香港華藝設(shè)計顧問(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，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)域集中供冷項目2號供冷站、4號供冷站，廣州大學(xué)城區(qū)域供冷項目[6]，三亞市亞龍灣區(qū)域供冷項目[5]，重慶市江北城中央商務(wù)區(qū)區(qū)域供冷項目[7]等。這些項目外網(wǎng)冷水系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，控制相對簡單，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、初投資和運行能耗相對較高。

1.用戶側(cè)板式換熱器；2.平衡管；3一級泵；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電動調(diào)節(jié)閥；7.融冰板式換熱器；8.二級泵(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)域集中供冷項目、深圳市前海合作區(qū)區(qū)域集中供冷項目3號供冷站等。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)運行能耗相對閉式系統(tǒng)均有所減少，但是冰池液面低于管網(wǎng)最高點，管網(wǎng)有可能出現(xiàn)負(fù)壓，控制相對復(fù)雜。

1.用戶側(cè)板式換熱器；2.平衡管；3.一級泵；4.雙工況板式換熱器；5.基載主機(jī)；6.電動調(diào)節(jié)閥；7.冰池；8.二級泵(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]，實現(xiàn)大溫差供冷；在冰池出口設(shè)置電動閥并在停泵時快速關(guān)閉，可防止系統(tǒng)停止運行時發(fā)生倒灌[9]；在設(shè)計合理的情況下，設(shè)有鼓氣泵的外融冰系統(tǒng)不會產(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)壓運行的問題鮮有研究。本文針對外融冰開式系統(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)合水力計算給出維持系統(tǒng)正壓運行的方法。

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)壓力最低點的確定

主機(jī)上游串聯(lián)的外融冰開式二級泵系統(tǒng)示意圖見圖3。圖3中H0表示冰池液面與管網(wǎng)最低點的高差，在實際工程中，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)最高點與最低點的高差。系統(tǒng)運行時，上游雙工況板式換熱器和基載主機(jī)的阻力由一級泵克服，一級泵根據(jù)不同工況的運行策略調(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，針對圖3給出以下假定：1) 平衡管內(nèi)無流量；2) 圖3中點2、3及用戶板式換熱器等站外各點均與外網(wǎng)在同一高度；3) 圖3中點4、4′、5′、5、6、7、7′、8、1站內(nèi)各點均與供冷站在同一高度。

圖3 外融冰開式二級泵系統(tǒng)簡化圖

用hi表示點i的管道靜壓，分析1～8點靜壓。從外網(wǎng)水泵出口點1到外網(wǎng)回水進(jìn)入制冷站前的最高點3，存在如下關(guān)系：h1>h2>h2′>h3′>h3。點3位置高于點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)的阻力由一級泵克服，故h4=h5。點5后冷水經(jīng)過調(diào)節(jié)閥V1進(jìn)入冰池。點5～8管道內(nèi)靜壓的關(guān)系為：h5>h6>h7>h8，其中點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4～8管道內(nèi)均為正壓。

綜上所述，各點靜壓根據(jù)大小順序為：h1>h2>h2′>h3′>h3h6>h7>h8>0。如果系統(tǒng)有負(fù)壓點，則點3會最先出現(xiàn)負(fù)壓。故對于整個系統(tǒng)來說，只要保證h3>0(一般保證0.5 m左右)，則整個系統(tǒng)均會在正壓工況下運行。因此需要推導(dǎo)出h3與高差H1、水泵揚程及管網(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)水泵揚程；hij為點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1到點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)正壓運行需要滿足的條件為

h3=hV1+ha-H1>0

(6)

當(dāng)閥門V1全開時，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，故整個系統(tǒng)無負(fù)壓風(fēng)險，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，則此時外網(wǎng)水泵的揚程為

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，必然會導(dǎo)致h3<0，此時系統(tǒng)會出現(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)，得到水泵揚程h與冰池液面和管網(wǎng)最高點之間高差H1的關(guān)系：

h=h12+h23+h3+H1

(9)

也就是在h3>0時，水泵的揚程需滿足的條件為

h>h12+h23+H1

(10)

即水泵揚程除了克服點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)最小壓力點的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持系統(tǒng)正壓運行，此時閥門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)計值。當(dāng)夜間工況冰池不工作時，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阻力計算及選型

