一、冷卻塔的位置要考慮系統(tǒng)設(shè)備承壓要求:
冷卻水系統(tǒng)形式主要有兩種:水泵前置式和水泵后置式,如圖1、2。確定時(shí)要考慮水系統(tǒng)的承壓能力。水系統(tǒng)的承壓能力大的地方是水泵出口,如圖中的A點(diǎn),系統(tǒng)承壓有以下三種情況:系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí),水泵出口壓力為系統(tǒng)靜水壓力h=Z;系統(tǒng)瞬時(shí)啟動,但動壓尚未形成時(shí),水泵出口壓力為系統(tǒng)靜水壓力和水泵全壓之和h=Z+HP;正常運(yùn)行時(shí),水泵出口壓力為該點(diǎn)靜水壓力與水泵靜壓之和h=Z+HP-v2/2g。冷水機(jī)組冷凝器耐壓,目前國產(chǎn)機(jī)組一般為981KPa。水泵殼體的耐壓取決于軸封的形式,水泵吸入側(cè)壓力在981KPa以上時(shí),要使用機(jī)械密封。
冷卻塔如果設(shè)在高層建筑主樓屋面,產(chǎn)生的壓力高于機(jī)組的承壓能力時(shí),冷卻水泵宜設(shè)在冷水機(jī)組的冷凝器出口,以降低冷凝器工作壓力。有人會提出疑問:水泵入口負(fù)壓過大,會產(chǎn)生氣蝕。事實(shí)上,
冷卻塔與冷水機(jī)組之間的高差,遠(yuǎn)大于管路阻力和冷凝器阻力,并且水泵還有一個容許吸上真空高度。
筆者的同學(xué)曾經(jīng)設(shè)計(jì)一個工程,機(jī)房在地下,裙房屋頂為人員活動空間,業(yè)主要求在120米高的屋面安裝冷卻塔,系統(tǒng)大承壓要超過1.2MPa與水泵全壓之和。這就造成產(chǎn)生的靜壓太高,冷凝器不能承受,同時(shí)對水泵軸封和軟接頭提出了更高要求。
解決方法一:選用能承受高靜壓的設(shè)備和管道配件,這將大大增加工程造價(jià)。
解決方法二:如圖3,設(shè)兩個冷卻水箱、兩套冷卻水泵。一個高溫冷卻水箱、一個低溫冷卻水箱,一套冷卻水泵從低溫水箱抽水進(jìn)入冷凝器后進(jìn)入高溫水箱,另一套冷卻水泵從高溫水箱抽水送入冷卻塔,然后回流到低溫水箱。但要注意:冷卻塔處要采取一定的措施,避免停泵時(shí)水全部流入低溫水箱。水箱要滿足冷卻塔到機(jī)房的充注水量,水箱的水位也不好控制;這樣水泵的揚(yáng)程太高(圖中h高度的揚(yáng)程浪費(fèi)了),這不是一個經(jīng)濟(jì)的做法。
解決方法三:加板式熱交換器隔絕高壓,但冷卻塔選用要有余量,如圖4。
筆者認(rèn)為,對于某些建設(shè)方的不合理的要求,設(shè)計(jì)人員不要遷就。此類工程把冷卻塔放在放在裙樓上 。
二、冷卻水泵揚(yáng)程的確定冷卻水系統(tǒng)水泵揚(yáng)程計(jì)算應(yīng)該是系統(tǒng)阻力(管道、管件、冷凝器阻力之和),冷卻塔集水盤水位至冷卻塔布水器的高差,冷卻塔布水器所需壓力組成,并附加5%-10%裕量。設(shè)計(jì)人員常犯的錯誤,是一見到開式系統(tǒng)就計(jì)算系統(tǒng)的高差。冷卻塔雖然是開式系統(tǒng),但是因?yàn)槔鋮s塔自帶集水盤,相當(dāng)于水箱放在屋頂,這部分水靜壓和供水管上升所需靜壓相抵消,所以只需計(jì)入冷卻塔底盤和布水管的高差就可以 。
