羅文海 管留日 朱海明

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0 引言

能源緊缺及供需不平衡問題日益突出，當前國家出臺了相關(guān)能源政策，確保了民生保障、市場供應(yīng)，為穩(wěn)定經(jīng)濟運行提供了良好支撐。國家發(fā)展改革委印發(fā)了《關(guān)于進一步完善分時電價機制的通知》，要求進一步完善目錄分時電價機制，更好引導用戶削峰填谷、改善電力供需狀況、促進新能源消納，其中“三、強化分時電價機制執(zhí)行”的“（一）明確分時電價機制執(zhí)行范圍”提出：鼓勵工商業(yè)用戶通過配置儲能、開展綜合能源利用等方式降低高峰時段用電負荷、增加低谷用電量，通過改變用電時段來降低用電成本。《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》，明確提出了積極支持用戶側(cè)儲能多元化發(fā)展，鼓勵聚合利用不間斷電源、電動汽車、用戶側(cè)儲能等分散式儲能設(shè)施。

冰蓄冷作為一種儲能技術(shù)，實現(xiàn)了夏季空調(diào)降溫負荷時段性、靈活性的調(diào)節(jié)，既有利于降低用戶空調(diào)系統(tǒng)運行成本，又有利于促進電力移峰填谷。部分學者從冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的組成形式、運行工況、控制策略等方面進行了研究運用[1-3]，為實現(xiàn)冰蓄冷系統(tǒng)節(jié)能運行提供了實踐經(jīng)驗。在乙二醇系統(tǒng)保護方面，對冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中載冷劑乙二醇的腐蝕性機理做了深入分析探討，提出了冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的防護措施[4-5]。

乙二醇的物理性質(zhì)決定了其受溫度變化影響具有較大的熱脹冷縮特性，體現(xiàn)在以乙二醇作為載冷劑的蓄冰空調(diào)系統(tǒng)運行期間管道內(nèi)壓力出現(xiàn)周期性膨脹現(xiàn)象。目前對乙二醇膨脹現(xiàn)象的研究相對較少，本文結(jié)合實際工程，對乙二醇膨脹效應(yīng)進行淺析總結(jié)，供有關(guān)同行參考。

1 工程概況

以華南地區(qū)某綜合樓的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，由2 臺雙工況冷水機組、2 臺蓄冰槽、3 臺乙二醇泵、3 臺冷凍泵、3 臺冷卻泵、2 臺板式換熱器以及2 臺冷卻塔組成，其中乙二醇泵和冷凍泵分別位于板式換熱器的乙二醇水溶液側(cè)和冷凍水側(cè)。運行過程中因溫度變化導致的乙二醇體積膨脹或縮小，會造成空調(diào)系統(tǒng)的壓力過高或不足，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，采用了定壓補液泵加膨脹罐對該冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)進行定壓補液和膨脹釋壓。整個冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)原理圖

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)采用質(zhì)量濃度為25%的乙二醇水溶液（以下簡稱乙二醇）。乙二醇主要存在于管道（圖1 中粗線所示）以及蓄冰槽內(nèi)，各部分乙二醇初始充裝容量及占比如表1 所示。

表1 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)乙二醇容量

2 工程運用

2.1 理論分析

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)不運行時，管路最高點不應(yīng)倒空；當冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)的壓力最低點不應(yīng)發(fā)生汽化。定壓裝置的定壓點位于乙二醇泵入口前端位置，最低定壓壓力pdmin要求可表示為：

式中：ps為乙二醇最小飽和壓力，Pa；ρ 為乙二醇的密度，kg/m3；h 為定壓點與乙二醇管路最高點之間的高差，m；Δ勻為定壓點與乙二醇泵入口之間的壓損，Pa；p0為系統(tǒng)運行安全余量，可取0.03～0.05 MPa。

乙二醇密度隨溫度變化的關(guān)系可參考文獻[6]，并做適當變形得到：

式中：ρ1為乙二醇溫度t1時的密度，kg/m3；ρ2為乙二醇溫度t2時的密度，kg/m3；0.0007 為乙二醇的熱膨脹系數(shù)，1/℃。

乙二醇膨脹前后，總質(zhì)量守恒：

式中：V1為乙二醇溫度t1時的體積，m3；V2為乙二醇溫度t2時的體積，m3。

溫度變化引起的體積變化率η：

滿液鋼管內(nèi)液體溫度變化時的壓力變化值Δp：

式中：Δp 為乙二醇對應(yīng)溫度變化Δt 時的壓力變化值，Pa；β 為乙二醇水溶液膨脹系數(shù)，1/℃；β0鋼材膨脹系數(shù)，1/℃；α 為乙二醇溶液壓縮系數(shù)，1/Pa；Ω 為壓力升高時鋼管容積增大系數(shù)，1/Pa；Δt 為乙二醇溶液溫度變化值，Δt=t2-t1，℃。

定壓點的最低定壓壓力應(yīng)保證系統(tǒng)壓力在乙二醇溫度最高時不小于飽和壓力，Ps可取0.005 MPa。密度ρ 按系統(tǒng)運行乙二醇最低溫度-5.6 ℃和最高溫度10 ℃的平均值計算，為1043 kg/m3；h 按實際值，為3.5 m；定壓點與乙二醇泵入口很近，可取Δ勻為0 Pa。根據(jù)式（1）有：Pdmin≥0.07～0.09 MPa。

根據(jù)式（2）～（4）有：η=0.91%。

查取鋼管和25%濃度乙二醇水溶液的物性參數(shù)，β=0.0007，1/℃；α=0.0041，1/Pa；β0=12 ×10-6，1/℃；Ω=4.74×10-10，1/Pa。根據(jù)式（5）有：Δp=0.21 MPa。

