能源站中給排水循環冷卻水系統設計思考

方婷婷

（華東建筑設計研究院有限公司華東建筑設計研究總院，上海 200002）

1 引言

為了建設低碳、節能的綠色建筑，建設項目綜合利用能源成為一種趨勢[1]。大型能源站根據服務區域的功能定位及項目所在地的可用資源條件，綜合考慮能源方案，從而提高資源利用率，提高能源經濟效益。常見的能源方案為冷熱電三聯供，涉及的設備主要有燃氣發電機、直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組等。循環冷卻水系統的作用是在設備內進行換熱，帶走設備及制冷劑的熱量。

2 能源站循環冷卻水系統特點

1）系統水量大

由于能源站設備需服務地塊面積較大，因此，三聯供設備機組負荷高，從而循環水系統的水量相比于普通的單體建筑循環水量要大許多，單組冷卻塔的循環水量通常為500～1 000 m3/h，需多臺冷卻塔機組并聯運行。

2）運行工況復雜

由于制冷機組的運行模式多，循環冷卻水系統的運行也需要與之相匹配，因此，存在多種無級調節的運行工況。

3）噪聲限制

能源站可為獨立建筑也可能依附于公共建筑。能源站的選址多樣化，其周圍可能存在對噪聲較為敏感的建筑或能源站建筑本身對噪聲需要控制。

3 能源站循環冷卻水系統結構

能源站中不同制冷設備運行工況不同，按制冷設備分為不同循環冷卻水系統，可簡化對冷卻水系統的控制，同系統間的水量平衡較容易實現。同時，由于能源站建筑高度通常較低，三聯供設備及冷卻水塔出水點間高差較小，為保證制冷設備的進水壓力，宜采用水泵前置式。干管制循環冷卻水系統具有管路系統簡單、冷卻塔使用率高、單臺設備檢修時不影響系統的正常運行、系統靈活度高等優點。

4 已建成能源站運行中發現的系統問題

通過對多家已建成的大型能源站進行調研，在運行過程中站內的循環冷卻水系統主要存在以下問題。

4.1 冬季運行問題

冬季時，能源站主要負責給服務地塊提供熱源，部分設備（如離心式制冷機組）需間歇地運用冷卻水進行換熱。冬季環境溫度較低，冷卻水管道內的冷卻水初溫較低，設備無法正常運行，因此，設計時應考慮冷卻水系統低流量旁通管，管徑與單臺冷卻塔進水管管徑相同，冬季運行初期，用循環冷卻水進行低流量旁通，待冷卻水溫度升高至設計溫度時，啟動冷卻水塔進行循環。低流量旁通分為2 種形式：供水主管旁通及冷卻水塔集水盤旁通。

除此之外，在冬季結冰地區，對于冬季需間歇運行的循環冷卻水系統，應考慮冷卻水塔集水池、水盤的保溫、電加熱措施及室外露天循環冷卻水管道的保溫措施，以防集水池、水盤及管道結冰甚至凍裂，從而影響冷卻塔正常運作。

4.2 水質問題

開式循環冷卻水系統在運行過程中，由于水溫較高，循環水濃縮，從而使水中碳酸鈣、硫酸鈣等結晶水垢增多；水與空氣直接接觸使水中藻類及細菌繁殖，同時，空氣中灰塵、昆蟲、樹葉等進入系統，使循環冷卻水水質變差、水中污垢增多，因此，在運行中出現存在需要頻繁清洗設備前端過濾器的困擾。

能源站循環冷卻水系統水量大，設計時應參照GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》[2]，采取以下措施：（1）集水盤或集水池出水口設置濾網，攔截水盤或水池內沉淀的污垢；（2）設置旁濾，將1%～5%的循環冷卻水進行旁濾；（3）設置水質檢測儀，自動投加化學藥劑，如緩蝕阻垢劑、濃硫酸、氧化性殺菌劑及非氧化性殺菌劑等；（4）定期排污，條件允許時設置自動排污閥，由水質監測電導率值連鎖控制啟閉。根據GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》[3]，循環冷卻水系統排水應排入室外污水管道。

5 設計要點

5.1 循環水量確定

能源站項目中，循環冷卻水的水量需結合三聯供設備運行負荷及運行工況進行計算。

5.1.1 循環冷卻水換熱流程

三聯供系統（燃氣發電機、直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組）冷卻水換熱流程如圖1 所示。

圖1 三聯供系統冷卻水換熱流程

在三聯供系統中，燃氣發電機有高溫煙氣及缸套水2 種余熱資源，當溴化鋰機組暫停運行而燃氣發電機仍需保持運行的狀態下，廢氣排放至大氣中，缸套水需采用冷卻水進行冷卻換熱，因此，在計算循環冷卻水流量時，需對應急冷卻水量進行校核。

