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        北京地區(qū)地鐵車站風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)探究

        2022-08-23 12:01:58穆育紅
        城市軌道交通研究 2022年8期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置

        穆育紅

        (北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司, 100037, 北京∥高級工程師)

        地鐵車站冷卻塔是地鐵空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分,一般采用在地面設(shè)置或下沉式設(shè)置。風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔采用新型設(shè)置形式,節(jié)省占地、無需額外征地,對周邊景觀環(huán)境無影響,能有效解決冷卻塔景觀影響、噪聲擾民及衛(wèi)生等問題,尤其適用于景觀要求高、環(huán)境影響評價標準高及場地受限的情況。但采用風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔時,工程造價會有所增加。

        風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)是一種新型冷卻技術(shù)。本文以北京某新建線路的地鐵車站(以下稱為“A站”)為例,對風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的技術(shù)特點、布局要求、設(shè)計思路等進行論述,探討內(nèi)置式風(fēng)道冷卻塔的技術(shù)發(fā)展。

        1 冷卻塔的設(shè)置

        A站位于主城區(qū)繁華地段,其出入口與風(fēng)道分別設(shè)置于北京長話大樓和某寫字樓旁,并與開發(fā)地塊結(jié)合設(shè)置。由于場地有限,且項目對景觀要求較高,故A站選擇風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔方案。

        1.1 設(shè)計思路

        風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔設(shè)置在車站內(nèi)的新風(fēng)井與排風(fēng)井中間,主要采用新風(fēng)道補風(fēng)、排風(fēng)道排出冷卻塔濕熱氣流的方式,對冷卻塔進行通風(fēng)降溫。

        具體設(shè)計思路為:首先,分別在車站排風(fēng)道及新風(fēng)道相接處設(shè)置電動風(fēng)閥,并在新風(fēng)道及排風(fēng)道設(shè)置濕球溫度傳感器;當排風(fēng)道排風(fēng)濕球溫度<新風(fēng)道濕球溫度時,開啟排風(fēng)道側(cè)的電動風(fēng)閥,關(guān)閉新風(fēng)道側(cè)的電動風(fēng)閥,利用車站排風(fēng)對冷卻塔進行冷卻;當排風(fēng)道排風(fēng)濕球溫度≥新風(fēng)道濕球溫度時,關(guān)閉排風(fēng)道側(cè)電動風(fēng)閥,開啟新風(fēng)道側(cè)電動風(fēng)閥,利用室外新風(fēng)冷卻,從而實現(xiàn)風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的高效通風(fēng)換熱。

        1.2 冷卻塔的選型

        如果冷卻塔距地面很近,氣流組織順暢,且沒有特殊余壓要求,則風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔可選用側(cè)進側(cè)出橫流變頻冷卻塔(見圖1)。由于A站的冷卻塔設(shè)在車站地下四層,距地面排風(fēng)口約20 m,排風(fēng)阻力較大,需冷卻塔提供至少300 Pa以上的余壓,因此,對于A站而言,采用抗熱回流能力穩(wěn)定、受環(huán)境氣候影響小、熱力性能穩(wěn)定的鼓風(fēng)式逆流變頻冷卻塔更合適。冷卻塔通過風(fēng)水聯(lián)動系統(tǒng)的智能溫控功能,實現(xiàn)冷卻塔變頻控制,降低運行噪聲;其風(fēng)機啟停平緩,可延長電機壽命。冷卻塔配置的變流量噴頭可在30%~110%流量范圍內(nèi)均勻布水,以保證變頻運行的淋水與換熱效果。

        注:尺寸單位為mm; 標高單位為m。圖1 風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔(橫流塔)立面示意圖Fig.1 Elevation diagram of air duct built-in cooling tower (cross-flow tower)