某工程空調(diào)冷卻水系統(tǒng):2臺水泵+2臺冷卻塔并聯(lián),水泵設(shè)計(jì)流量400t/h, 揚(yáng)程40m。調(diào)試時(shí)遇到如下問題: 單臺水泵運(yùn)行時(shí),若泵出口閥門開度>30%,水泵振動較劇烈,泵前、后壓力表跳動,配電柜電流表跳動; 若泵出口閥門開度<25%,水泵基本可以穩(wěn)定運(yùn)行,電流表顯示為90A。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)電流為90A時(shí),水泵流量假定為400t/h,效率按70%計(jì),則揚(yáng)程約17m,設(shè)計(jì)者大概把冷卻塔和水泵的高差計(jì)入了揚(yáng)程,所以水泵揚(yáng)程大了一倍。幸好閥門開得小,否則水泵可能會燒電機(jī)。
再看另一種情況:在實(shí)際工程中,由于諸多原因,建筑屋面不允許放置冷卻塔,而冷凝器又設(shè)于高處,形成如圖5所示的系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)當(dāng)水泵停止運(yùn)行時(shí),管道內(nèi)冷卻水回到塔中而形成真空,產(chǎn)生虹吸而倒流,冷卻塔集水盤處會溢水滿地。設(shè)計(jì)時(shí)一般采取一定的措施,如在冷卻水管的頂端安裝一個真空破壞閥,如圖6?;蛟陧敳吭O(shè)通氣管,如圖7。《暖通空調(diào)》2003年第4期《冷卻塔處于系統(tǒng)下部時(shí)的水力分析》一文提出:當(dāng)系統(tǒng)高度太高時(shí),在冷卻塔進(jìn)水處設(shè)電動閥,以防止系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)水流空,筆者認(rèn)為不如圖6、7方便、簡單。
下面我們分析一下圖7,首先,假設(shè)ab段阻力為hab,bc段阻力為hbc,水泵揚(yáng)程為H,冷卻塔所需出流水壓為hlq。
第一種情況:h2=hbc+hlq,水泵揚(yáng)程僅需克服ab段阻力和ab之間的高差,即H=hab+h1+h2,此時(shí)通氣管的高度h3高度可為0,這是理想情況。
第二種情況:h2
第三種情況: h2>hbc+hlq,水泵揚(yáng)程僅需克服ab段阻力和ab之間的高差揚(yáng)程H=hab+h1+h2,h3=0。但是,冷卻塔出水中混入大量空氣,水泵揚(yáng)程部分被浪費(fèi)了,增加了電能消耗,這不是一個經(jīng)濟(jì)的做法。綜上所說,第一種情況是少見的,第二種情況是普遍的,第三種情況應(yīng)盡量避免的。為了使系統(tǒng)正常經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行,系統(tǒng)高度不宜太高,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算,當(dāng)出現(xiàn)第三種情況時(shí),可以通過增加bc段阻力來避免。
三、多臺冷卻塔的并聯(lián)問題規(guī)范要求選主機(jī)時(shí)要盡量做到大小搭配,以便適應(yīng)負(fù)荷的變化,但這時(shí)冷凝器、水泵、冷卻塔連接起來就很麻煩了。
在工程上,多臺冷卻塔并聯(lián)運(yùn)行時(shí),配管方式一般有5種方式,見圖8-12.
