強磁場中心冷源系統節能改造設計

高 峰，黃世山，何官送

(安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

穩態強磁場中心冷卻系統主要用于冷卻水冷磁體消耗電能后而產生的熱量。水冷磁體的運行離不開大功率高穩定度電源、大功率去離子水冷卻系統以及中央控制系統的支撐[1]。冷卻系統主要用于帶走水冷磁體消耗大量電能而產生的熱量，由去離子水制備與循環系統、制冷與冷卻循環系統以及水冷控制系統三部分構成[2]，原理如圖1所示。

圖1 中心原冷卻系統設計原理圖

項目原有2臺蓄冷冷水機組，冷量分別為4 388 kW、3 989 kW，2臺機組串聯使用，制備6 ℃低溫水，設計供回水溫度分別為26 ℃/15.5 ℃、15.5 ℃/6 ℃。項目原有蓄冷水罐2座，容量為3 400 m3，并聯使用。并配置有相應的蓄放冷水泵、放冷板換等設備。

原蓄冷冷水機組僅能滿足一座蓄冷罐的蓄冷需要，無法保障水冷磁體的實驗時間要求。因此對去離子水冷卻系統進行升級改造，提高蓄冷量，延長水冷磁體實驗時間；同時提高能源利用效率，提升系統能效。

2 設計選型

2.1 制冷主機

原設計2臺主機串聯制備低溫冷凍水流量約為345 m3/h，設計新增冷凍水機組與原有2臺冷水機組并聯將顯著提升制備的冷凍水量。

實際運行中蓄冷進水溫度在一般情況下并未達到26℃，結合多種運行工況下的綜合效能分析，并滿足系統常態的制冷需求，選取新增主機和閉式冷卻塔聯合供冷，冷水機組制冷量：5 016 k～，選型工況供回水溫度為6 ℃/18 ℃，保證系統出水溫度為6 ℃；與冷水機組對應配置開式橫流冷卻塔。

2.2 輸配水泵

原放冷水泵并聯運行后流量損失較大，此次改造進行了現場系統壓力的實測，得出不同工況下的系統壓力數值，并結合水泵性能曲線[3]，更換放冷水泵，使其并聯流量達到1 300 m3/h。根據計算結果更換3臺放冷泵，流量為500 m3/h，揚程40 m。

冷凍水采用一次泵定流量系統，由于現場情況限制，冷凍水系統無法做到一一對應，為平衡新增系統和原有系統，通過增加平衡閥使新舊系統阻力接近。冷卻水泵采用定流量，制冷主機和冷卻泵采用一對一的連接方式。

2.3 冷卻塔

合肥市全年濕球溫度低于12 ℃共178 d，低于0 ℃共54 d，在冬季及過渡季低溫情況下采用閉式冷卻塔代替上游冷水機組，其節能效益非常顯著[4]。閉式冷卻塔選型主要考慮以下因素：安裝空間限制、不同工況下的運行要求、供回水溫度及濕球溫度與冷卻塔出水溫度差的選取[5]。

閉式冷卻塔作為冷水機組的上游或冷水機組的下游，處理水量360 m3/h。綜合多個設計工況的要求：進出水溫度26 ℃/18 ℃、濕球溫度為12 ℃，進出水溫度23.5 ℃/15 ℃、濕球溫度為8 ℃。選型滿足不同工況下的運行要求，最大限度提升主機能效，并提供較好的保障性。

3 改造方案

3.1 設計方案

本次設計增設一套冷機系統與原蓄冷冷機并聯運行，并增設閉式冷卻塔系統與新增冷機串聯運行；對原放冷水泵進行更換，使其并聯流量達到1 300 m3/h。系統流程圖如圖2所示。

圖2 改造后的冷卻系統設計原理圖

3.2 運行方案

現有系統運行中僅投入運行了一個蓄冷水罐，主機增加后可啟用另一蓄冷罐。系統根據第二天的實驗需求，既可以逐個蓄冷，亦可同時蓄冷。原有蓄冷機組與新增閉式冷卻塔及冷水機組為并聯關系，兩者可同時或分別供冷。鑒于現有系統設有閉式冷卻塔且為新增系統，應優先使用。新增閉式冷卻塔及冷水機組系統可提供冷卻塔上游、冷卻塔下游、制冷主機單獨蓄冷三種運行方式。

(1)制冷主機單獨蓄冷的適應工況為：室外濕球溫度>(蓄冷水池溫度-6℃)，蓄冷水池溫度低于17℃。開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V14、V13。

(2)制冷主機下游的適應工況為：蓄冷水池溫度>(室外濕球溫度+5℃)，開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V10、V11、V13。

(3)制冷主機上游的適應工況為：室外濕球溫度<0℃，開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V12、V14、V15。

3.3 冬季防凍

在冬季蓄冷和供冷停止運行時，室外溫度低于3℃，閉式冷塔、冷卻水輸配系統有凍傷風險；開式冷卻塔冬季使用時，存在積水盤防凍和升溫的要求。

(1)冬季蓄冷和供冷停止運行時，當室外溫度低于3℃時，開啟蓄冷側防凍循環泵，循環蓄冷罐內冷水，達到防凍目的，開啟閥門V1、V2、V3、V5、V6、V7、V10、V12，防凍泵1。

(2)冬季蓄冷停止、供冷運行時，當室外溫度低于3℃時，開啟二次側防凍循環泵，旁流部分二次側回水循環至閉式冷卻塔，達到防凍目的，開啟閥門V2、V3、V6、V7、V16、V17，防凍泵2。同時，此時控制方式適用于利用自然冷源對二次水進行再冷卻過程，使用免費冷源，可降低系統運行能耗。

(3)室外冷卻水管和冷凍水管均設保溫；閉式冷卻塔水盤設置6×3 kW電加熱裝置，當室外溫度低于2℃時開啟，高于5℃時關閉。

(4)開式冷卻塔水盤設置10×6 kW電加熱裝置，當室外溫度低于2 ℃時開啟，高于5 ℃時關閉，冬季冷水機組開啟前將水溫加熱至20 ℃。在進一步的改造中，計劃將冷卻塔積水盤設置于室內保溫水箱，可有效縮短加熱時間，減少加熱耗電量，進一步提升系統能效。

4 結束語

穩態強磁場中心冷卻系統作為全年運行的冷卻系統，應充分利用過渡季、冬季室外天然冷源，優化運行方案，降低全年能耗。系統改造中，通過現場測試和運行情況調研，力求與原有系統有效互補，并最大限度體現新增系統的節能優勢。目前，系統改造已安裝完畢，已進入聯合調試階段。