區域供冷外融冰開式系統的冷水水力工況分析

香港華藝設計顧問(深圳)有限公司 高 龍 王 笙 李雪松 蔡健銘深圳市前海能源科技發展有限公司 王朝暉 胡 勣

0 引言

在冰蓄冷系統中，外融冰系統具有放冷速度快、換熱效果好、出水溫度低、融冰能耗少等優點，適合低溫冷水的長距離輸送，因此在大型區域供冷系統中得到廣泛應用。一般采用主機上游串聯的系統形式，即外網回水先經過上游主機降溫，再經過下游冰池后獲得較低的供水溫度[1-4]。

圖1為典型外融冰閉式系統原理圖[5]，為了便于分析冷水水力工況，圖中省略了水-乙二醇板式換熱器一次側雙工況主機及相應管路和閥門。采用此種系統形式的工程案例有深圳市前海合作區區域集中供冷項目2號供冷站、4號供冷站，廣州大學城區域供冷項目[6]，三亞市亞龍灣區域供冷項目[5]，重慶市江北城中央商務區區域供冷項目[7]等。這些項目外網冷水系統為閉式系統，控制相對簡單，但是需要設置冰池的融冰板式換熱器和融冰泵，設備占地面積、初投資和運行能耗相對較高。

1.用戶側板式換熱器；2.平衡管；3一級泵；4.雙工況主機水-乙二醇板式換熱器(以下簡稱雙工況板式換熱器)；5.基載主機；6電動調節閥；7.融冰板式換熱器；8.二級泵(外網循環水泵)；9.冰池；10.冰池融冰泵；11.定壓補水裝置。圖1 外融冰閉式冷水系統示意圖

典型外融冰開式系統如圖2所示[8]，采用這種系統形式的工程有北京市中關村區域供冷項目[8]、深圳市留仙洞戰略性新興產業總部基地區域集中供冷項目、深圳市前海合作區區域集中供冷項目3號供冷站等。開式系統冷水經上游主機降溫后進入冰池，通過外網循環水泵從冰池抽水輸送至用戶側，不存在融冰板式換熱器的換熱，冷水的供水溫度更低，設備初投資、占地面積、系統運行能耗相對閉式系統均有所減少，但是冰池液面低于管網最高點，管網有可能出現負壓，控制相對復雜。

1.用戶側板式換熱器；2.平衡管；3.一級泵；4.雙工況板式換熱器；5.基載主機；6.電動調節閥；7.冰池；8.二級泵(外網循環水泵)。圖2 外融冰開式冷水系統示意圖

相關學者研究認為，開式系統可提供1.1 ℃的低溫冷水[8]，實現大溫差供冷；在冰池出口設置電動閥并在停泵時快速關閉，可防止系統停止運行時發生倒灌[9]；在設計合理的情況下，設有鼓氣泵的外融冰系統不會產生氣塞問題，外融冰系統應采取可靠的技術手段防止水系統倒空與冰槽水溢流[6]。但對于開式系統外網與冰池液面之間存在的高差，以及由于高差可能導致的系統部分管路負壓運行的問題鮮有研究。本文針對外融冰開式系統可能存在的負壓問題，著重分析其水力工況，分析產生負壓的原因和負壓出現的位置，并結合水力計算給出維持系統正壓運行的方法。

1 主機上游串聯的外融冰開式系統冷水水力工況分析

1.1 系統壓力最低點的確定

主機上游串聯的外融冰開式二級泵系統示意圖見圖3。圖3中H0表示冰池液面與管網最低點的高差，在實際工程中，外融冰池一般設置在建筑的地下室，因此與管網系統的最高點之間存在一定的高差，此高差用H1表示，H表示管網最高點與最低點的高差。系統運行時，上游雙工況板式換熱器和基載主機的阻力由一級泵克服，一級泵根據不同工況的運行策略調節雙工況板式換熱器和基載主機的流量。一、二級泵之間設置平衡管，下游進入冰池的水流量和旁通的流量由閥門V1和V2控制，保證混水后的溫度。為方便水力分析，針對圖3給出以下假定：1) 平衡管內無流量；2) 圖3中點2、3及用戶板式換熱器等站外各點均與外網在同一高度；3) 圖3中點4、4′、5′、5、6、7、7′、8、1站內各點均與供冷站在同一高度。

