工業設備冷卻循環水系統改造的技術分析

王中本 符亞麗 陳春濤(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000)

0 引言

目前我國工業處于高速發展的階段，大多數的工業設備自身會產生大量的熱量，為了保證設備的安全高效運行，必須采取一定的措施為設備進行冷卻[1]。下面以洛陽某單位工業設備冷卻循環水的改造為例，探討一類工業設備冷卻循環水技術方案的可行性，同時對改造后的冷卻循環水方案進行技術分析和總結。

1 項目概述

洛陽某單位原有的用冷工業設備在項目建設之初有配套的冷卻水循環系統，但其不能滿足所有用冷設備的工藝需求，主要存在以下四個方面的問題。

(1)冷源問題。原有的冷卻水系統的冷源來自于冷凍站溴化鋰制冷機組產生的7℃冷水，通過板式換熱器對軟化水進行冷卻，來滿足設備的用冷需要。但是冷凍站溴化鋰制冷機組只在夏天開啟，冬季檢修；若在冬季強行開啟不但會造成了能源浪費，而且會造成管道結冰現象，大大縮短了溴化鋰制冷機組的使用壽命。

(2)換熱量不夠。冷卻水系統板式換熱器的換熱量在90kW左右，遠遠低于所有用冷設備開啟時大約所需的166kW，無法滿足所有設備的用冷需求。

(3)軟化水的流量不足。原冷卻水的供水能力僅有8m3/h(包括備用水泵)，遠低于用冷設備所需要的的18.18m3/h，無法滿足所有用冷設備的用冷需求。

(4)高低壓未分區。所有用冷設備所要求的進水壓力是不一樣的，從0.2～0.8MPa都有，而原系統提供的最大壓力為0.55MPa，并且將所有的用冷設備混在一起，共用一根進水管和一根回水管，這種情況勢必不能滿足所有用冷設備的用冷需求。

2 改造方案

2.1 設備選型

根據所有用冷設備和預留設備的用冷需求(見表1)，對制冷機組和水泵進行選型。

表1 設備選型

根據上述總冷量為：Q=C×ΔT×G/3.6[2](C取4.19kJ/kg·℃)

G單位按t/h：G=40+38+20+45+20+20+40+40=238L/min

=238×1000/60=14.28m3/h

Q=C×ΔT×G/3.6(C 取4.19kJ/kg·℃)=4.19×10×14.28/3.6

=166kW

考慮到使用系數和預留因素，風冷冷水機組采用4臺CXAH/0245C型機組，單臺制冷量6kW，總冷量240kW。

由于工藝設備對入口壓力的要求不同，因此，換熱機組由兩個不同供水壓力的換熱機組構成，2臺(一用一備)供水壓力滿足0.5～0.8MPa(高區)的入口水壓的要求，2臺(一用一備)滿足0.2～0.3MPa(低區)入口水壓的要求。備用點及五樓用水點歸入高區。

高區：

總流量Q=40+38+20+40+40=178L/m

=178×1000/60=10.68m3/h

低區：

總流量Q=20+45+20+40=125L/m

=125×1000/60=7.5m3/h

根據以上內容及預留因素可知水泵的選型：

高區Q=16m3/h H=94m

低區Q=12m3/h H=60m

2.2 工藝要求

機組要四季運行。因此機組載冷劑選用質量濃度為25%的乙二醇溶液。機組需安裝在30cm混凝土基座上，保持水平的平面上即可。并考慮排水，通風和維修，維護空間等問題。機組水系統的水流量必須使流經主機水側換熱器的水流量與機組的制冷量相匹配。否則容易出現熱交換變差，影響制冷效果甚至故障報警停機。機組的管道必須有獨立的支撐而不應該支承在機組上。為了避免損壞機組，不可將系統用水配管裝反，機組進水管必須連接到標示為“進水口”的進水接頭，出水管必須連接到標示為“出水口”的出水接頭。機組的進出水管的連接必須有防振軟管連接，避免噪音遠距離傳遞，外置水泵的進出水管處也必須安裝有防振軟管，且水泵出水水流方向需流向主機。在機組進水管路50cm內必須安裝Y型水過濾器，防止管道內的雜質堵塞換熱器從而造成機組故障，過濾器的過速網孔數40目。

