某實(shí)驗(yàn)樓低溫冷卻水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

熊朝軍, 李萌穎

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司綿陽(yáng)分公司， 四川綿陽(yáng) 621000)

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某實(shí)驗(yàn)樓低溫冷卻水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

熊朝軍, 李萌穎

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司綿陽(yáng)分公司， 四川綿陽(yáng) 621000)

【摘要】文章介紹了某實(shí)驗(yàn)樓的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)之前運(yùn)行方式所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況，最終確定采用低溫冷卻水系統(tǒng)，采用風(fēng)冷冷水機(jī)組加保冷水箱的方式制備，設(shè)冷卻水泵進(jìn)行機(jī)械循環(huán)。其設(shè)計(jì)思路可供相關(guān)工程參考。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)樓;低溫冷卻水系統(tǒng);風(fēng)冷冷水機(jī)組

1工程概況

本項(xiàng)目為某電子研究所的4層實(shí)驗(yàn)樓，需要冷卻水進(jìn)行降溫的實(shí)驗(yàn)設(shè)備均位于一層。設(shè)備入口水壓要求不小于0.50MPa，設(shè)備出口壓力不一(分為有壓回水和重力回水兩種)，要求水質(zhì)為純水，電導(dǎo)率不大于10μs/cm。

原有的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由冷卻塔加冷卻水泵來(lái)滿(mǎn)足水量及水壓，但在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一系列問(wèn)題，因此需要進(jìn)行改造。所出問(wèn)題有：

(1)長(zhǎng)期運(yùn)行之后，管道經(jīng)常堵塞，導(dǎo)致設(shè)備入水口處水壓低、流量小，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制冷量要求。

(2)部分設(shè)備由于出水口壓力小于0.10MPa，回水無(wú)法并入冷卻水回水管網(wǎng)(若不及時(shí)排走，熱量會(huì)聚集，實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法正常工作)，回水只能排至排水管網(wǎng)，造成極大的浪費(fèi)。

(3)新增設(shè)備較多，且要求較低的冷卻水溫度(要求冷卻水的供水溫度范圍為20℃～25℃，回水溫度約為30℃～35℃)，冷卻塔出水(約為常溫)無(wú)法滿(mǎn)足要求，導(dǎo)致設(shè)備不停報(bào)警，無(wú)法工作。

以上問(wèn)題會(huì)造成部分設(shè)備停止運(yùn)行，對(duì)實(shí)驗(yàn)影響很大，甚至實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。不但浪費(fèi)人力物力，而且會(huì)拖慢實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，這一損失是無(wú)法估量的。

考慮到以上出現(xiàn)的問(wèn)題以及現(xiàn)在的設(shè)備情況，暫定以下兩種解決方案。

方案一：增加一套低溫冷卻水系統(tǒng)，保留原有的常溫冷卻水系統(tǒng)。

方案二：全部改為低溫冷卻水系統(tǒng)。

若采用方案一，不但管網(wǎng)復(fù)雜，且仍需對(duì)常溫冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，來(lái)保證水質(zhì)。

經(jīng)原有設(shè)備廠(chǎng)家確認(rèn)，降低設(shè)備冷卻水入口溫度對(duì)設(shè)備無(wú)影響。因此，本次設(shè)計(jì)采用方案二，使用低溫循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行冷卻降溫，不再使用冷卻塔。

由于項(xiàng)目所在園區(qū)已建有純水管網(wǎng)(水質(zhì)滿(mǎn)足本建筑實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用要求)，并能夠提供本項(xiàng)目所需純水量，本次設(shè)計(jì)直接取用，不再另行制備純水。

2低溫冷卻水系統(tǒng)

2.1低溫冷卻水水量計(jì)算

按20℃的冷卻水供水溫度，30℃的冷卻水回水溫度對(duì)設(shè)備所需制冷量進(jìn)行換算。設(shè)備所需的總制冷量為210kW，按照式(1)計(jì)算低溫冷卻水供水量。

(1)

式中：q為低溫冷卻水供水量(L/h)；

Q為設(shè)備所需制冷量(kJ/h)，經(jīng)過(guò)換算，Q=756 000kJ/h；

C為水的熱容，C=4.187kJ/(kg·K)；

tr為低溫冷卻水供水溫度，tr=20℃；

tl為低溫冷卻水回水溫度，tl=30℃；

經(jīng)計(jì)算，q=18 055L/h=18m3/h。

2.2低溫冷卻水的制備

經(jīng)過(guò)分析和比較后，確定采用風(fēng)冷冷水機(jī)組加開(kāi)式保冷水箱的方式制備和儲(chǔ)存低溫冷卻水。冷卻水回水進(jìn)保冷水箱與冷水機(jī)組出水相混合，混合至20℃后供給實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用，因此冷水機(jī)組設(shè)計(jì)回水溫度按20℃計(jì)算，考慮5℃的溫差，冷水機(jī)組出水溫度按15℃計(jì)算。

根據(jù)冷卻水與冷凍水制冷量相等的原則，利用式(1)計(jì)算冷凍水供水量為36m3/h(忽略損耗)。

保冷水箱尺寸為4.0m×2.8m×2.0m，設(shè)計(jì)水深為1.7m。為了使冷凍水出水與冷卻水回水在保冷水箱中充分混合，采取以下兩種措施：

(1)冷凍水出水與冷卻水回水從水箱一端進(jìn)入，冷凍水回水與冷卻水供水從水箱另一端流出。

(2)根據(jù)水箱長(zhǎng)度，在水箱中設(shè)置三根薄壁肋，詳見(jiàn)圖1，以使兩路水進(jìn)行較為充分的混合。

圖1　保冷水箱布置

2.3低溫冷卻水系統(tǒng)配水管網(wǎng)