考慮到乙二醇長期接觸空氣時會發(fā)生吸氧酸化反應(yīng)[7]，盡量避免乙二醇與空氣接觸。根據(jù)計算得到的最小定壓壓力和溫度變化引起的壓力變化值，系統(tǒng)的理論最低運行定壓壓力為0.07 MPa、理論最高運行定壓壓力為0.30 MPa。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中壓力最高點位于乙二醇泵出口處，其壓力為水泵揚程與定壓壓力之和。乙二醇泵揚程為24 m，結(jié)合理論計算的最高運行定壓壓力，此時系統(tǒng)中理論壓力最高點值pmax為0.54 MPa，此壓力未超過設(shè)計工作壓力0.60 MPa。

2.2 運行結(jié)果分析

為探究冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行壓力隨溫度的變化情況，需要保證乙二醇流量基本不變或在一定變化范圍內(nèi)。該綜合樓在過渡季節(jié)夜間和白天的空調(diào)負荷較為接近，選取3 月16 日的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行分析。

圖2 給出了乙二醇流量及流量偏差在一天24 h內(nèi)的變化情況?？梢钥闯?，全天內(nèi)乙二醇流量變化不大，流量最大值為1457 m3/h，最小值為1325 m3/h，平均值為1390 m3/h，流量偏差最大值為4.84%，偏差最小值為-4.66%，流量偏差值均不大于5%。因此，認為乙二醇流量變化范圍滿足探究系統(tǒng)運行壓力變化的要求。

圖2 系統(tǒng)乙二醇流量及偏差隨時間變化圖

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在0:00～7:40 蓄冰，在7:40～0:00融冰。結(jié)合圖3 和圖4 分析，在蓄冰和融冰切換時間點上，定壓點乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點壓力均急劇變化。在時刻0:00，由融冰切換至蓄冰后的第27 分鐘內(nèi)，乙二醇溫度由8.39 ℃迅速降低至-3.71 ℃，壓力則由0.33 MPa 迅速降低至0.07 MPa。在時刻7:40，由蓄冰切換至融冰后的第28 分鐘內(nèi)，乙二醇溫度由-5.19 ℃迅速升高至9.51 ℃，壓力則由0.07 MPa 迅速升高至0.36 MPa。而在蓄冰和融冰期間，定壓點乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點壓力均較為平穩(wěn)，幾乎沒有變化。

圖3 定壓點乙二醇溫度隨時間變化圖

圖4 系統(tǒng)定壓點壓力隨時間變化圖

可以發(fā)現(xiàn)，定壓點乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點壓力變化基調(diào)相似。建立定壓點乙二醇溫度和系統(tǒng)定壓點壓力的關(guān)系散點圖，并進行關(guān)系曲線擬合，如圖5 所示。結(jié)果顯示，定壓點乙二醇溫度和系統(tǒng)壓力并非線性關(guān)系，但存在系統(tǒng)定壓點壓力隨乙二醇溫度升高而增大、降低而減小的規(guī)律。

圖5 系統(tǒng)定壓點壓力與乙二醇溫度的關(guān)系圖

采用Boltzmann 方程進行關(guān)系曲線擬合可以得到較好的擬合方程：

由擬合方程可知，系統(tǒng)定壓點壓力與乙二醇溫度的關(guān)系是一條關(guān)于指數(shù)e 的曲線函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)運行的最低溫度-5.6 ℃、最高溫度10 ℃分別算得，系統(tǒng)定壓點最低運行壓力為0.07 MPa、系統(tǒng)定壓點最高運行壓力為0.36 MPa。

由擬合曲線算得的定壓點最低運行定壓壓力與理論值相同，但算得的系統(tǒng)定壓點最高運行壓力比理論值0.30 MPa 要大。為保障系統(tǒng)安全，取系統(tǒng)定壓點最高運行壓力為0.36 MPa，據(jù)此校核冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)最高壓力pmax為0.60 MPa，與設(shè)計工作壓力0.60 MPa相同，滿足使用要求。

為防止乙二醇與空氣過多接觸，乙二醇定壓裝置的設(shè)定參數(shù)應(yīng)避免反復對乙二醇補液、泄液。按啟停壓力間隔0.05 MPa 考慮，因此，乙二醇定壓裝置的補液泵開啟壓力設(shè)定為0.07 MPa、補液泵停止壓力設(shè)定為0.12 MPa，超壓泄壓開啟壓力設(shè)定為0.36 MPa、泄壓停止壓力設(shè)定為0.31 MPa。

3 總結(jié)

1）對于全年運行的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，管道內(nèi)乙二醇壓力具有隨蓄冰和融冰周期性變化膨脹的特點，變化周期為蓄冰與融冰時間之和。

2）在蓄冰和融冰切換時間點上，乙二醇溫度和系統(tǒng)壓力均急劇變化，溫度變化最大可達14.7 ℃，壓力變化最大可達0.29 MPa。而在蓄冰和融冰期間，乙二醇溫度和系統(tǒng)壓力則較為平穩(wěn)，幾乎沒有變化。

3）系統(tǒng)壓力和乙二醇溫度并非線性關(guān)系，是一條關(guān)于乙二醇溫度的指數(shù)e 的曲線函數(shù)，存在系統(tǒng)壓力隨乙二醇溫度升高而增大、降低而減小的規(guī)律。根據(jù)擬合曲線計算結(jié)果，乙二醇定壓裝置的補液泵開啟壓力設(shè)定為0.07 MPa、補液泵停止壓力設(shè)定為0.12 MPa，超壓泄壓開啟壓力設(shè)定為0.36 MPa、泄壓停止壓力設(shè)定為0.31 MPa。