圖9管線布置復(fù)雜,占用空間大,但流量分配合理,運(yùn)行可靠性高。圖8、10、11管線布置簡單,但是,經(jīng)常出現(xiàn)溢流和補(bǔ)水現(xiàn)象,主要原因是:
1、一般在塔的進(jìn)水管上安裝了電動閥,而出水管上未裝,不運(yùn)行的塔進(jìn)水閥關(guān)閉,但出水管連通。當(dāng)單臺運(yùn)行時(shí),用的那臺冷卻塔水盤中水位上升,引起溢流,而其他不運(yùn)行的塔的水盤則不停的補(bǔ)水。
2、各塔水量分配不平衡,主要是管路布置問題,有的塔進(jìn)水管道阻力小,出水管道阻力大;進(jìn)水多出水少,造成溢流。有的塔則相反,不停的補(bǔ)水。
3、幾臺大小不同的冷卻塔連在一起時(shí),塔中水位不一樣高,水盤低的塔必然溢流。
基于上述問題,設(shè)計(jì)時(shí)要注意平衡問題,包括水位平衡和水量平衡,通常對于合流進(jìn)水方式,采取以下幾種措施:
1、對于圖8,每臺冷卻塔的進(jìn)出水管上設(shè)電動閥,并與水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)連鎖控制。
2、對于圖8,10,11,各冷卻塔(包括大小不同的塔)水位控制在同一高度,高差不應(yīng)大于30mm。在各塔之間安裝平衡管,并加大出水管的共用管段的管徑。
3、對于圖8,11,為平衡各冷水機(jī)組水量,可在各臺冷水機(jī)組出水口設(shè)平衡閥。
圖12管線布置簡單,系統(tǒng)流量也易平衡,筆者常采用此方式。
四、冷卻水系統(tǒng)的啟停順序 #p#分頁標(biāo)題#e#《制冷空調(diào)自動控制》(張子慧、黃翔、張景春編)提出冷卻水系統(tǒng)的啟停順序:風(fēng)機(jī)-電動蝶閥-水泵。而某些產(chǎn)品樣本中明確提出“冷卻塔啟動時(shí)一定要先開水泵后開風(fēng)機(jī),不允許在沒有淋水的情況下使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)”。筆者認(rèn)為:在過渡季的冷卻水循環(huán)中,有的時(shí)間可以不用開風(fēng)機(jī)。假如采用先開風(fēng)機(jī)后開泵的順序啟動方式,就無法實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行而風(fēng)機(jī)停止的工況。正確的冷卻塔的啟停順序一般應(yīng)該為:開冷卻水泵-開冷卻塔對應(yīng)的電動蝶閥-確認(rèn)淋水正常和水盤的回水正常無空氣-視冷卻水溫的需要決定冷卻塔的風(fēng)機(jī)運(yùn)行;停時(shí)程序相反。
五、選用冷卻塔應(yīng)有富余量筆者調(diào)查了許多工程,發(fā)現(xiàn)冷卻塔與冷水機(jī)組的冷卻水額定流量相等一一對應(yīng)情況下,在特別炎熱時(shí),冷水機(jī)組出力降低甚至無法運(yùn)行,或者,運(yùn)行1臺機(jī)組需開2臺冷卻塔。這說明國產(chǎn)冷卻塔在標(biāo)準(zhǔn)工況、額定流量下,一般難以達(dá)到5℃溫差并長期運(yùn)行,所以在選冷卻塔時(shí)建議按冷卻水量的1.2倍來選擇冷卻塔。溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組由于其制冷循環(huán)特點(diǎn),要求更大的冷卻水溫差,這時(shí),就不能選用標(biāo)準(zhǔn)型冷卻塔,而要選用中溫型,并根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的全性能曲線圖表來校核。
六、冷卻水系統(tǒng)的變頻與控制1、冷卻水系統(tǒng)變頻控制的必要性
大型中央空調(diào)系統(tǒng),通常按大負(fù)荷來設(shè)計(jì),但是,系統(tǒng)大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下工作。空調(diào)冷卻水系統(tǒng)一般是定流量系統(tǒng),部分負(fù)荷下動力輸送能耗不變,使制冷系統(tǒng)綜合能效比大大下降。常規(guī)控制方式是對冷卻塔出水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。冷卻水溫度的調(diào)節(jié),一般可采用冷卻塔出水溫度控制風(fēng)機(jī)的啟閉,或者在冷卻塔進(jìn)水管上安裝兩通電動調(diào)節(jié)閥,旁通部分水量,保證供制冷機(jī)的冷卻水混合溫度,同時(shí)又控制風(fēng)機(jī)的啟閉。