本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)設(shè)備出水分為兩類(lèi)：一類(lèi)為有壓回水，回水壓力0.40～0.45MPa，水量大約為14m3；另一類(lèi)為重力回水，回水壓力小于0.10MPa，水量約為4m3。

在本建筑的北側(cè)有一既有單層建筑，與本建筑距離不大于5m，長(zhǎng)14.8m，寬6m，高4.65m。帶局部地下室，地下室范圍長(zhǎng)5.5m，寬6m。經(jīng)與業(yè)主溝通協(xié)調(diào)，這一既有建筑可改造為本項(xiàng)目的水泵房。

結(jié)合現(xiàn)有水泵房的實(shí)際情況，本項(xiàng)目末端配水管網(wǎng)分為兩部分，有壓回水直接回至保冷水箱(位于水泵房地面)，重力回水回至地下中轉(zhuǎn)水箱(位于水泵房地下室部分)，再由中轉(zhuǎn)水泵提升送至保冷水箱，風(fēng)冷冷水機(jī)組置于水泵房東側(cè)的室外地面，具體設(shè)備布置詳見(jiàn)圖2。

圖2　水泵房設(shè)備平面布置

2.4材質(zhì)及保溫

為保證低溫冷卻水的水質(zhì)，本次設(shè)計(jì)所有供回水管道、水箱、水泵、閥門(mén)閥件均采用304不銹鋼材質(zhì)，并在冷卻水循環(huán)泵后設(shè)置不銹鋼全程水處理器。

所有循環(huán)水管道均采用難燃B1級(jí)橡塑NBR/PVC發(fā)泡管進(jìn)行保溫，室外管道保溫層厚度為50mm，室內(nèi)管道保溫層厚度為20mm。發(fā)泡管外側(cè)設(shè)PAP鋁箔保護(hù)殼。中轉(zhuǎn)水箱及保冷水箱外設(shè)60mm厚橡塑海綿夾層進(jìn)行保溫。

2.5系統(tǒng)控制

系統(tǒng)原理圖詳見(jiàn)圖3。

圖3　低溫冷卻水系統(tǒng)原理

冷凍水系統(tǒng)的啟動(dòng)順序?yàn)椋弘妱?dòng)閥開(kāi)啟(輪換機(jī)組進(jìn)水方向電動(dòng)閥關(guān)閉)→冷凍水泵啟動(dòng)→冷水機(jī)組啟動(dòng)。

冷凍水系統(tǒng)停機(jī)順序?yàn)椋豪渌畽C(jī)組停機(jī)→冷凍水泵停機(jī)→冷水機(jī)組電動(dòng)閥關(guān)閉。

不銹鋼保冷水箱補(bǔ)水由水箱內(nèi)設(shè)置的液位感應(yīng)裝置測(cè)得液位數(shù)據(jù)，經(jīng)控制中心分析后，控制電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水動(dòng)作。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求的循環(huán)冷卻水供水溫度范圍在20℃～25℃之間，為了使冷水機(jī)組運(yùn)行期間更加節(jié)能，在冷卻水供水管上(位于冷卻水泵后)設(shè)置溫度探測(cè)器，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥進(jìn)行啟閉控制。當(dāng)測(cè)得溫度低于21℃時(shí)，電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥旁通側(cè)全開(kāi)，水箱側(cè)全關(guān)，冷水機(jī)組進(jìn)水方向電動(dòng)閥全關(guān)；當(dāng)溫度上升至21℃時(shí)，電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥旁通側(cè)開(kāi)始關(guān)閉，水箱側(cè)開(kāi)始開(kāi)啟，冷水機(jī)組進(jìn)水方向電動(dòng)閥開(kāi)啟，冷水機(jī)組進(jìn)入低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)溫度上升至24℃時(shí)，電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥旁通側(cè)完全關(guān)閉，水箱側(cè)完全開(kāi)啟，冷水機(jī)組進(jìn)水方向電動(dòng)閥開(kāi)啟，冷水機(jī)組進(jìn)入全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

冷水機(jī)組為兩臺(tái)，互為備用。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，位于冷水機(jī)組進(jìn)水方向上的電動(dòng)閥配合冷水機(jī)組輪換開(kāi)啟；系統(tǒng)停止時(shí)，電動(dòng)閥全部關(guān)閉，冷水機(jī)組停機(jī)。

3結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)設(shè)計(jì)后期回訪(fǎng)，截至目前，本系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)基本正常，使用方提出目前循環(huán)水電導(dǎo)率指標(biāo)略高于設(shè)計(jì)指標(biāo)。經(jīng)分析排查，主要原因?yàn)椴少?gòu)水泵和閥門(mén)等設(shè)備時(shí)未按照設(shè)計(jì)要求全部采用304不銹鋼材質(zhì)。

建議：應(yīng)高度重視設(shè)備采購(gòu)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制設(shè)備質(zhì)量以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而保證系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后仍能維持原設(shè)計(jì)指標(biāo)。

本文結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況以及之前運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)提出了改造方案，并詳細(xì)介紹了低溫冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)今后設(shè)計(jì)人員在低溫冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上有較好的借鑒作用。

[作者簡(jiǎn)介]熊朝軍(1981～)，男，本科，工程師，從事給排水設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU821.6

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-01-28