組合式工業循環水冷卻系統設計研究

余雪花

（機械工業第六設計研究院有限公司天津分公司 天津 300392）

0 引 言

冷卻塔結構簡單、造價低、運行維護成本低廉等優勢突出。對于一種結構已確定的冷卻塔，其出口水溫由冷負荷和室外空氣濕球溫度決定。濕球溫度則代表在當地大氣溫度條件下水可以被冷卻的最低溫度，即冷卻塔出水溫度的理論極限［2］。在實際工程應用中，受項目所在地自然氣候條件等多重因素影響，在最不利工況下，冷卻塔作為單一冷源可能難以實現生產工藝循環水冷卻的需求［3-6］。通過設計形成一套組合式工業循環水冷卻系統，充分發揮冷卻塔的冷卻效能，同時配合輔助冷卻設備，可滿足不同工況下生產工藝循環冷卻水需求，對保障工藝條件、節約能耗具有重要意義［7］。

1 項目概況

該項目位于某工業企業的車間內，生產工藝使用循環冷卻水。該車間工藝設備數量多，循環冷卻水需求量較大且不均衡。特別是工藝設備循環冷卻水供水水溫要求較低，以冷卻塔為單一冷源的循環水冷卻系統難以滿足工藝需求，需統籌考慮冷卻效果、系統穩定性、能耗及造價，設計形成一套循環水冷卻系統，以保障工藝設備穩定運行。

2 循環冷卻水需求分析

2.1 水量分析

根據生產工藝需求，需要使用冷卻循環水的工藝設備共計150臺，循環冷卻水用水量合計1 720 m3/h，其中最高用水設備用水量300 m3/h，最低用水設備用水量0.5 m3/h，用水量差異較大，且生產初期工藝設備不會全部開啟。系統用水量整體處于非比例變化的動態中，冷源選型應能適應系統水量變化，管網設計需考慮配水均勻性。

2.2 溫度分析

經查詢當地氣象數據，該項目所在地夏季溫度最高時室外濕球溫度為27 ℃。因冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度之差（即逼近度）在正常處理水量下通常為4 ℃，故冷卻塔在一年中最不利情況下出水溫度為31 ℃。

根據工藝設備要求，工藝設備在標準工況下供水溫度不得高于28 ℃，對應回水溫度為36 ℃；最低供水溫度不應低于20 ℃。故在夏季最不利工況下，除冷卻塔外均須設置輔助冷源。當室外濕球溫度低于24 ℃時，冷卻塔循環水出水溫度不高于28 ℃，此時僅用冷卻塔降溫，輔助冷源停止運行。當溫度進一步降低，冷卻塔運行出水溫度低于20 ℃時，采用旁通措施保證冷卻塔出水溫度不低于20 ℃，確保工藝設備正常運行。

2.3 水力分析

在變流量系統中，水力平衡可確保各工藝設備在各工況下至少可接收到所需的流量。考慮到項目非一次性投產，且不同設備用水量差別較大，檢修時可能造成系統循環流量變化，進而影響系統穩定性。為使整個系統在設計工況下獲得所需流量，水力平衡是本項目中的必要工藝流程，原理如圖1所示。

圖1 循環冷卻系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of principle of circulating cooling system

循環冷卻系統冷源可采用冷水機或冷卻塔等制冷設備。冷卻水經過工藝設備升溫后，經冷卻水循環泵回到冷源中降溫，再繼續供給生產設備。可在供回水干管間增設聯通管及電動調節閥，在工藝設備非滿負荷運行條件下，根據工藝設備開啟數量變化所引起的需水量變化，自動調整電動閥開度，多余循環水通過聯通管回到冷源，確保各工藝設備水量及水力條件相對穩定和不受其他工藝設備開閉影響。靜態水力平衡閥用于克服系統因連接形式產生的水力不平衡［8］。

由于改造施工是在既有線上進行的，且每日施工僅有不到4 h 的“天窗”時間，當日施工結束后必須恢復線路并保證軌道狀態穩定，不影響線路運營安全。因此，改造方案需重點考慮以下兩方面的問題：

3 循環水冷卻系統設計

循環水冷卻系統為閉式循環系統，為節約成本，主要冷源選擇閉式冷卻塔，采用板式換熱器并聯冷水機組作為輔助冷源。系統設置循環泵，循環水由冷源及輔助冷源降溫后通過循環泵供給工藝生產線中的設備，升溫后的循環水回到冷源再一次降溫，實現往復循環。系統采用定壓補水裝置補水，水源來自軟水機制軟化水。輔助冷源的冷水機組冷凝器側設置循環水泵與冷卻塔循環降溫，蒸發器側設置水泵及中間水箱與板式換熱器循環降溫。循環冷卻系統工藝流程如圖2所示。

圖2 循環冷卻系統流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of circulating cooling system

在制冷站房內設置流量相同的2套系統，每套系統設計流量為860 m3/h，一用一備。以下計算選型均以單套系統計。

3.1 冷卻塔設計

選用3臺閉式冷卻塔，單臺設計流量為430 m3/h，兩用一備。冷卻塔夏季運行時，采用冷水機輔助降溫；冬季運行或遇停產等非正常工況時，采用電伴熱保溫方式保證水溫不低于5 ℃；恢復生產后，先采用鍋爐房熱水供回水管路，通過板式換熱器加熱，至循環水溫度高于20 ℃后停止。