在機組水系統總出水管路和總回水管路的最高處應設置自動排氣閥，以便排出一次側系統中的空氣，保證機組水容量符合機組要求，也可免產生氣穴噪聲以及對水泵造成損傷。一次側的壓力不得超過05MPa(即最高工作壓力)，以免損壞機組的零部件。一次側管路的最低點安裝排水閥和排水管路，以便維修方便。所有管道及閥門均采用不銹鋼304材質。安裝驗收標椎嚴格執行GB 50184—2011《工業金屬管道施工質量及驗收規范》和GB 50236—2011《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》。冷軟水循環為開放式系統，系統所需的冷軟水來自給排水專業的軟化水管。系統的管道及閥門均需保溫，保溫材料采用閉孔橡膠。工藝冷水回水回至水箱之前，在每根回水管上加電動閥，當換熱機組水泵停止運行時，電動閥關閉，水泵開始運行時，電動閥打開。對五樓預留工藝設備的供冷，在換熱機組1上再增加一套56kW換熱量板及兩臺循環水泵。二次側的供水總管上設不銹鋼過濾器，過濾目數120目，能過濾掉0.125mm的固體顆粒。

2.3 供冷系統

供冷系統如圖1所示。

圖1 供冷系統

2.3.1 供冷系統工藝說明

該風冷機組采用一一對應的外置泵。風冷機組作為供冷系統的冷源。將風冷制冷機組封閉循環系統定為一次側系統，將冷卻水開放循環系統定為二次側系統。用冷設備的工藝所要求二次側冷卻水的溫度要根據不同的氣溫在15～25℃之間可以任意調節。該系統通過一次側風冷機組的溫度參數設定，保證一次側制冷劑較低的溫度，并通過板換對二次側冷卻循環水進行熱交換，最終使冷卻水的出水溫度可以滿足用冷設備所需的要求。

從所有用冷設備的參數表中可知，MBE系統要求其進水壓力為0.2～0.3MPa，出水壓力為0，因此該設備接在低壓冷卻水循環系統上，并單獨為該系統敷設回水管路。由于該系統的用冷設備屬于精密設備，對進水壓力有嚴格要求，為此為了防止變頻器出現故障后，循環泵由變頻轉為工頻導致的壓力猛增至循環用冷設備，二次側高低壓系統上均設計有壓力平衡調節裝置，該裝置起到二次保險的作用。為了保證系統運行的可靠性，該系統所有的設備均考慮有備用。二次側冷卻循環水的水箱采用304不銹鋼保溫水箱，容積為6m3。

2.3.2 控制原理

制冷機內壓縮機啟停由機組自帶溫度傳感器控制，制冷機電源與一次側循環泵啟停進行連鎖控制。換熱機組一次側設置電動三通閥控制，三通閥與二次側溫度傳感器連鎖控制冷軟水水溫。換熱機組二次側循環水泵定壓變頻運行，循環水泵手動啟停。補水控制：換熱機組2自帶乙二醇配液箱，為換熱機組1和換熱機組2的一次側補水，乙二醇溶液需人工配置，同時與水箱液位安全連鎖。一次側管道乙二醇溶液壓力采用電節點表控制，系統壓力低于0.2MPa時，補水泵啟動，高于0.4MPa時停止。壓力啟動電動閥采用電節點表控制，低壓系統啟動壓力0.7MPa，高壓系統啟動壓力1.1MPa。現場設置控制柜一臺，同時監控室設置工控上位機一臺，為保證設備啟停安全，整個控制系統必須是就地控制，遠程監視的控制原則，系統具有手動自動兩種功能，能夠做到無人值守。

現場控制柜采用西門子觸摸屏+西門子PLC控制器方式進行控制，觸摸屏為中文顯示，可實時顯示壓力等參數，現場控制柜內所有參數通過RS-485總線上傳至監控室上位機，上位機采用研華工控機。監控室上位機用組態王軟件編寫組態，要求監控室上位機組態畫面和現場觸摸屏組態畫面完全一致。

3 結語

該冷卻循環水系統供水采用高低壓分區、變頻恒壓供水，考慮到壓力的沿程損失，高區維持在0.9MPa，低區維持在0.5MPa，經一年多的運行結果來看，冷卻循環水的溫度通過風冷機組參數的設定，可以始終保持在20℃左右(考慮到為了避免溫度過低導致管道外壁凝結水過多設定為20℃)，滿足了所有用冷設備的用冷工藝需求，改造后大大提高了該系統的穩定性和可靠性。通過實踐證明，該冷卻循環水方案可以在類似工業設備中推廣應用。