某分布式能源站冷凍水系統管道喘振問題分析

朱良君，鄭宏偉，李國敏，劉心喜

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

隨著我國城市化發展進程的加快，人民生活水平進一步提高，與之匹配的生活、交通、公共設施需求日益增加。對能源供應也提出了新的要求，在滿足用戶穩定用能的同時，還需考慮能源供應商的經濟性。區域綜合供能模式在新的能源發展背景下應運而生，集中供熱、供冷、供氣等集中供能手段也越來越重要。尤其是廣州、深圳等南方城市，年平均氣溫為21℃左右，平均氣溫偏高，3～11月中旬均需采用空調制冷，制冷空調年利用小時數較高，冷負荷需求較大。在相對較繁華的商業中心，辦公樓，酒店等區域內建設綜合能源供應站，實現綜合供熱與供冷，將各類建筑物的冷熱源加以耦合集成，并實現較大范圍內冷熱源優化調度，為能源的高效經濟利用提供良好的應用場景。

1 系統概況

廣東地區某冷熱電三聯供項目采用3臺20V34SG型燃氣內燃機發電機，裝機容量為3×9.78MW，對應的余熱設備為3臺YRX390(96/79)-872H2煙氣熱水型溴化鋰機組，以及3臺8.6MW的串聯式離心式冷水機組，9臺單機制冷量7.4MW和3臺單機制冷量為2.8MW的大溫差離心式冷水機組。

能源站設計供冷負荷126MW，并采用母管制集中供冷，由冷凍水一次水泵經過各制冷機組蒸發器降溫后匯入冷凍水分水器，如圖1所示A、B、C、D、E、F六路水進入冷凍水分水器，再通過能源站自用冷凍水泵及外供二次泵進行供冷，回水全部匯集至冷凍水集水器，再分別分流回至各制冷設備，如圖1所示A、B、C、D、EF五路回水，完成制冷循環。并在冷凍水集水器上設置了定壓補水管道，為保障冷凍水系統的供水平衡與安全，在冷凍水分集水器之間設置自力式壓力平衡閥，當分集水器壓差過大時，自力式壓力平衡閥動作，水由連通管流過，使得分集水器之間壓力達到平衡。

圖1 能源站供冷系統示意圖

表1 能源站供冷系統設備主要參數

2 異常工況概況

2.1 第一次異常工況介紹

能源站在供冷模式下，站內制冷機處于待機狀態，第一次異常工況前后DCS曲線如圖2所示。站內所有一次水泵停止未運行，7#外供冷凍水二次泵運行頻率23Hz，1#能源站自用冷凍水泵40Hz運行，冷凍水集水器壓力0.3013MPa，冷凍水分水器壓力0.2337MPa。鑒于當時冷凍水回水溫度較高，運行人員擬增加外供二次水泵頻率用以提高供冷流量，將7#外供冷凍水泵由23Hz調整至30Hz，在約30s之后，分集水器之間連通管發生劇烈振動，在關閉7#外供冷凍水泵后振動現象消失。

圖2 第一次異常工況前后DCS曲線

2.2 第二次異常工況介紹

第二次異常工況前后DCS曲線如圖3所示，站內一臺270m3/h一次冷凍水泵50Hz滿負荷運行，4#外供冷凍水二次泵運行頻率23Hz，1#能源站自用冷凍水泵40Hz運行，冷凍水集水器壓力0.2768MPa，冷凍水分水器壓力0.2292MPa。在將4#外供冷凍水泵由逐級由23Hz增加至30Hz，在60s之后，分集水器之間連通管發生劇烈振動，在將4#外供冷凍水泵頻率降低為20Hz后振動現象消失。

圖3 第二次異常工況前后DCS曲線

3 原因分析

針對該能源站冷凍水供應系統在現運行工況下，對系統進行如圖4所示簡化，冷凍水在二次泵作用下由分水器進入站外用戶板換換熱后回流匯集至集水器，再由一次冷凍水泵進入制冷機組后完成循環，分集水器之間的自力式壓力平衡閥維持分集水器之間壓力平衡。

圖4 能源站供冷系統簡化示意圖

按現自力式壓力平衡閥工作原理，該自力式壓力平衡閥采取此閥后壓力控制，閥后為冷凍水集水器，閥后壓力低于0.25MPa閥門打開，高于0.35MPa時關閉；冷凍水系統正常運行時冷凍水分水器、集水器壓力分別為0.25MPa，0.30MPa左右，集水器壓力高于分水器壓力，目前冷負荷較小，外供冷凍水泵長期保持低頻率（23Hz）運行，水泵流量與揚程均較小，及時站內一次泵不開啟，自力式壓力平衡閥維持常開，冷凍水由集水器流至分水器，系統能夠維持動態平衡。

但當外界冷負荷變大，外供冷凍水泵頻率增加至30Hz時，流量及揚程均瞬間增大，鑒于外供冷凍水泵的為2150t/h，而一次泵為270t/h，即使外供冷凍水泵在30Hz時流量依然遠大于一次水泵，由此將造成分水器壓力驟降至0.17MPa，集水器壓力陡升至0.40MPa，而此時自力式壓力平衡閥又因集水器壓力上升而關閉，造成分集水器之間水錘沖擊作用，產生較大的喘振。

4 建議

（1）根據現運行情況，擬采用切斷自力式壓力平衡閥壓力控制，而采用直接連通管制，這種方法可在短期之內避免出現喘振問題。但直接采用旁通也會帶來新的問題，用戶回水將會直接由旁通進入供水管道，造成供水短路，會出現供水溫度偏高，水泵做無用功的現象。

（2）從長期考慮，可采取壓差控制閥，在閥門分水器與集水器之間設置壓差控制閥，在正常工況下，壓差閥關閉。當分集水器壓差達到設定壓力差值時動作打開，分集水器之間流通，維持壓力平衡。

5 結語

該項目在低冷負荷供冷工況下，站內一次水泵與二次水泵不匹配問題突出，同時自力式壓力平衡閥偏離設計工況工作。針對系統出現的異常喘振現象進行了具體分析，并指出了有效的改進措施，為同類型系統在設計、調試及運行方面提供參考。