史淼

中國中原對外工程有限公司

同一堆型核電項(xiàng)目常規(guī)島電氣用房的空調(diào)冷源及其配套系統(tǒng)都保持著同一的形式，然而隨著規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新以及項(xiàng)目客觀條件的差異，空調(diào)冷源及其配套系統(tǒng)如仍保持同一形式不變，將會產(chǎn)生相應(yīng)的系統(tǒng)問題，故需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。本文以實(shí)際工程案為例，對卡拉奇K-2/K-3 核電項(xiàng)目常規(guī)島電氣用房空調(diào)冷源及其相關(guān)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，探討如何優(yōu)化常規(guī)島空調(diào)冷源及其相關(guān)系統(tǒng)，以達(dá)到合理的效果。

1 工程概況

K-2/K-3 核電項(xiàng)目廠址位于巴基斯坦卡拉奇市西部，靠近阿拉伯海北岸的卡拉奇天堂角附近，距卡拉奇市中心24.8 公里，位于現(xiàn)有核電廠（KANNUPP-1）西北方向約1.2 公里。巴基斯坦卡拉奇K-2/K-3 核電項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)容量為2×1100 MW 級，建設(shè)兩臺三代百萬千瓦級壓水堆核電機(jī)組。

2 冷源系統(tǒng)配置方案

常規(guī)島電氣用房冷源采用螺桿式冷水機(jī)組加冷卻塔，服務(wù)范圍包括低壓配電間、熱控電子設(shè)備間、繼電室、直流屏室等，總冷負(fù)荷372 kW。

常規(guī)島制冷機(jī)房供水溫度7 ℃，回水溫度為12 ℃，空調(diào)水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化由設(shè)置在各空調(diào)機(jī)組的兩通電動調(diào)節(jié)閥及常規(guī)島制冷站供回水總管間的壓差旁通電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，確保冷凍水系統(tǒng)供、回水總流量不變。冷源部分系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 冷源部分系統(tǒng)原理圖

冷源主要設(shè)備包括：

1）安裝在常規(guī)島制冷機(jī)房的2 臺容量為100%水冷螺桿式冷水機(jī)組。冷水機(jī)組容量為428.4 kW，功率88.2 kW。

2）安裝在電氣用房屋面的2 臺容量為100%冷卻塔，冷卻塔流量為125 t/h，冷卻供水溫度為32 ℃，回水溫度為37 ℃。冷卻塔為開式逆流冷卻塔。

3）安裝在常規(guī)島制冷機(jī)房的2 臺容量為100%冷凍水泵，水泵流量為80 t/h，揚(yáng)程19.4 m。

4）安裝在常規(guī)島制冷機(jī)房的2 臺容量為100%冷卻水泵，水泵流量為125 t/h，揚(yáng)程18.4 m。

3 冷源優(yōu)化

3.1 冷水機(jī)組選型偏大

冷水機(jī)組容量為428.4 kW，設(shè)計(jì)選型偏大（大于設(shè)計(jì)冷負(fù)荷372 kW 的1.1 倍），不滿足規(guī)范《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.1 條款要求“電動壓縮式冷水機(jī)組的總裝機(jī)容量應(yīng)根據(jù)計(jì)算的冷源負(fù)荷確定，不應(yīng)另做附加。在設(shè)計(jì)條件下，當(dāng)機(jī)組的規(guī)格不能負(fù)荷設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的要求時，所選擇機(jī)組的總裝機(jī)容量與計(jì)算冷負(fù)荷的比值不應(yīng)超過1.1”[1]。

優(yōu)化措施：重新選擇冷水機(jī)組，冷水機(jī)組容量范圍在380～400 kW。

3.2 冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)偏低（COP）

《發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.2.5條款“冷水機(jī)組及單元式空調(diào)機(jī)組的性能參數(shù)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189 的相關(guān)規(guī)定。選擇電動壓縮式機(jī)組時，其制冷劑的選擇應(yīng)滿足國家現(xiàn)行環(huán)保政策?！盵2]故常規(guī)島電氣廠房冷水機(jī)組制冷性能系數(shù)（COP）應(yīng)按照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第4.2.10 條款要求“采用電機(jī)驅(qū)動的蒸汽壓縮循環(huán)冷水機(jī)組時，其名義制冷工況和規(guī)定條件下的性能系數(shù)（COP）應(yīng)符合下列的規(guī)定：水冷式定頻機(jī)組及風(fēng)冷或蒸發(fā)冷卻機(jī)組的性能系數(shù)（COP）不應(yīng)低于表1 的數(shù)值”。

