某汽車工廠涂裝車間冷凍水系統設計

趙蘇雷，李昌斌，張志豪，馮志明，牛志杰

1.中國汽車工業工程有限公司，天津 300000

2.重慶市設計院有限公司，重慶 400000

3.高青縣建筑設計院，山東 淄博 255000

據資料統計，汽車工廠內涂裝車間能耗約占整車制造總能耗的67%，其中涂裝車間制冷能耗約占涂裝車間總能耗的63%。因此，如何合理設計冷凍水系統，既保證車間的生產運行，又減少能耗，顯得尤為重要。文章以某汽車工廠涂裝車間為例，簡要分析冷凍水系統設計的方案及技術要點。

1 項目概況及工藝用冷需求

某涂裝車間位于陜西西安，具體工藝設備冷凍水耗量及需求如下：新風空調3688kW、循環風空調1058kW、閃干設備1856kW、強冷空調900kW、潔凈間空調1765kW、調漆間空調657kW、工作區空調642kW、車間空調506kW、工作區空調760kW、電泳設備850kW、輸調漆溫控設備116kW。

其中，所有循環風空調及閃干設備要求全年供冷，電泳設備、輸調漆溫控設備要求全年24h不間斷供冷，其余設備均只需夏季供冷。冷凍水要求溫度為7～12℃。

2 制冷站站房及設備選型

涂裝車間制冷站站房位置受工藝布局及車間管理要求的影響，大致可分為以下兩種情況：（1）生產輔房內的制冷站房提供涂裝車間全部所需的冷凍水，此時因制冷機數量多，站房所需的建筑面積較大，車間冷凍水管由站房直接接出，減少了輸送能耗，車間可依據實際生產情況直接調控站房內的設備，便于管理協調；（2）生產輔房內的制冷站僅提供車間所需的部分冷凍水能耗，此時由于制冷機數量較少，所需生產輔房內建筑面積較小，但是需要車間和綜合站房協調管理，管理復雜，同時整體上增加了輸送能耗。該涂裝車間制冷站房屬于前者。

制冷站設備的選擇應綜合考慮涂裝車間設備冷負荷的特性、站房的位置及尺寸，主要包含以下幾點：（1）電泳換熱設備及輸調漆溫控設備因工藝特性，對冷凍水溫度的要求并不是十分嚴格，一般冷凍水供水溫度可以波動到16℃，且其在車間不生產期間的冷負荷僅約為滿負荷生產時的20%；（2）車間位置在陜西西安，冬季可利用板式換熱器及冷卻塔免費制冷，減少能耗；（3）輸調漆空調需要夏季24h供冷，電泳換熱設備及輸調漆溫控設備有全年24h的冷凍水需求，需要考慮備用設備及根據制冷設備的配電參數配置相應的應急發電設備；（4）為了保障生產，制冷系統設備需要較高的可靠性；（5）夏季冷負荷根據室外空氣參數的變化而變化，為了減少能耗、節約能源，制冷系統設備的啟停應靈活可調。

綜合上述要點，主要設備最終選型結果如下：（1）離心式冷水機組CH-1～CH-3，制冷量為3516kW，3臺；（2）水冷螺桿式冷水機組CH-4～CH-5，制冷量為1041kW，2臺；（3）離心機配套的冷凍水泵A-1～A-4，流量為664m3/h，揚程為38m，4臺（3用1備）；（4）離心機配套的冷卻水泵B-1～B-4，流量為725m3/h，揚程為25m，4臺（3用1備）；（5）離心機配套的方形逆流式冷卻塔T-1～T-3，冷卻水量為900m3/h；（6）螺桿機配套的冷凍水泵A-5～A-7，流量為196m3/h，揚程為38m，3臺（2用1備）；（7）螺桿機配套的冷卻水泵B-5～B-7，流量為225m3/h，揚程為25m，3臺（2用1備）；（8）螺桿機配套的方形逆流式冷卻塔T-4～T-5，冷卻水量為300m3/h；（9）板式換熱器BH-1，換熱量為1100kW，1臺。

制冷機組、水泵、冷卻塔采用一一對應的形式，運行穩定、控制簡單。其中，CH-5螺桿機及板式換熱器BH-1和對應的水泵A-7、B-7，冷卻塔T-5組成一套獨立系統XT-1，負責供應電泳換熱設備及輸調漆溫控換熱設備。這里的制冷機、水泵、冷卻塔均需要設置雙電源，冷卻塔集水盤需設置電加熱系統。

離心機CH-1～CH-3及螺桿機CH-4和對應的水泵A-1～A-5、B-1～B-5（A-4，B-4為離心機備用泵），冷卻塔T-1～T-4組成一套系統XT-2，負責供應工藝空調夏季冷凍水、循環風空調全年冷凍水、閃干設備等的全年冷凍水及輸調漆空調夏季24h的冷凍水。該系統和前文所述螺桿機CH-5所在的系統XT-1冷凍水供回水主管道之間分別設管道連接，采用電動蝶閥隔斷。備用泵A-6、B-6設置雙電源，電量分別與泵A-7、B-7共用，不額外增加應急發電機負擔。冷卻塔T-3～T-4集水盤需要設置電加熱系統。

