ha-H1

(5)

式中 ha為點(diǎn)3～8之間管路的沿程阻力加上除調(diào)節(jié)閥V1之外的其他局部阻力之和。

要維持管網(wǎng)正壓運(yùn)行需要滿足的條件為

h3=hV1+ha-H1>0

(6)

當(dāng)閥門V1全開時(shí)，式(6)成立與否受H1的影響，因此需要分工況討論。

1) 當(dāng)閥門V1全開、并且在最不利工況下仍可以滿足H10，故整個(gè)系統(tǒng)無負(fù)壓風(fēng)險(xiǎn)，閥門V1和V2僅用作流量的分配與調(diào)節(jié)。將式(1)進(jìn)行化簡，則此時(shí)外網(wǎng)水泵的揚(yáng)程為

h=h12+h23+ha+hV1

(7)

2) 當(dāng)閥門V1全開、并且在最不利工況下H1>hV1+ha時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致h3<0，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，應(yīng)調(diào)節(jié)閥門V1，增大其阻力值，閥門V1的阻力應(yīng)滿足

hV1>H1-ha

(8)

將式(5)代入式(7)，得到水泵揚(yáng)程h與冰池液面和管網(wǎng)最高點(diǎn)之間高差H1的關(guān)系：

h=h12+h23+h3+H1

(9)

也就是在h3>0時(shí)，水泵的揚(yáng)程需滿足的條件為

h>h12+h23+H1

(10)

即水泵揚(yáng)程除了克服點(diǎn)1～3之間管段的局部阻力和沿程阻力外，還要克服冰池液面與管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差引起的位置水頭。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，為避免系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓，可以減小冰池液面與管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差，如果由于建筑場地等因素?zé)o法減小，則需要調(diào)節(jié)閥門V1的阻力，即閥門V1根據(jù)系統(tǒng)最小壓力點(diǎn)的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)正壓運(yùn)行，此時(shí)閥門V2的作用是調(diào)節(jié)旁通流量，保證混水后水溫達(dá)到設(shè)計(jì)值。當(dāng)夜間工況冰池不工作時(shí)，關(guān)閉閥門V1，用閥門V2保證系統(tǒng)的正壓工況，用水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)的流量。

1.3 調(diào)節(jié)閥門V2阻力計(jì)算及選型

當(dāng)用閥門V2調(diào)節(jié)流量時(shí)，閥門阻力的計(jì)算方法如下。對(duì)于圖3中V1和V2 2個(gè)并聯(lián)支路，分別列點(diǎn)6～8的伯努利方程。

對(duì)于V1支路有

式中 v1為閥門V1支路的流速；ζ1為V1支路點(diǎn)6～8之間管路的阻力系數(shù)；ρ為水的密度；H6、H8分別為點(diǎn)6及點(diǎn)8的位置水頭。

對(duì)于V2支路有

式中 v2為閥門V2支路的流速；ζ2為V2支路點(diǎn)6～8之間管路的阻力系數(shù)。

聯(lián)立式(11)、(12)可得閥門V2的阻力：

對(duì)于包含閥門V1、V2的2個(gè)支路來說，由于管道內(nèi)冷水流速均較小，且管路較短，阻力系數(shù)相差亦不大，因此閥門V1、V2的阻力值相差不大。

由于大口徑調(diào)節(jié)閥選型原理較為復(fù)雜，本文不作詳細(xì)論述，僅根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[10-11]的結(jié)論給出選型過程，等百分比調(diào)節(jié)閥可按照以下步驟進(jìn)行選型計(jì)算。

在已知閥門流通的最大流量、最小流量及閥門前后壓差的情況下，用下式分別計(jì)算閥門流量系數(shù)Cv的最大值Cvmax及最小值Cvmin。

式中 Q為通過閥門的流量，m3/h；Δp為閥門前后壓差，kPa。

對(duì)所得Cvmax進(jìn)行圓整，再根據(jù)廠家的樣本選取某等百分比流量特性的閥門在85°開度時(shí)的Cv值，略大于工程所需的Cvmax，以此選定閥門口徑，之后用式(15)對(duì)閥門相對(duì)開度l進(jìn)行驗(yàn)算。

式中 R為調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比，一般閥門的可調(diào)比為30；Cv100為選定調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的Cv值。

將Cvmax、Cvmin分別代入式(15)中的Cv進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于等百分比特性的閥門來說，閥門的相對(duì)開度應(yīng)在20%～85%之間。當(dāng)工程所需的可調(diào)范圍較寬、經(jīng)過相對(duì)開度驗(yàn)算后無法滿足上述開度區(qū)間時(shí)，需要選擇可調(diào)比更大的閥門，或者進(jìn)行多閥并聯(lián)，提高閥門的可調(diào)比。