表1 名義制冷工況和規(guī)定條件下冷水（熱泵）機(jī)組的性能系數(shù)（COP）

本工程屬于夏熱冬暖地區(qū)，冷水機(jī)組為螺桿式，制冷量為428.4 kW，故對應(yīng)圖1 中的性能系數(shù)（COP）為4.90。由于實(shí)際選型的冷水機(jī)組的制冷量為428.4 kW，額定功率為88.2 kW，則其能效系數(shù)為4.857，低于規(guī)范要求的4.90 標(biāo)準(zhǔn)。

優(yōu)化措施：重新選擇冷水機(jī)組，要求其能效系數(shù)（COP）高于4.90。

3.3 冷凍水泵耗電輸冷比偏低

《發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.2.10 條款“空調(diào)冷熱水系統(tǒng)循環(huán)水泵的輸送能效比應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189 的相關(guān)規(guī)定?！倍鴮?yīng)的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第4.3.9 條款內(nèi)容為“在選配空調(diào)冷（熱）水系統(tǒng)的循環(huán)水泵時，應(yīng)計(jì)算空調(diào)冷（熱）水系統(tǒng)耗電輸冷（熱）比[EC(H)R-a]，并應(yīng)標(biāo)注在施工圖的設(shè)計(jì)說明中”，故常規(guī)島冷源系統(tǒng)的冷凍水泵需要進(jìn)行耗電輸冷比節(jié)能計(jì)算。

空調(diào)冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的計(jì)算：

式中：ECR-a 為空調(diào)冷水系統(tǒng)耗電輸冷比；G 為每臺運(yùn)行水泵設(shè)計(jì)流量，m3/h，本工程為80 m3/h；H 為每臺運(yùn)行水泵對應(yīng)的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，mH2O，本工程為19.4m；ηb為每臺運(yùn)行水泵對應(yīng)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)效率，本工程為66%（未達(dá)到《離心泵效率》國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求）；Q 為設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，kW，本工程取372kW；ΔT 為規(guī)定的計(jì)算供回水溫差，℃，本工程為5 ℃；A 為與水泵相關(guān)的計(jì)算系數(shù)，本工程取0. 003858；B 為與機(jī)房及用戶的水阻力有關(guān)的計(jì)算系數(shù)，本工程按一級泵冷水系統(tǒng)取值為28；α 為與∑L 有關(guān)的計(jì)算系數(shù)，本工程計(jì)算后為0.020；∑L 為從冷熱機(jī)房出口至該系統(tǒng)最遠(yuǎn)用戶供回水管道的總輸送長度，本工程約為420 m。

經(jīng)計(jì)算，空調(diào)冷水系統(tǒng)耗電輸冷比式左ECR-a 為0.020 小于式右0.028，計(jì)算結(jié)果雖然達(dá)到了《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 第4.3.9 條款的節(jié)能要求，但耗電輸冷比與其節(jié)能限值過于接近，需要進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化措施：依據(jù)本工程的制冷負(fù)荷372 kW，對制冷機(jī)組、冷凍水泵選型進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。依據(jù)優(yōu)化措施冷水機(jī)組重新選型的容量為400 kW，對應(yīng)的冷凍水泵流量G 為68.6 m3/h，冷凍水泵揚(yáng)程H 為19.4 m（維持原系統(tǒng)保持不變）。ηb的效率取值依據(jù)《離心泵效率》第4.2.a)條款“單級單吸離心水泵流量為5 m3/h～10000 m3/h 時，不低于表（單級離心泵效率）中數(shù)值”。故ηb取值為76.4%。

優(yōu)化后空調(diào)冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的計(jì)算：

根據(jù)式（1）計(jì)算，空調(diào)冷水系統(tǒng)耗電輸冷比式左ECR-a 為0.014 遠(yuǎn)小于式右的0.028，計(jì)算結(jié)果更加滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189-2015 第4.3.9 條款節(jié)能要求。優(yōu)化前后冷凍水泵參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化前后冷凍水泵參數(shù)表

3.4 冷卻塔、冷卻水泵的設(shè)計(jì)選型不合理

本工程單臺冷卻塔、冷卻水泵容量為125 t/h，而依據(jù)冷水機(jī)組選型428.4 kW，冷卻塔、冷卻水泵的容量計(jì)算為95.4 t/h，故冷卻塔、冷卻水泵的設(shè)計(jì)容量偏大且不合理。

優(yōu)化措施：優(yōu)化后冷水機(jī)組重新選型的容量為400 kW，對應(yīng)的冷卻塔、冷卻水泵的流量僅為89.1 t/h，相比本工程冷卻塔、冷卻水泵設(shè)計(jì)容量125 t/h 明顯的降低。

