【暖通小课堂二十五期】冷水机组水系统的配置及设计

1 冷水机组的设计配置

合理的冷水机组配置应当能够实现以下几个目标:

▶a)冷水机组的冷量选择科学合理,适合建筑物冷负荷需要;

▶b)所有冷水机组均能工作在单机最佳工况区域内;

▶c)整个系统具有较好的部分负荷效率;

▶d)系统可靠,在不增加冷水机组负荷容量的前提下,机组之间具备良好的兼备性;

▶e)系统调节简捷方便, 调节成本低。但在实际工程中冷水机组选择和配置往往不当, 难于达到上述目标, 具体表现在以下两个方面。

1.1冷水机组冷量偏大

       冷水机组装机容量偏大是空调系统存在的较普遍的问题,有些工程冷水机组的装机容量甚至闲置50%以上。造成冷水机组装机容量偏大的主要原因是设计人员设计时没有作逐项逐时的冷负荷计算,而是盲目套用建筑冷负荷指标,对不同功能建筑物空调负荷参差率把握不准,并且不加分析地加大计算冷负荷的安全余量。冷水机组装机容量偏大会增加空调系统、电气设备及建筑结构的总造价,造成设备的大量闲置浪费和系统的低效运行, 还会直接导致与冷水机组匹配的冷水泵和冷却水泵的选型偏大,增加了系统的能耗和系统运行调节的难度。

1.2 冷水机组台数选择不当

      冷水机组台数应根据冷负荷特性、运行调节性能进行选择,一般为2～ 4台,单机制冷量的大小应合理搭配,当单机容量调节下限的产冷量大于建筑物的最小负荷时,应选1台适合最小负荷的冷水机组, 以保证系统负荷调节的可靠性,增加负荷的适应性, 避免冷水机组低效运行。即使是大型空调系统, 其冷水机组台数也不宜超过4台,超过4台则应该分设系统。冷水机组与水泵运行一一对应时, 理论上存在着明显的关联损失,且负荷变化时机组的运行调节比较麻烦, 各单机难以运行在最佳工况区域。

2 冷(热)水泵设计配置

      冷(热)水系统循环水泵的配置同冷水机组的配置一样, 应使水泵始终运行在高效区, 使水系统输送能耗低、调节性好、工作稳定。循环水泵的流量应与冷水机组蒸发器的额定流量相对应, 扬程则应按水力计算确定。

2.1 冷水泵并联运行

       一次泵系统冷水泵的台数一般按冷水机组的台数一对一配置, 二次泵系统冷水泵的台数按系统分区和每区水泵的配置方式确定。冷水机组和水泵一对一配置时(见图1),系统控制及运行管理简捷方便,各冷水机组相互干扰少,水量变化小,水力稳定性好,水泵的并联损失相应较小, 某台冷水机组不运行时,由于水泵出口止回阀的作用, 水不会通过停运的冷水机组旁通分流。

      在实际工程设计中, 因为接管相对较多,安装施工难度较大,上述冷水机组与冷水泵一对一配置的方式往往难以实现,大量采用的是冷水机组与冷水泵独立并联的方式(见图2)。此种方式机房布置简洁、有序,接管相对较为方便, 但其缺点也是显而易见的:a)各冷水机组水流量可能分配不均,在初调试中应进行调整, 以保证每台机组水量符合设计要求;b)水泵并联损失较大, 负荷变化时调节性能较差;c)在要求自动连锁启停的工程中, 各冷水机组必须配置电动蝶阀, 以防止不运行的冷水机组旁通分流。

      理论上来说,宜尽可能使空调水系统水泵定水量运行, 以使冷水机组运行高效稳定。但在实际运行过程中, 几乎所有水泵都处在超流量状态,文献对此有详尽分析。而更普遍的是很多工程的水泵扬程都大于设计状态下的系统循环水阻力。

      国产水泵特性曲线较平坦, 极易造成超流量运行, 这种情况在多台水泵并联系统中单台泵运行时表现得更为突出:管路系统阻力减小、水泵超流量严重、电机超载运行, 对电机的使用带来极大的影响甚至烧毁电机。

      综上所述, 空调水系统中水泵并联台数不宜过多,以尽量增加负荷变化时水系统调节的适应性,保证系统调节的简捷可靠和运行平稳;同时, 选择水泵时, 应使设计工况点处于水泵最高效率点的区域, 以使水泵大多数时间内均处于最高效率区运行;在选配水泵电机时, 必须考虑单台泵最大可能的工作点, 并按此点来配置电机,以保证水泵电机超流量运行的富余量, 确保水泵正常安全运行。

2.2冷热水循环泵分开设置

      两管制空调水系统, 因冬夏季负荷的差别和运行水温差的不同, 宜分别设置冷水和热水循环泵。在长江中下游地区, 全年舒适性空调的冬季热负荷一般为夏季冷负荷值的60 % ～ 80 %,供冷时水温差为5℃, 供暖时水温差为10℃,冷热水共用一套管路系统时, 供暖工况下的水力损失仅为供冷工况时的9%～16 %,而水系统此时的输送功耗仅为供冷工况时的2.7 %～ 6 .4 %。由此可见, 冷热水循环泵分开设置是完全必要的。