5.1.2 循環冷卻水量計算

循環冷卻水水量基于耗熱量公式進行計算：

板式換熱器：

式中，qh為循環冷卻水量，m3/h；Ql為制冷量，通常用冷噸（RT）或功率（kW）來表示；COP 為能效比，制冷量與制冷所消耗電功率的比值，無量綱；Qh為耗熱量，循環冷卻水帶走的熱量，kJ/h；tr、tl為制冷設備冷卻水進出水溫度，℃；k 為板式換熱器效率，無量綱；C 為水的比熱，4.187 kJ/（kg·℃）；ρr為制冷設備冷卻水出水密度，kg/L。

5.1.3 循環冷卻水補水量及排放水量計算

參照GB/T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》，間冷開式循環水系統補水量及排污水量主要有以下計算公式：

式中，Δt 為冷卻水塔進出水溫差，℃；K 為氣溫系數，1/℃；pw為風吹損失水率，機械通風冷卻塔取0.05%～0.10%；N 為濃縮倍數，循環冷卻水與補充水含鹽量比值，設計值≥3，無量綱；Qe為冷卻塔蒸發水量，m3/h；Qw為風吹損失水量，m3/h；Qb為排污水量，m3/h。

新鮮水補水量為冷卻塔蒸發水量、風吹損失水量及排污水量之和。由此可知，為提高循環水系統的水利用率，減少新鮮水使用量及污水排放量，濃縮倍數極為關鍵。而濃縮倍數與新鮮水補水水質有關。以上海某項目為例，在使用水處理劑時，濃縮倍數可控制在4～7，當濃縮倍數＞8 時，節水效果不明顯，并且循環水水質惡化將影響制冷設備正常運行。

5.2 循環水控制系統

為與制冷設備運行工況更好地匹配，循環冷卻水系統中的循環水泵及冷卻水塔宜采用變頻控制，并在循環水供回水總管上設置壓力表、溫度表。

冷卻水塔風速變頻由冷卻水出水總管溫度表連鎖控制，出水總管水溫低時，風機低速運行，反之風機高速運行；循環水泵流量變頻由冷卻水塔回水總管溫度連鎖控制，回水總管水溫低時，采用低流速運行，反之高流速運行。同時，低流量旁通管調節閥，可根據制冷機冷卻水進出總管的壓差值調節開啟度，當壓差較低時，加大旁通閥開啟度，增加旁通流量，提高制冷機冷卻水進水溫度，反之減小旁通閥開啟度。

經研究表明，冷卻塔冷量與風機轉速成正比，風機能耗與轉速比的立方成正比。不同運行工況，能耗對比見表1（以4 臺同型號冷卻塔并聯為例）。

表1 4 臺并聯冷卻塔不同工況能耗對比

因此，當低流量循環時，冷卻水平均分配至冷卻塔中進行冷卻，以滿足節能降耗的綠色要求。

5.3 設備及管道設置

5.3.1 連通管設置

能源站循環冷卻水系統冷卻塔通常多臺并聯運行，但由于受項目場地限制，難以設置集水池，應在集水盤間增設連通管，防止水盤被抽空或水盤溢流。連通管管徑需考慮在淋水時間內，滿足單臺冷卻塔從配水管至集水盤淋水時間內的循環水量與集水盤容積之間的差值，連通管總管管徑宜按并聯冷卻塔臺數加權計算。

5.3.2 集水盤深度設置

當冷卻塔及循環水泵位于同一層時，為避免氣蝕的發生，冷卻水塔盡可能采用集水池集水，當確有困難無法設置時，需考慮集水盤的有效水深及水泵吸水管的布置方式。

集水盤有效水深需按GB 50265—2010《泵站設計規范》中對離心泵進水管在吸水池中的布置要求進行校核，當標準集水盤深度不滿足要求時，可要求設備供應商按要求加深集水盤，同時，可采用抬高冷卻塔基礎的方式避免氣蝕[4]。

5.3.3 冷卻塔回水總管設置

為保證同系統多臺冷卻塔進水量均勻，冷卻塔進水總管盡可能采用環狀布置，當不能滿足時，可采用在冷卻塔進水管上安裝靜態流量平衡閥的方法加以彌補。

5.3.4 降噪設置

為降低循環冷卻水系統的運行噪聲，采用低噪聲型冷卻塔。冷卻塔及循環水泵基礎應考慮采用減震器，管道與設備連接處設置軟接頭。必要時，在冷卻塔周圍設置消聲器，設計時，需考慮消聲器通風量及流阻與冷卻塔進出風條件相匹配。

6 結語

大型能源站中的循環冷卻水系統具有流量大、運行復雜、系統種類多的特點，本文通過對已建成能源站進行調研，發現運行中的問題。結合項目，從循環冷卻水換熱流程出發，總結了設計水量、系統控制、冷卻水系統設備及管道布置要點，確保系統安全、經濟、綠色、節能。