冷卻水量計(jì)算方法如下：

式中：G 為冷卻水量，t/h；Q0為風(fēng)冷冷水機(jī)組冷負(fù)荷，優(yōu)化后取400 kW；k 為風(fēng)冷冷水機(jī)組制冷時耗功的熱量系數(shù)取1.3；c 為水的比熱容kJ/(kg·℃)，本工程取4.2；tW1為冷卻回水溫度為37 ℃；tW2為冷卻供水溫度為32 ℃。

優(yōu)化前后冷卻塔、冷卻水泵參數(shù)見表3、表4。

表3 優(yōu)化前后冷卻塔參數(shù)表

表4 優(yōu)化前后冷卻水泵參數(shù)表

3.5 探討冷源形式水冷式變更為風(fēng)冷式的可行性

上述探討了冷源形式采用水冷式冷水機(jī)組存在的設(shè)計(jì)問題，但如將冷源形式由水冷式變更為風(fēng)冷式是否會對冷源系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。對此，筆者從如下幾個方面進(jìn)行分析：

1）規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

《發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第10.2.3.4 條款“核電廠常規(guī)島空調(diào)冷源宜采用電動壓縮式制冷機(jī)組供冷”。基于此條內(nèi)容，規(guī)范要求了核電廠常規(guī)島的空調(diào)冷源采用電動壓縮式制冷機(jī)組，而并未明確其采用水冷或風(fēng)冷形式，故風(fēng)冷形式是《發(fā)電廠供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》允許的。

2）風(fēng)冷式冷源對比水冷式冷源的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①風(fēng)冷式冷源節(jié)省建筑空間。由于風(fēng)冷式冷水機(jī)組布置在室外，可節(jié)省相應(yīng)的建筑空間。本項(xiàng)目的制冷機(jī)房尺寸為140 m2，如采用風(fēng)冷式冷源，機(jī)房內(nèi)僅需設(shè)置定壓設(shè)備、冷凍水泵等設(shè)備，房間面積僅需60 m2。②風(fēng)冷式冷源采用空氣冷卻，不需要設(shè)置冷卻塔、冷卻水泵、電子水處理儀等設(shè)備，故風(fēng)冷冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡潔，控制更加簡單，設(shè)備運(yùn)行可靠性高。③風(fēng)冷式冷源不配置冷卻塔、冷卻水泵，故風(fēng)冷式冷源比水冷冷水機(jī)組更節(jié)省水資源，維護(hù)保養(yǎng)經(jīng)濟(jì)、簡單。

缺點(diǎn)：①風(fēng)冷冷水機(jī)組比水冷冷水機(jī)組一次性投資要稍高。②風(fēng)冷冷水機(jī)組的能效系數(shù)低于水冷式冷水機(jī)組。③風(fēng)冷冷水機(jī)組的噪音和體積較水冷冷水機(jī)組的大。④風(fēng)冷式冷源全年運(yùn)轉(zhuǎn)電費(fèi)略高于水冷式冷水機(jī)組。⑤水冷冷水機(jī)組的使用壽命為比風(fēng)冷冷水機(jī)組的使用壽命長。

3）耗能

考慮將現(xiàn)狀水冷冷源、優(yōu)化后水冷冷源、風(fēng)冷冷源三種狀況下的耗電、耗水量進(jìn)行對比。耗電量見表5，耗水量見表6。

表5 耗電量

表6 耗水量

將冷源形式由水冷式變更為風(fēng)冷式從上述方案論證結(jié)果判斷可行。本工程如采用風(fēng)冷冷源理論上可年節(jié)省用水量21900 t，降低機(jī)房占地空間，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、簡化系統(tǒng)管理，但由于風(fēng)冷冷源的低換熱能效系數(shù)需要明年多消耗電能174108 kWh。

4 結(jié)論

本文結(jié)合卡拉奇K-2/K-3 核電項(xiàng)目常規(guī)島電氣用房空調(diào)冷源及其配套系統(tǒng)存在的設(shè)備選型、能效要求、節(jié)能、節(jié)水等問題，分析總結(jié)了對應(yīng)改進(jìn)措施。設(shè)計(jì)者需要以相應(yīng)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，對系統(tǒng)設(shè)備的選型進(jìn)行約束、優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)重視設(shè)計(jì)過程中設(shè)備選型過大、冷水機(jī)組的能效系數(shù)偏低、冷凍和冷卻水泵的額定效率超標(biāo)等經(jīng)常忽略的問題。