在實(shí)際設(shè)計(jì)選擇水泵時(shí),我們常常將流量、揚(yáng)程計(jì)算值分別附加10%-20%,如果再考慮上計(jì)算過程的保守,就導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生系統(tǒng)流量揚(yáng)程高于系統(tǒng)需求值,需要用閥門來調(diào)節(jié),造成很大浪費(fèi)。
2、冷卻水系統(tǒng)變頻控制的可行性
對冷卻水泵采用變頻調(diào)速控制,輔以冷卻塔風(fēng)機(jī)的通斷控制或變頻調(diào)速控制,將大幅度減少冷卻水系統(tǒng)的能耗。
對于電制冷機(jī)組,冷卻水系統(tǒng)的下限流量可定為額定流量的70%。對于蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,下限流量可以更低,國產(chǎn)雙良的機(jī)組下限流量可為60%,遠(yuǎn)大的機(jī)組下限流量可為30%,遠(yuǎn)大機(jī)組中還為冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)提供了變頻信號輸出和控制軟件。
3、錯誤觀點(diǎn)
談到變頻調(diào)速,有人認(rèn)為變頻前后:水泵的流量、揚(yáng)程、軸功率和轉(zhuǎn)速的滿足下列關(guān)系式:
G2/G1=n2/n1;
H2/H1=(n2/n1)2;
N2/N1=(n2/n1)3;
因而推斷水泵的功率與流量的3次方成正比,再推出當(dāng)流量為額定值的75%時(shí),水泵的能耗已降至原值的42%。
這是一個錯誤的觀點(diǎn),變頻前后兩點(diǎn)并不是相似工況點(diǎn),不滿足上述關(guān)系式。
4、實(shí)際應(yīng)用
筆者曾有幸參與某賓館的冷卻水系統(tǒng)節(jié)能的改造。該系統(tǒng)采用2臺制冷量1160KW的蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,冷卻水泵流量320m3/h,揚(yáng)程38m,電機(jī)功率55KW/臺,2用1備。改造前該系統(tǒng)主要存在如下問題:1、該賓館在旅游淡季客房入住率低,水泵能耗高。2、設(shè)計(jì)冷卻水泵揚(yáng)程太高,需通過關(guān)小閥門來消耗多余的壓差,嚴(yán)重浪費(fèi)。改造時(shí)采用2套空調(diào)水泵智能恒溫差變頻控制系統(tǒng),為節(jié)約設(shè)備初投資,在控制系統(tǒng)中增加一臺切換控制柜,實(shí)現(xiàn)2臺變頻控制系統(tǒng)與3臺水泵之間的自由轉(zhuǎn)換??刂葡到y(tǒng)根據(jù)冷凝器進(jìn)出口溫度傳感變送器采樣溫度變化結(jié)合空調(diào)制冷系統(tǒng)能量平衡關(guān)系調(diào)節(jié)水泵流量,維持冷凝器制冷劑側(cè)和水側(cè)熱量平衡關(guān)系,維持進(jìn)出口溫差和換熱對數(shù)平均溫差恒定。項(xiàng)目改造完成后至今已經(jīng)運(yùn)行了2個制冷采暖周期,運(yùn)行情況良好,節(jié)能效果得到業(yè)主高度評價(jià)。
5、缺點(diǎn)與不足:
如果常時(shí)間在低流速的情況下運(yùn)行,冷卻水管道易結(jié)垢,但是有人提出清洗管道的費(fèi)用遠(yuǎn)小于水泵變頻節(jié)約的費(fèi)用。
機(jī)組冷卻水流量減少,其換熱系數(shù)也隨之降低,機(jī)組制冷量減少,其制冷系數(shù)COP值可能也降低,機(jī)組相對耗能可能有所增加,如果大于節(jié)約下的水泵能耗,則適得其反。所以采取上述節(jié)能措施時(shí),要綜合考慮。
七、結(jié)論在冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,要合理的選擇水泵揚(yáng)程,注意系統(tǒng)承壓、流量的平衡問題,同時(shí)需要采取合理的節(jié)能控制措施來降低水輸送能耗。