      在实际工程设计中,冷热水循环泵往往是互相兼用, 一般是设置一组泵, 供热时只运行其中的若干台。但由于供冷、供热时管道特性相差较大, 冷水泵的流量、扬程很难与供热工况相吻合, 这不但会增加供热工况时水输送能耗,而且会导致循环水泵运行效率低下、超流量运行严重、电机过载烧坏。

      热水循环泵的流量可根据供热负荷及温差计算确定,扬程则可按式(1)进行计算:

      式中H热为热水循环泵扬程;H冷为冷水泵扬程;H冷机为冷水机组水阻力;H 热机为热源设备或换热器水阻力;G热为供热水量;G冷为供冷水量。

      在工程中将冷水泵作为热水泵使用时, 可以考虑在冬季供热时增设水泵变频器,使水泵变速运行以满足冬季供热工况的需要。在确定水泵变速范围时应使变速泵和定速泵都运行在各自的高效区内,变速泵台数的确定以充分发挥每台变速泵在变速运行时处于高效区内为原则,以达到最大的节能效果,并能够增加冬季供暖时水泵的运行稳定性。

3冷却水系统设计配置

      冷却水系统循环水泵、冷却塔的设计和配置是否合理,直接影响到冷水机组冷凝热量的排放, 影响冷水机组的出力和运行稳定性。实际工程中, 由于冷却塔和冷水泵选择不当或性能不佳影响整个空调系统正常运行的情况时常可见。

3.1冷却塔的配置

      在循环冷却系统中, 冷却塔是一个重要的设备, 目前冷却塔最常见的问题是冷却效率太差, 不能满足冷水机组使用要求甚至有许多产品达不到其技术资料给出的性能指标。

      南方地区夏季相对湿度较大,室外空气湿球温度一般高于冷却塔设计温度28 ℃ ,选择冷却塔时要进行校核计算。冷却塔的处理水量可按式(2)确定:

      式中G 为冷却塔水量;Q冷为冷水机组制冷量;N 为冷水机组电机功率;Δt为冷却水处理温差;ρ为水的密度;cp为水的质量定压热容。

      根据南方地区的运行经验, 对于离心式机组和吸收式机组, 应分别附加20%和40%的冷却塔处理水量, 以确保冷却塔的处理水温满足冷水机组的使用要求。冷却塔的冷却效率差, 基本上都是因为其布水器雾化效果差, 冷却换热效率低。冷却塔生产厂家和科研机构, 应该把重点放在对风机、填料、布水器及塔体本身的流体力学性能和热工性能的研究改进上, 以提高冷却塔的综合冷却性能。

      冷水机组运行时要求保持一定的冷却水流量, 当多台冷水机组并联运行时, 通常冷却水泵、冷却塔及冷水机组一一对应。冷却水泵与冷水机组的管道连接和前述冷水泵与冷水机组的连接一样, 最好采用一对一的方式(图3), 当然也可采用冷却水泵与冷水机组独立并联后通过总管相连接的方式(图4), 在要求自动联锁控制的工程中,各冷水机组必须配置电动蝶阀, 以防止不运行的冷水机组旁通分流。冷却塔一般采用全部并联后通过冷却水总管接至制冷站的连接方式, 当多台冷却塔并联时, 宜采用相同型号。为防止水位不同而溢流, 冷却塔集水盘下应设有连通管, 保证冷却塔集水盘水面一致;为防止冷却水泵启动时缺水空蚀, 宜设置冷却水箱或加大冷却塔存水盘的存水量, 一定的储存水量还可增加冷却水温度的稳定性。

3.2冷却水泵的设计配置

       冷却水泵的流量应按冷水机组产品技术资料提供的数据确定, 而不能按加大系数后的冷却塔处理水量确定, 否则运行时流量会远远超过冷水机组的流量。冷却水泵的扬程应根据冷却水系统水力计算确定。冷却水泵并联运行情况及调节性能均同前述冷水泵的并联工况, 但由于冷却水泵型号均大于冷水泵, 而冷却水系统的管道阻力要小于冷水系统, 因此冷却水泵超流量运行的情况更甚于冷水泵。

      工程中所选水泵扬程过大影响空调系统正常使用和调节时, 可采取加装流量控制阀或切割水泵叶轮的措施。加装流量控制阀, 可以改变管路特性曲线, 消耗掉水泵过高的扬程, 稳定进入冷水机组的水量, 但此种方式仅在水泵扬程超过较小时采用比较经济有效, 水泵扬程超过较大时, 人为增加水系统阻力, 无谓消耗掉部分电能, 水系统运行并不稳定,水泵的机械噪声也会增大。切割水泵叶轮在很多工程中使用过, 较经济方便, 也有较好的改造运行效果。叶轮切割外径可按式(3)进行计算:

       式中G ,H ,D为叶轮切割前泵的流量、扬程和叶轮直径;G′, H′, D′为叶轮切割后泵的流量、扬程和叶轮直径。

4结语

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