圖3 外融冰開式二級泵系統簡化圖

用hi表示點i的管道靜壓，分析1～8點靜壓。從外網水泵出口點1到外網回水進入制冷站前的最高點3，存在如下關系：h1>h2>h2′>h3′>h3。點3位置高于點4，且管道內流速較低，因此h4>h3。由于平衡管內無流量，雙工況板式換熱器和基載主機的阻力由一級泵克服，故h4=h5。點5后冷水經過調節閥V1進入冰池。點5～8管道內靜壓的關系為：h5>h6>h7>h8，其中點7、8管道都與冰池連通，考慮進出水布水器的阻力，因此有h7>h8，而冰池出水管一般位于冰池液面之下，所以h8>0，故點4～8管道內均為正壓。

綜上所述，各點靜壓根據大小順序為：h1>h2>h2′>h3′>h3h6>h7>h8>0。如果系統有負壓點，則點3會最先出現負壓。故對于整個系統來說，只要保證h3>0(一般保證0.5 m左右)，則整個系統均會在正壓工況下運行。因此需要推導出h3與高差H1、水泵揚程及管網阻力之間的關系，判斷h3形成負壓的條件及應采取的避免產生負壓的措施。

1.2 外融冰開式系統維持系統正壓的判斷

圖3中外網水泵揚程等于管道的沿程和局部阻力之和，即

h=h12+h23+h34+h45+h56+h78+hV1

(1)

式中h為外網水泵揚程；hij為點i～j的沿程阻力和局部阻力之和；hV1為調節閥V1的阻力，即h67。

由于平衡管內無流量，故可認為h45=0。考慮到系統的高差，從水泵出口點1到點3列伯努利方程為

式中 v為管道內流速；g為自由落體加速度；本節后文敘述中H、H0、H1均表示由高差產生的位能，即位置水頭。

化簡式(2)得到

h3=H0+h-H-h12-h23

(3)

由圖3可知，H=H0+H1，將式(1)代入式(3)可得

h3=h34+h56+h78+hV1-H1

(4)

化簡式(4)，得

h3=hV1+ha-H1

(5)

式中 ha為點3～8之間管路的沿程阻力加上除調節閥V1之外的其他局部阻力之和。

要維持管網正壓運行需要滿足的條件為

h3=hV1+ha-H1>0

(6)

當閥門V1全開時，式(6)成立與否受H1的影響，因此需要分工況討論。

1) 當閥門V1全開、并且在最不利工況下仍可以滿足H10，故整個系統無負壓風險，閥門V1和V2僅用作流量的分配與調節。將式(1)進行化簡，則此時外網水泵的揚程為

h=h12+h23+ha+hV1

(7)

2) 當閥門V1全開、并且在最不利工況下H1>hV1+ha時，必然會導致h3<0，此時系統會出現負壓，應調節閥門V1，增大其阻力值，閥門V1的阻力應滿足

hV1>H1-ha

(8)

將式(5)代入式(7)，得到水泵揚程h與冰池液面和管網最高點之間高差H1的關系：

h=h12+h23+h3+H1

(9)

也就是在h3>0時，水泵的揚程需滿足的條件為

h>h12+h23+H1

(10)

即水泵揚程除了克服點1～3之間管段的局部阻力和沿程阻力外，還要克服冰池液面與管網最高點的高差引起的位置水頭。

通過上述分析發現，為避免系統產生負壓，可以減小冰池液面與管網最高點的高差，如果由于建筑場地等因素無法減小，則需要調節閥門V1的阻力，即閥門V1根據系統最小壓力點的壓力進行調節，維持系統正壓運行，此時閥門V2的作用是調節旁通流量，保證混水后水溫達到設計值。當夜間工況冰池不工作時，關閉閥門V1，用閥門V2保證系統的正壓工況，用水泵調節系統的流量。