冷凍水系統定壓采用自動定壓設備，定壓設備配蓄水箱；系統內冷凍水采用軟化水，開式冷卻水系統設自動加藥設備。

如此選型及設計的原因如下。（1）在室外濕球溫度低于10℃左右時，即可僅使用冷卻塔T-5將冷卻水降溫后通過板式換熱器BH-1和冷凍水進行換熱，達到制冷目的，從而減少制冷機能耗，節約能源。（2）在車間停產時，僅有電泳換熱設備，輸調漆溫控換熱設備需要冷凍水，由于工藝特性，此時冷負荷可能降低到滿負荷生產時的20%左右，即200kW左右。因為離心式冷水機組在負載較低（約15%以下）時會發生喘振，嚴重危害到機組使用，所以根據冷負荷合理的選擇螺桿式冷水機組，同時結合夏季滿足緊急情況下（如廠區停電）輸調漆空調的24h運行，最終選擇螺桿機的制冷量為1041kW。（3）選擇2臺同型號螺桿機CH-4、CH-5，既可在正常工況下互為備用，滿足低冷負荷下制冷機運行需求，也可作為自動控制增減制冷機組時的調節手段，使制冷機組的總制冷量可以以1000kW左右階梯式遞增或遞減，達到減少能耗、節約能源的目的。（4）綜合考慮涂裝車間生產輔房內制冷站房的建筑布局特點、離心式冷水機組在低冷負荷時的喘振問題及站房內管道布置空間，選擇3臺同型號離心式冷水機組CH-1～CH-3，其中任意一臺冷水機組的制冷量又與循環風空調、閃干設備等的全年用冷負荷接近，在實際運行時可實現交替運行，平衡制冷機組及其配套設備的使用時間，延長設備使用壽命。（5）冬季采用板式換熱器時，系統XT-1與系統XT-2之間電動蝶閥關閉，2個系統各自獨立運行，系統XT-1內冷凍水供水溫度隨室外氣溫變化，系統XT-2內冷凍水供回水溫度為工藝要求的7℃～12℃；采用螺桿機CH-5運行時，系統XT-1與系統XT-2之間電動蝶閥打開，2個系統合并運行，制冷機組CH-1～CH-5采用集成化自動控制，根據實時冷負荷自動控制制冷機組及其配套設備的運行臺數，達到減少能耗、節約能源的目的。（6）螺桿機CH-5及其對應的配套設備設置雙電源是為了保證輸調漆空調夏季24h運行及電泳換熱設備，輸調漆溫控設備全年24h的穩定運行。（7）冷水機組運行時要求冷卻水進水溫度一般不低于20℃，因此為了滿足冷水機組在冬季的正常運行，需要在冷卻塔集水盤設置電加熱設備，保證冷水機組的正常運行和冷卻塔不運行時的防凍，在冬季，僅冷卻塔T-3～T-5可能運行。（8）涂裝車間最高處一般設有單獨的空調平臺層，因為工藝布局因素，空調平臺層附近的生產輔房被輸調漆間等工藝房間占用，制冷站房所處的位置層高較低，導致冷凍水系統定壓采用膨脹水箱定壓十分困難，所以采用全自動定壓設備，配蓄水箱是為了防止車間停水時自動定壓設備無法正常使用。（9）水系統采用軟化水可緩解制冷機組、末端盤管及換熱器設備因結垢導致的換熱效率下降、能耗增加等問題。

3 水系統管道布置要點

第一，由于空調末端冷凍水閥組采用電動二通閥控制，在前述系統XT-2的冷凍水供回水主管上應設置壓差旁通裝置，壓差旁通采用電動二通閥及壓差變送器結合PLC自動控制。系統XT-1單獨運行時，前處理電泳換熱設備，輸調漆溫控換熱設備處采用的是電動三通閥，屬于定流量系統，可不設壓差旁通裝置。

第二，由于冷凍水系統管徑較大，應合理地將部分自動排氣閥改成集氣罐的形式，并在便于操作的位置設手動排氣閥，提高排氣效率，便于系統調試。

第三，多數全自動定壓設備要求設備的供水具備一定的壓力（約0.13MPa），因此蓄水箱至定壓設備的管路上應增設1臺小型增壓泵，滿足全自動定壓設備的正常使用需要。

第四，因為西安冬季室外氣溫較低，所以屋面冷卻塔采用浮球閥自動補水，其補水管應設電伴熱保溫，防止室外管道因低溫凍裂，冬季不使用的冷卻塔放空時其補水管應可單獨放空。

第五，用于冷卻塔集水盤電加熱控制的溫度傳感器探測位置應遠離集水盤加熱器，避免測量不準確，加熱器無法正常工作。

4 結束語

雖然汽車工廠涂裝車間的工藝布局隨著工藝設計的變化而變化，但是其冷負荷的特性卻大同小異。文章結合某工廠個例，簡要討論分析其冷凍水系統制冷站及水系統管道布置的部分設計點，為汽車工廠涂裝車間的冷凍水系統設計提供了參考。