        1.3 氣流組織

        橫流冷卻塔方案采用廠家定制的側(cè)進側(cè)出橫流冷卻塔,其進出風(fēng)與新排風(fēng)井方向一致,氣流組織更順暢,換熱效果更佳。

        在逆流冷卻塔方案中,由于北京地區(qū)氣候干燥易起塵土,地鐵排風(fēng)道內(nèi)積塵較多,故A站不考慮利用排風(fēng)道對冷卻塔進行通風(fēng)換熱,直接利用新風(fēng)道送風(fēng)、排風(fēng)井出風(fēng)換熱。為滿足出風(fēng)側(cè)的氣流順暢需求,冷卻塔的氣流組織采用有組織排風(fēng)、自然進風(fēng)方式。A站在車站兩端設(shè)備區(qū)靠近新風(fēng)井與排風(fēng)井處,利用地下風(fēng)道內(nèi)空間分別設(shè)置冷凍機房。其中1處為大端冷凍機房,1處為小端冷凍機房。冷卻塔靠近排風(fēng)井設(shè)置,并與冷凍機房相鄰,其頂部出風(fēng)口設(shè)置與排風(fēng)井相連的靜壓箱,以保證氣流順暢(見圖2)。在冷卻塔與新風(fēng)井相鄰的墻上設(shè)置新風(fēng)閥,可保證冷卻塔從新風(fēng)井自然進風(fēng)(見圖3)。

        1.4 冷卻塔與冷凍機房的布置

        根據(jù)A站的實際冷負荷需求,在小端冷凍機房中:冷卻泵水量Q小,1=175 m3/h;冷卻塔循環(huán)水量Q小,2=250 m3/h,所需排風(fēng)量為162 500 m3/h;新風(fēng)閥開洞尺寸為4 500 mm×3 200 mm;受土建條件限制,排風(fēng)閥開洞尺寸與新風(fēng)閥尺寸一致;冷卻塔處風(fēng)速達到3 m/s,滿足冷卻塔的排風(fēng)量需求。在大端冷凍機房(見圖3)中:冷卻泵水量Q大,1=260 m3/h,冷卻塔循環(huán)水量Q大,2=200×2(臺) m3/h,所需總排風(fēng)量為260 000 m3/h;新風(fēng)閥與排風(fēng)閥開洞尺寸均為5 200 mm×3 200 mm;冷卻塔處風(fēng)速約為4 m/s,滿足風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的排風(fēng)量與換熱要求。

        尺寸單位:mm圖2 風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔(逆流塔)氣流組織示意圖Fig.2 Air distribution diagram of air duct built-incooling tower (counter current tower)

        2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計要點

        2.1 A站冷卻系統(tǒng)的特點及隱患

        由設(shè)置在地面或屋面的冷卻塔組成的冷卻系統(tǒng)中,冷卻塔設(shè)置在冷卻系統(tǒng)最高點,高于冷水機組冷凝器;管路長,水容量大;冷卻塔至冷卻泵的吸水管路有足夠高差。

        注:管徑單位為mm;尺寸單位為mm;標高單位為m。

        而在A站的冷卻系統(tǒng)中,冷卻塔與冷凍機房同層布置,幾乎沒有高差,不能形成自灌;冷卻塔水盤幾乎與冷水機組冷凝器等高,且二者水平距離太遠,極易使冷卻泵吸水管路空氣混入水中、進入水泵并壓入管道中,產(chǎn)生水錘;冷卻塔緊鄰排風(fēng)井、冷卻泵及冷凍機房布置,冷卻水供回水管路總長度僅60 m左右,水容量相對較小(見圖4),不能接納停泵時涌入的水,易產(chǎn)生水盤溢流,且再次啟泵時因吸水量不足,易吸入空氣造成水錘。因此,應(yīng)針對A站冷卻系統(tǒng)存在的隱患,預(yù)測運行時可能發(fā)生的各種問題,進而采取針對性措施,完善設(shè)計細節(jié)。

        注:i為坡度;管徑單位為mm;標高單位為m。圖4 風(fēng)道內(nèi)置冷卻塔冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.4 Cooling system diagram of air duct built-in cooling tower

        2.2 細節(jié)設(shè)計要點

        為保證冷卻塔充足的進風(fēng)量與換熱效果,冷卻塔進風(fēng)面距墻凈距應(yīng)不小于冷卻塔進風(fēng)高度。由于冷卻塔出水要依靠重力流入冷卻泵,且冷卻泵要與冷卻塔相近設(shè)置,故冷卻塔出水管須沿坡度≥5%的縱坡一路坡向冷卻泵,不能出現(xiàn)局部高點或低點;距冷卻泵吸水口處要設(shè)置管長L≥5D(D為冷卻管道直徑)的直管段;冷卻塔位置應(yīng)滿足冷卻水泵凈吸入揚程及必需氣蝕余量的要求(見圖5)。