1.3 調節閥門V2阻力計算及選型

當用閥門V2調節流量時，閥門阻力的計算方法如下。對于圖3中V1和V2 2個并聯支路，分別列點6～8的伯努利方程。

對于V1支路有

式中 v1為閥門V1支路的流速；ζ1為V1支路點6～8之間管路的阻力系數；ρ為水的密度；H6、H8分別為點6及點8的位置水頭。

對于V2支路有

式中 v2為閥門V2支路的流速；ζ2為V2支路點6～8之間管路的阻力系數。

聯立式(11)、(12)可得閥門V2的阻力：

對于包含閥門V1、V2的2個支路來說，由于管道內冷水流速均較小，且管路較短，阻力系數相差亦不大，因此閥門V1、V2的阻力值相差不大。

由于大口徑調節閥選型原理較為復雜，本文不作詳細論述，僅根據相關文獻[10-11]的結論給出選型過程，等百分比調節閥可按照以下步驟進行選型計算。

在已知閥門流通的最大流量、最小流量及閥門前后壓差的情況下，用下式分別計算閥門流量系數Cv的最大值Cvmax及最小值Cvmin。

式中 Q為通過閥門的流量，m3/h；Δp為閥門前后壓差，kPa。

對所得Cvmax進行圓整，再根據廠家的樣本選取某等百分比流量特性的閥門在85°開度時的Cv值，略大于工程所需的Cvmax，以此選定閥門口徑，之后用式(15)對閥門相對開度l進行驗算。

式中 R為調節閥的可調比，一般閥門的可調比為30；Cv100為選定調節閥全開時的Cv值。

將Cvmax、Cvmin分別代入式(15)中的Cv進行驗算。對于等百分比特性的閥門來說，閥門的相對開度應在20%～85%之間。當工程所需的可調范圍較寬、經過相對開度驗算后無法滿足上述開度區間時，需要選擇可調比更大的閥門，或者進行多閥并聯，提高閥門的可調比。

2 管道水壓圖的繪制

不同于以往閉式系統水壓圖由靜水壓線和測壓管水頭線表達，對于外融冰開式系統，更關心的是系統的工作壓力分布，即管道靜壓分布，故本文通過繪制管道的工作壓力水壓圖對系統水壓的分布進行分析。

如前文所述，當冰池液面與管網系統最高點之間的高差較小時，即使閥門V1全開，系統仍無負壓，即滿足H1

注：閥門V1全開時阻力可近似忽略，此時6和7視為一個點。圖4 H1較小且系統無負壓時1-2-3-4′-5-6-7-8-1環路水壓圖

當冰池液面與管網系統最高點之間的高差較大時，閥門V1全開，H1>hV1+ha，就需要閥門V1進行調節，保證H1

圖5 H1較大需進行閥門調節時系統水壓圖

對圖3中1-8-1環路繪制水壓圖，冷水流過一級泵和雙工況板式換熱器、閥門V1和冰池這個支路的水壓圖見圖5a。

圖5a顯示了管網壓力的變化趨勢，便于分析整個管道的水壓情況。從圖5中可以看到，如果管道出現負壓，則點3處最先出現負壓。

對于圖3中1-8-1環路，包括平衡管、閥門V2這2個支路的水壓圖如圖5b所示。對比圖5a、b可以看出：在點4～5之間，上游雙工況板式換熱器或基載主機的阻力由一級泵克服，這部分阻力對外網水泵的揚程沒有影響；閥門V2的阻力h67′與V1的阻力h67基本相同。

3 案例分析

3.1 工程概況

深圳市某區域供冷項目服務面積約90萬m2，最大供冷能力約67 878 kW，為15個用戶供冷。冰蓄冷系統采用主機上游串聯的外融冰開式二級泵系統的形式，系統流程見圖6。主要設備參數見表1。

圖6 深圳市某區域供冷項目冰蓄冷系統示意圖

表1 雙工況板式換熱器、基載主機、雙工況主機主要設備參數

在該項目中，冰池液面與外網系統最高點之間高差近15 m，屬于前文所述閥門V1全開、H1>hV1+ha的情況，因此必須設置調節閥以保證系統內不出現負壓。通過計算得到滿負荷工況時外網水泵揚程為38 m，小流量時外網水泵揚程為18 m，考慮1.1倍的放大系數，故設置了6臺流量1 130 m3/h、揚程42 m的大泵，1臺流量560 m3/h、揚程20 m的小泵。以該項目為例，分析4種典型工況下系統水壓圖及為保證系統不出現負壓而進行的調節閥的設置問題。4種典型工況的負荷及制冷機開啟臺數見表2。