3.2 工藝冷卻水循環泵設計

工藝冷卻水循環泵設計流量為系統循環水量的1.1倍，選用3臺水泵，兩用一備，單臺設計流量473 m3/h。水泵揚程為系統管路水頭損失加上末端設備所需水頭損失，經計算約為0.5 MPa。

3.3 板式換熱器設計

板式換熱器為系統中連接主循環水系統和輔助冷源的關鍵設備。當冷卻循環水溫度經由冷卻塔無法降至預期值，即出水溫度升至28 ℃時，自動開啟并調節比例式調節閥，啟動冷凍水循環泵（板式換熱器側）；冷凍水系統通過板式換熱器降低冷卻循環水供水溫度，使冷卻循環水供水溫度降至28 ℃以下。冷卻水側流量與系統流量一致，溫差為28～31℃；冷凍水側與冷凍水循環泵（板式換熱器側）一致，溫差為7～12 ℃。

3.4 輔助冷源系統設計

冷水機組作為系統的輔助冷源，難以實現變頻水泵式的精細化定量供冷方式，故應設置冷凍水箱。冷凍水箱存儲一定量冷凍水，冷凍水循環泵（板式換熱器側）根據工藝設備冷卻需求啟停，通過板式換熱器與工藝設備換熱。同時，冷水機組與冷凍水箱間采用冷凍水循環泵（冷水機側）換熱。當冷凍水箱溫度超過22 ℃時，冷凍水循環泵（冷水機側）啟動，冷水機組開啟直至冷凍水箱溫度至12 ℃，冷水機組及冷凍水循環泵（冷水機側）依次停止運行，直至冷凍水箱溫度升至22 ℃時再次啟動。

常規冷水機組蒸發器端進出水溫度為7～12 ℃，當系統需冷量降低、蒸發器端進水溫度降低時，冷水機組停止工作。使用冷凍水箱既解決了供用冷平衡問題，又能防止冷水機組頻繁啟停或低溫運行喘振停機對正常生產的影響。

3.4.1 冷水機組選型

冷水機制冷量計算如式（1）所示：

式中：Q為制冷量，kW；T1為進水溫度，℃，本項目取31℃；T2為出水溫度，℃，本項目取28 ℃；L為冷卻水循環水量，L/s。

通過計算，冷水機組制冷量至少應為2 995.6 kW，選用一臺冷水機組，單臺冷水機組制冷量3 010 kW、用電功率555 kW，蒸發器側流量517.7 m3/h（冷凍水）、進出水溫度為7～12 ℃，冷凝器側流量616.3 m3/h（冷卻水）、進出水溫度為32～37 ℃。

3.4.2 水泵設計

輔助冷源系統中共設置3組水泵。其中冷凍水循環泵（板式換熱器側）為冷凍水箱和板換之間的循環泵；冷凍水循環泵（冷水機側）為冷凍水箱和冷水機組之間的循環泵；冷凍水循環泵（冷卻塔側）為冷水機組與冷卻塔之間的循環泵。

冷凍水循環泵（板式換熱器側）和冷凍水循環泵（冷水機側）流量采用冷水機組蒸發器側流量，選用2臺相同型號水泵，一用一備。揚程為管路及設備水頭損失，經計算約為0.2 MPa。

冷卻塔采用開式冷卻塔，冷凍水循環泵（冷卻塔側）流量為冷水機冷凝器側流量的1.2倍，流量為740 m3/h。冷卻塔設置于室外地面，經計算，管路水頭損失加上冷卻塔與冷水機組安裝位置的高差、冷水機組的局部水頭損失約為0.2 MPa。

3.4.3 冷卻塔設計

冷卻塔設計流量為冷水機冷凝器側流量的1.2倍，與冷凍水循環泵（冷卻塔側）流量一致，設計流量740 m3/h，進出水溫度為32～37 ℃。

3.4.4 冷凍水箱設計

冷水機組在冷負荷低于滿負荷25%時可能發生喘振停機，而停機后至重新啟動至少需0.5 h。因此，冷凍水箱存儲的冷量應不低于25%冷負荷工況下停機0.5 h的冷量，即25%循環水流量0.5 h的水量，計算得65 m3。

3.4.5 定壓補水系統

定壓補水裝置主要由囊式定壓罐、水泵、壓力開關、控制箱等組成，通過吸納部分水膨脹量實現自動補水、自動排氣、自動泄壓和自動過壓保護等功能。當系統中水體積減小、系統壓力降低時，罐內氣體膨脹將囊中水壓回系統，若補水量仍不能滿足系統需水量，則水泵啟動補水。因此，水泵流量的選擇要根據系統的漏損量計算，由于閉式系統水的損耗很低，選用水泵流量一般較小，壓力一般為系統最高點和定壓點的高差，并附加2～3 m靜水壓力余量。

4 結 論

采用閉式冷卻塔為主要冷源，結合冷水機、冷凍水箱、板式換熱器等組成輔助冷源系統所形成的組合式循環水冷卻系統在2個方面具有獨特優勢：一是節能效果突出，通過充分利用冷卻塔的制冷能力，冷水機組僅在夏季高溫時段用于補充冷卻塔無法提供的冷量，較僅采用冷水機組為冷源的方案更加節能；二是保障正常生產效果明顯，通過采用冷水箱蓄冷，平穩解決了冷水機低負荷工況下的生產供冷問題，保護了冷水機正常運行，同時系統優化了水力平衡，保障了各工藝設備用水需求。因此，此組合式循環水冷卻系統具有高效、穩定、節能等特點，具有較大的推廣潛力。