2 管道水壓圖的繪制

不同于以往閉式系統(tǒng)水壓圖由靜水壓線和測壓管水頭線表達(dá)，對(duì)于外融冰開式系統(tǒng)，更關(guān)心的是系統(tǒng)的工作壓力分布，即管道靜壓分布，故本文通過繪制管道的工作壓力水壓圖對(duì)系統(tǒng)水壓的分布進(jìn)行分析。

如前文所述，當(dāng)冰池液面與管網(wǎng)系統(tǒng)最高點(diǎn)之間的高差較小時(shí)，即使閥門V1全開，系統(tǒng)仍無負(fù)壓，即滿足H1

注：閥門V1全開時(shí)阻力可近似忽略，此時(shí)6和7視為一個(gè)點(diǎn)。圖4 H1較小且系統(tǒng)無負(fù)壓時(shí)1-2-3-4′-5-6-7-8-1環(huán)路水壓圖

當(dāng)冰池液面與管網(wǎng)系統(tǒng)最高點(diǎn)之間的高差較大時(shí)，閥門V1全開，H1>hV1+ha，就需要閥門V1進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證H1

圖5 H1較大需進(jìn)行閥門調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)水壓圖

對(duì)圖3中1-8-1環(huán)路繪制水壓圖，冷水流過一級(jí)泵和雙工況板式換熱器、閥門V1和冰池這個(gè)支路的水壓圖見圖5a。

圖5a顯示了管網(wǎng)壓力的變化趨勢，便于分析整個(gè)管道的水壓情況。從圖5中可以看到，如果管道出現(xiàn)負(fù)壓，則點(diǎn)3處最先出現(xiàn)負(fù)壓。

對(duì)于圖3中1-8-1環(huán)路，包括平衡管、閥門V2這2個(gè)支路的水壓圖如圖5b所示。對(duì)比圖5a、b可以看出：在點(diǎn)4～5之間，上游雙工況板式換熱器或基載主機(jī)的阻力由一級(jí)泵克服，這部分阻力對(duì)外網(wǎng)水泵的揚(yáng)程沒有影響；閥門V2的阻力h67′與V1的阻力h67基本相同。

3 案例分析

3.1 工程概況

深圳市某區(qū)域供冷項(xiàng)目服務(wù)面積約90萬m2，最大供冷能力約67 878 kW，為15個(gè)用戶供冷。冰蓄冷系統(tǒng)采用主機(jī)上游串聯(lián)的外融冰開式二級(jí)泵系統(tǒng)的形式，系統(tǒng)流程見圖6。主要設(shè)備參數(shù)見表1。

圖6 深圳市某區(qū)域供冷項(xiàng)目冰蓄冷系統(tǒng)示意圖

表1 雙工況板式換熱器、基載主機(jī)、雙工況主機(jī)主要設(shè)備參數(shù)

在該項(xiàng)目中，冰池液面與外網(wǎng)系統(tǒng)最高點(diǎn)之間高差近15 m，屬于前文所述閥門V1全開、H1>hV1+ha的情況，因此必須設(shè)置調(diào)節(jié)閥以保證系統(tǒng)內(nèi)不出現(xiàn)負(fù)壓。通過計(jì)算得到滿負(fù)荷工況時(shí)外網(wǎng)水泵揚(yáng)程為38 m，小流量時(shí)外網(wǎng)水泵揚(yáng)程為18 m，考慮1.1倍的放大系數(shù)，故設(shè)置了6臺(tái)流量1 130 m3/h、揚(yáng)程42 m的大泵，1臺(tái)流量560 m3/h、揚(yáng)程20 m的小泵。以該項(xiàng)目為例，分析4種典型工況下系統(tǒng)水壓圖及為保證系統(tǒng)不出現(xiàn)負(fù)壓而進(jìn)行的調(diào)節(jié)閥的設(shè)置問題。4種典型工況的負(fù)荷及制冷機(jī)開啟臺(tái)數(shù)見表2。

表2 H1=15 m的4種典型工況信息

3.2 系統(tǒng)水壓圖

圖7為4種典型工況的水壓圖。在該項(xiàng)目中，為了使外網(wǎng)水泵能更好地從冰池中抽水，冰池出水管位于液面下，而進(jìn)水管由于機(jī)房空間的限制高于液面。因此，點(diǎn)7～8之間管道靜壓的關(guān)系為h8>h7>0，系統(tǒng)壓力最低點(diǎn)仍然不變。圖7中各點(diǎn)與圖6系統(tǒng)中各點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，各線段的含義同第2章，其中1-1′表示外網(wǎng)水泵出口到制冷站出口管道的沿程與局部阻力之和。通過對(duì)不同工況水壓圖的分析可知，在該項(xiàng)目的外融冰開式二級(jí)泵系統(tǒng)中，通過設(shè)置調(diào)節(jié)閥，保證了系統(tǒng)最低點(diǎn)的壓力高于大氣壓，系統(tǒng)不出現(xiàn)負(fù)壓，運(yùn)行安全穩(wěn)定。另外保證最不利點(diǎn)壓力的調(diào)節(jié)閥(工況1～3為V1，工況4為V2)阻力在不同工況有所不同，隨著系統(tǒng)流量的減小，調(diào)節(jié)閥的阻力增大，其關(guān)系見表3。

