某實驗樓低溫冷卻水系統改造設計

熊朝軍, 李萌穎

(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司綿陽分公司， 四川綿陽 621000)

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某實驗樓低溫冷卻水系統改造設計

熊朝軍, 李萌穎

(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司綿陽分公司， 四川綿陽 621000)

【摘要】文章介紹了某實驗樓的循環冷卻水系統改造設計。根據對之前運行方式所出現的問題進行分析，同時結合實際情況，最終確定采用低溫冷卻水系統，采用風冷冷水機組加保冷水箱的方式制備，設冷卻水泵進行機械循環。其設計思路可供相關工程參考。

【關鍵詞】實驗樓;低溫冷卻水系統;風冷冷水機組

1工程概況

本項目為某電子研究所的4層實驗樓，需要冷卻水進行降溫的實驗設備均位于一層。設備入口水壓要求不小于0.50MPa，設備出口壓力不一(分為有壓回水和重力回水兩種)，要求水質為純水，電導率不大于10μs/cm。

原有的循環冷卻水系統由冷卻塔加冷卻水泵來滿足水量及水壓，但在運行過程中出現了一系列問題，因此需要進行改造。所出問題有：

(1)長期運行之后，管道經常堵塞，導致設備入水口處水壓低、流量小，無法滿足實驗設備的制冷量要求。

(2)部分設備由于出水口壓力小于0.10MPa，回水無法并入冷卻水回水管網(若不及時排走，熱量會聚集，實驗設備無法正常工作)，回水只能排至排水管網，造成極大的浪費。

(3)新增設備較多，且要求較低的冷卻水溫度(要求冷卻水的供水溫度范圍為20℃～25℃，回水溫度約為30℃～35℃)，冷卻塔出水(約為常溫)無法滿足要求，導致設備不停報警，無法工作。

以上問題會造成部分設備停止運行，對實驗影響很大，甚至實驗無法進行。不但浪費人力物力，而且會拖慢實驗進度，這一損失是無法估量的。

考慮到以上出現的問題以及現在的設備情況，暫定以下兩種解決方案。

方案一：增加一套低溫冷卻水系統，保留原有的常溫冷卻水系統。

方案二：全部改為低溫冷卻水系統。

若采用方案一，不但管網復雜，且仍需對常溫冷卻水系統進行改造，來保證水質。

經原有設備廠家確認，降低設備冷卻水入口溫度對設備無影響。因此，本次設計采用方案二，使用低溫循環冷卻水系統對所有設備進行冷卻降溫，不再使用冷卻塔。

由于項目所在園區已建有純水管網(水質滿足本建筑實驗設備的使用要求)，并能夠提供本項目所需純水量，本次設計直接取用，不再另行制備純水。

2低溫冷卻水系統

2.1低溫冷卻水水量計算

按20℃的冷卻水供水溫度，30℃的冷卻水回水溫度對設備所需制冷量進行換算。設備所需的總制冷量為210kW，按照式(1)計算低溫冷卻水供水量。

(1)

式中：q為低溫冷卻水供水量(L/h)；

Q為設備所需制冷量(kJ/h)，經過換算，Q=756 000kJ/h；

C為水的熱容，C=4.187kJ/(kg·K)；

tr為低溫冷卻水供水溫度，tr=20℃；

tl為低溫冷卻水回水溫度，tl=30℃；

經計算，q=18 055L/h=18m3/h。

2.2低溫冷卻水的制備

經過分析和比較后，確定采用風冷冷水機組加開式保冷水箱的方式制備和儲存低溫冷卻水。冷卻水回水進保冷水箱與冷水機組出水相混合，混合至20℃后供給實驗設備使用，因此冷水機組設計回水溫度按20℃計算，考慮5℃的溫差，冷水機組出水溫度按15℃計算。