        根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)措施》,有:

        圖5 冷卻水泵吸入口的凈吸入揚程、汽蝕余量計算簡圖Fig.5 Calculation diagram of net suction lift and NPSH atsuction port of cooling water pumpH=hSV-[ha-hav-Σhab-Δh]

        (1)

        式中:

        H——冷卻塔水盤水面至冷卻水泵吸入口的高差;

        hSV——大于水泵樣本提供的必需氣蝕余量(A

        站的小端冷凍機房冷卻泵hSV=5.827 m,大端冷凍機房冷卻泵hSV=7.753 m);

        ha——大氣壓力,取10 m;

        hav——冷卻水溫度下的汽化壓力,取0.65 mm;

        Σhab——冷卻塔出口至冷卻水泵吸入口的總水頭損失(A站的小端冷凍機房Σhab=1.597 m,大端冷凍機房Σhab=1.459 m);

        Δh——氣蝕余量富余值,取0.4~0.6 m。

        將各變量取值代入式(1)可知,技術(shù)措施的要求為H≥hSV-(8.95 m-Σhab)。根據(jù)A站實際情況計算可得,小端冷凍機房H=0.40 m,大端冷凍機房H=0.35 m,滿足《建筑給水排水設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)措施》要求。

        當冷卻循環(huán)供水管接入并聯(lián)工作的2座冷卻塔時,進水管應(yīng)采用同程布置來保證兩塔間的管道阻力平衡,防止水量分配不均勻,造成冷塔水盤溢流。為避免由于壓力與水量不均帶來冷卻塔溢流問題,2座冷卻塔水盤間需設(shè)置連通管,且出水干管應(yīng)采用比進水干管大兩號的集合管路。

        由于冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)水容量小,冷卻泵吸水管路壓差低,冷卻塔水盤的容積不足以容納冷卻泵停止時流入的水量,故極易引起溢流。當再次啟泵時,由于冷卻塔水盤水量不足,會吸入空氣造成水錘,嚴重時會引起設(shè)備移位、閥門損壞。因此,須加深冷卻塔水盤深度(即加大水盤容積),降低冷卻泵吸水口高度,加大吸水干管管徑,以降低流速,保證冷卻泵啟泵時不吸入空氣。

        采用風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔時,由于冷卻供回水管線路徑短,水容量小,若采取上述措施仍無法滿足冷卻泵吸水量要求,則宜在冷卻塔旁設(shè)置1座與冷卻塔水盤連通的平衡水箱,用于補充冷卻塔水盤容積,為冷卻泵啟泵時提供補充水量,或在停機時為水盤溢流預(yù)留儲存空間(見圖4)。

        風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔與冷水機組的冷凝器無高差,故停泵后管道內(nèi)冷卻水極易落入塔中造成管網(wǎng)中真空,進而產(chǎn)生虹吸,將冷卻管網(wǎng)中的水吸上而流入冷卻塔,引起冷卻塔水盤溢水。因此,應(yīng)在冷卻水干管頂端設(shè)置真空破壞器。這樣,即使冷卻泵停止工作,也不會產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象。此外,還應(yīng)在平衡水箱內(nèi)的連通管上設(shè)置底閥。2座冷卻塔進出口均應(yīng)設(shè)電動蝶閥,由風(fēng)水聯(lián)動系統(tǒng)控制,可在停機時同時關(guān)斷。

        3 結(jié)語

        風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔無需占用地鐵車站的室外場地空間,突破了常規(guī)冷卻塔只能在室外設(shè)置的限制條件,保留了傳統(tǒng)高效的冷卻系統(tǒng),完美解決了城市繁華地帶地鐵車站室外冷卻塔占地大、景觀差、噪聲大等問題,是空調(diào)冷卻系統(tǒng)的一次技術(shù)突破。

        本文根據(jù)風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔的特點,梳理了設(shè)計要點。隨著風(fēng)道內(nèi)置式冷卻塔技術(shù)在運營實踐中的不斷調(diào)整優(yōu)化,該技術(shù)將會更加成熟與完善。

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