表3 H1=15 m的4種典型工況外網(wǎng)水泵揚(yáng)程、系統(tǒng)流量及閥門V1的阻力

可以看出，與閉式系統(tǒng)不同，外融冰開式系統(tǒng)全年各工況循環(huán)水泵揚(yáng)程均需要克服冰池液面和管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差引起的水頭，而這部分增加的水泵揚(yáng)程最終又被閥門阻力消耗，造成了一定的能源浪費(fèi)，故在實(shí)際工程中，需要盡量減小這部分高差，以減少水泵的運(yùn)行能耗。

3.3 閥門V1和V2的選型

針對(duì)案例中的閥門V1、V2，參考表4數(shù)據(jù)，根據(jù)1.3節(jié)選型計(jì)算步驟，對(duì)閥門進(jìn)行選型，參數(shù)見表5。

表4 某廠家等百分比特性閥門Cv值與開啟度對(duì)照

表5 H1=15 m時(shí)閥門V1、V2選型參數(shù)

初步選定閥門V1的口徑為DN250，閥門V2的口徑為DN200。驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)2個(gè)閥門在最小流量時(shí)的開度過小，因此都需要進(jìn)行多閥并聯(lián)。對(duì)于閥門V1來說，可用DN250和DN125的閥門并聯(lián)，在小流量時(shí)使用小閥，其他工況使用大閥；同理，V2可用DN200和DN100的閥門并聯(lián)。

3.4 高差H1降低后水系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)比

對(duì)于該項(xiàng)目，若冰池液面和管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差減小至6 m，則閥門V1、V2的阻力會(huì)大大減小。滿負(fù)荷時(shí)，閥門V1可以只起流量分配調(diào)節(jié)的作用，整個(gè)系統(tǒng)無負(fù)壓；在部分負(fù)荷時(shí)，由于流量減小，管路阻力減小，需要增大V1的阻力來保證系統(tǒng)正壓。圖8為6 m高差下4種典型工況的水壓圖，外網(wǎng)水泵揚(yáng)程、流量及閥門V1的阻力見表6。

圖8 H1=6 m的4種典型工況系統(tǒng)水壓圖

表6 H1=6 m的4種典型工況外網(wǎng)水泵揚(yáng)程、系統(tǒng)流量及閥門V1的阻力

對(duì)H1=6 m時(shí)閥門V1和V2進(jìn)行選型計(jì)算，選型參數(shù)見表7。選型結(jié)果為：閥門V1使用DN350和DN150的閥門并聯(lián)，閥門V2使用DN300和DN125的閥門并聯(lián)。

表7 H1=6 m時(shí)閥門V1、V2選型參數(shù)

對(duì)比圖7、8及表3、6可知，冰池液面和管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差對(duì)閥門V1的阻力及水泵揚(yáng)程有顯著影響。因此，合理選擇制冷站機(jī)房及冰池位置，減小冰池液面與管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差，對(duì)降低水泵運(yùn)行能耗具有重要作用。

4 結(jié)論和展望

1) 針對(duì)外融冰開式冷水系統(tǒng)，通過管道靜壓分析確定了冷水系統(tǒng)內(nèi)可能出現(xiàn)負(fù)壓的狀態(tài)點(diǎn)位置。

2) 對(duì)外融冰開式二級(jí)泵系統(tǒng)的水力工況進(jìn)行分析，得到了冰池液面與管網(wǎng)最高點(diǎn)不同高差下冰池前調(diào)節(jié)閥阻力和外網(wǎng)循環(huán)水泵揚(yáng)程的計(jì)算公式，給出了維持系統(tǒng)正壓運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)閥V1和V2的調(diào)節(jié)措施；冰池液面與管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差是影響二級(jí)泵揚(yáng)程的主要因素。

3) 通過實(shí)際工程案例的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該工程由于冰池液面和管網(wǎng)最高點(diǎn)的高差為15 m，導(dǎo)致V1調(diào)節(jié)閥的阻力在10～15 m之間變化，水泵揚(yáng)程需要全年克服冰池液面與管網(wǎng)最高點(diǎn)高差引起的水頭，如果在設(shè)計(jì)時(shí)將高差減少至6 m，則V1調(diào)節(jié)閥的阻力在1～6 m之間，水泵揚(yáng)程也會(huì)相應(yīng)減小，可以大大降低水泵運(yùn)行能耗。

4) 區(qū)域供冷能源站的設(shè)計(jì)必須結(jié)合室外管網(wǎng)的高度進(jìn)行，根據(jù)水力計(jì)算，合理選擇閥門的形式，并計(jì)算閥門口徑。