表2 H1=15 m的4種典型工況信息

3.2 系統水壓圖

圖7為4種典型工況的水壓圖。在該項目中，為了使外網水泵能更好地從冰池中抽水，冰池出水管位于液面下，而進水管由于機房空間的限制高于液面。因此，點7～8之間管道靜壓的關系為h8>h7>0，系統壓力最低點仍然不變。圖7中各點與圖6系統中各點一一對應，各線段的含義同第2章，其中1-1′表示外網水泵出口到制冷站出口管道的沿程與局部阻力之和。通過對不同工況水壓圖的分析可知，在該項目的外融冰開式二級泵系統中，通過設置調節閥，保證了系統最低點的壓力高于大氣壓，系統不出現負壓，運行安全穩定。另外保證最不利點壓力的調節閥(工況1～3為V1，工況4為V2)阻力在不同工況有所不同，隨著系統流量的減小，調節閥的阻力增大，其關系見表3。

表3 H1=15 m的4種典型工況外網水泵揚程、系統流量及閥門V1的阻力

可以看出，與閉式系統不同，外融冰開式系統全年各工況循環水泵揚程均需要克服冰池液面和管網最高點的高差引起的水頭，而這部分增加的水泵揚程最終又被閥門阻力消耗，造成了一定的能源浪費，故在實際工程中，需要盡量減小這部分高差，以減少水泵的運行能耗。

3.3 閥門V1和V2的選型

針對案例中的閥門V1、V2，參考表4數據，根據1.3節選型計算步驟，對閥門進行選型，參數見表5。

表4 某廠家等百分比特性閥門Cv值與開啟度對照

表5 H1=15 m時閥門V1、V2選型參數

初步選定閥門V1的口徑為DN250，閥門V2的口徑為DN200。驗算后發現2個閥門在最小流量時的開度過小，因此都需要進行多閥并聯。對于閥門V1來說，可用DN250和DN125的閥門并聯，在小流量時使用小閥，其他工況使用大閥；同理，V2可用DN200和DN100的閥門并聯。

3.4 高差H1降低后水系統參數變化對比

對于該項目，若冰池液面和管網最高點的高差減小至6 m，則閥門V1、V2的阻力會大大減小。滿負荷時，閥門V1可以只起流量分配調節的作用，整個系統無負壓；在部分負荷時，由于流量減小，管路阻力減小，需要增大V1的阻力來保證系統正壓。圖8為6 m高差下4種典型工況的水壓圖，外網水泵揚程、流量及閥門V1的阻力見表6。

圖8 H1=6 m的4種典型工況系統水壓圖

表6 H1=6 m的4種典型工況外網水泵揚程、系統流量及閥門V1的阻力

對H1=6 m時閥門V1和V2進行選型計算，選型參數見表7。選型結果為：閥門V1使用DN350和DN150的閥門并聯，閥門V2使用DN300和DN125的閥門并聯。

表7 H1=6 m時閥門V1、V2選型參數

對比圖7、8及表3、6可知，冰池液面和管網最高點的高差對閥門V1的阻力及水泵揚程有顯著影響。因此，合理選擇制冷站機房及冰池位置，減小冰池液面與管網最高點的高差，對降低水泵運行能耗具有重要作用。

4 結論和展望

1) 針對外融冰開式冷水系統，通過管道靜壓分析確定了冷水系統內可能出現負壓的狀態點位置。

2) 對外融冰開式二級泵系統的水力工況進行分析，得到了冰池液面與管網最高點不同高差下冰池前調節閥阻力和外網循環水泵揚程的計算公式，給出了維持系統正壓運行時調節閥V1和V2的調節措施；冰池液面與管網最高點的高差是影響二級泵揚程的主要因素。

3) 通過實際工程案例的計算發現，該工程由于冰池液面和管網最高點的高差為15 m，導致V1調節閥的阻力在10～15 m之間變化，水泵揚程需要全年克服冰池液面與管網最高點高差引起的水頭，如果在設計時將高差減少至6 m，則V1調節閥的阻力在1～6 m之間，水泵揚程也會相應減小，可以大大降低水泵運行能耗。

4) 區域供冷能源站的設計必須結合室外管網的高度進行，根據水力計算，合理選擇閥門的形式，并計算閥門口徑。