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

對于V1支路有

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

對于V2支路有

式中 v2為閥門V2支路的流速；ζ2為V2支路點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：

對于包含閥門V1、V2的2個支路來說，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)對閥門相對開度l進(jìn)行驗算。

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)閥全開時的Cv值。

將Cvmax、Cvmin分別代入式(15)中的Cv進(jìn)行驗算。對于等百分比特性的閥門來說，閥門的相對開度應(yīng)在20%～85%之間。當(dāng)工程所需的可調(diào)范圍較寬、經(jīng)過相對開度驗算后無法滿足上述開度區(qū)間時，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)最高點之間的高差較小時，即使閥門V1全開，系統(tǒng)仍無負(fù)壓，即滿足H1

注：閥門V1全開時阻力可近似忽略，此時6和7視為一個點。圖4 H1較小且系統(tǒng)無負(fù)壓時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)最高點之間的高差較大時，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)時系統(tǒng)水壓圖

對圖3中1-8-1環(huán)路繪制水壓圖，冷水流過一級泵和雙工況板式換熱器、閥門V1和冰池這個支路的水壓圖見圖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3處最先出現(xiàn)負(fù)壓。

對于圖3中1-8-1環(huán)路，包括平衡管、閥門V2這2個支路的水壓圖如圖5b所示。對比圖5a、b可以看出：在點4～5之間，上游雙工況板式換熱器或基載主機(jī)的阻力由一級泵克服，這部分阻力對外網(wǎng)水泵的揚程沒有影響；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)域供冷項目服務(wù)面積約90萬m2，最大供冷能力約67 878 kW，為15個用戶供冷。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)

在該項目中，冰池液面與外網(wǎng)系統(tǒng)最高點之間高差近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。通過計算得到滿負(fù)荷工況時外網(wǎng)水泵揚程為38 m，小流量時外網(wǎng)水泵揚程為18 m，考慮1.1倍的放大系數(shù)，故設(shè)置了6臺流量1 130 m3/h、揚程42 m的大泵，1臺流量560 m3/h、揚程20 m的小泵。以該項目為例，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7～8之間管道靜壓的關(guān)系為h8>h7>0，系統(tǒng)壓力最低點仍然不變。圖7中各點與圖6系統(tǒng)中各點一一對應(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。通過對不同工況水壓圖的分析可知，在該項目的外融冰開式二級泵系統(tǒng)中，通過設(shè)置調(diào)節(jié)閥，保證了系統(tǒng)最低點的壓力高于大氣壓，系統(tǒng)不出現(xiàn)負(fù)壓，運行安全穩(wěn)定。另外保證最不利點壓力的調(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)水泵揚程均需要克服冰池液面和管網(wǎng)最高點的高差引起的水頭，而這部分增加的水泵揚程最終又被閥門阻力消耗，造成了一定的能源浪費，故在實際工程中，需要盡量減小這部分高差，以減少水泵的運行能耗。

3.3 閥門V1和V2的選型

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

表4 某廠家等百分比特性閥門Cv值與開啟度對照

表5 H1=15 m時閥門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。驗算后發(fā)現(xiàn)2個閥門在最小流量時的開度過小，因此都需要進(jìn)行多閥并聯(lián)。對于閥門V1來說，可用DN250和DN125的閥門并聯(lián)，在小流量時使用小閥，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)變化對比

對于該項目，若冰池液面和管網(wǎng)最高點的高差減小至6 m，則閥門V1、V2的阻力會大大減小。滿負(fù)荷時，閥門V1可以只起流量分配調(diào)節(jié)的作用，整個系統(tǒng)無負(fù)壓；在部分負(fù)荷時，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)水泵揚程、系統(tǒng)流量及閥門V1的阻力

對H1=6 m時閥門V1和V2進(jìn)行選型計算，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時閥門V1、V2選型參數(shù)

對比圖7、8及表3、6可知，冰池液面和管網(wǎng)最高點的高差對閥門V1的阻力及水泵揚程有顯著影響。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)最高點的高差，對降低水泵運行能耗具有重要作用。

4 結(jié)論和展望

1) 針對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)點位置。

2) 對外融冰開式二級泵系統(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)水泵揚程的計算公式，給出了維持系統(tǒng)正壓運行時調(diào)節(jié)閥V1和V2的調(diào)節(jié)措施；冰池液面與管網(wǎng)最高點的高差是影響二級泵揚程的主要因素。

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

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