根據冷卻水與冷凍水制冷量相等的原則，利用式(1)計算冷凍水供水量為36m3/h(忽略損耗)。

保冷水箱尺寸為4.0m×2.8m×2.0m，設計水深為1.7m。為了使冷凍水出水與冷卻水回水在保冷水箱中充分混合，采取以下兩種措施：

(1)冷凍水出水與冷卻水回水從水箱一端進入，冷凍水回水與冷卻水供水從水箱另一端流出。

(2)根據水箱長度，在水箱中設置三根薄壁肋，詳見圖1，以使兩路水進行較為充分的混合。

圖1　保冷水箱布置

2.3低溫冷卻水系統配水管網

本項目實驗設備出水分為兩類：一類為有壓回水，回水壓力0.40～0.45MPa，水量大約為14m3；另一類為重力回水，回水壓力小于0.10MPa，水量約為4m3。

在本建筑的北側有一既有單層建筑，與本建筑距離不大于5m，長14.8m，寬6m，高4.65m。帶局部地下室，地下室范圍長5.5m，寬6m。經與業主溝通協調，這一既有建筑可改造為本項目的水泵房。

結合現有水泵房的實際情況，本項目末端配水管網分為兩部分，有壓回水直接回至保冷水箱(位于水泵房地面)，重力回水回至地下中轉水箱(位于水泵房地下室部分)，再由中轉水泵提升送至保冷水箱，風冷冷水機組置于水泵房東側的室外地面，具體設備布置詳見圖2。

圖2　水泵房設備平面布置

2.4材質及保溫

為保證低溫冷卻水的水質，本次設計所有供回水管道、水箱、水泵、閥門閥件均采用304不銹鋼材質，并在冷卻水循環泵后設置不銹鋼全程水處理器。

所有循環水管道均采用難燃B1級橡塑NBR/PVC發泡管進行保溫，室外管道保溫層厚度為50mm，室內管道保溫層厚度為20mm。發泡管外側設PAP鋁箔保護殼。中轉水箱及保冷水箱外設60mm厚橡塑海綿夾層進行保溫。

2.5系統控制

系統原理圖詳見圖3。

圖3　低溫冷卻水系統原理

冷凍水系統的啟動順序為：電動閥開啟(輪換機組進水方向電動閥關閉)→冷凍水泵啟動→冷水機組啟動。

冷凍水系統停機順序為：冷水機組停機→冷凍水泵停機→冷水機組電動閥關閉。

不銹鋼保冷水箱補水由水箱內設置的液位感應裝置測得液位數據，經控制中心分析后，控制電磁閥進行補水動作。

由于實驗設備要求的循環冷卻水供水溫度范圍在20℃～25℃之間，為了使冷水機組運行期間更加節能，在冷卻水供水管上(位于冷卻水泵后)設置溫度探測器，根據測得的數據對電動三通調節閥進行啟閉控制。當測得溫度低于21℃時，電動三通調節閥旁通側全開，水箱側全關，冷水機組進水方向電動閥全關；當溫度上升至21℃時，電動三通調節閥旁通側開始關閉，水箱側開始開啟，冷水機組進水方向電動閥開啟，冷水機組進入低負荷運轉狀態；當溫度上升至24℃時，電動三通調節閥旁通側完全關閉，水箱側完全開啟，冷水機組進水方向電動閥開啟，冷水機組進入全負荷運轉狀態。

冷水機組為兩臺，互為備用。系統運轉時，位于冷水機組進水方向上的電動閥配合冷水機組輪換開啟；系統停止時，電動閥全部關閉，冷水機組停機。

3結束語

經設計后期回訪，截至目前，本系統運轉基本正常，使用方提出目前循環水電導率指標略高于設計指標。經分析排查，主要原因為采購水泵和閥門等設備時未按照設計要求全部采用304不銹鋼材質。

建議：應高度重視設備采購環節，嚴格控制設備質量以達到設計要求，從而保證系統長期運轉后仍能維持原設計指標。

本文結合項目的實際情況以及之前運行時出現的問題，對循環冷卻水系統提出了改造方案，并詳細介紹了低溫冷卻水系統的設計要點，對今后設計人員在低溫冷卻水系統的設計上有較好的借鑒作用。

[作者簡介]熊朝軍(1981～)，男，本科，工程師，從事給排水設計工作。

【中圖分類號】TU821.6

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-01-28