常規島電氣用房空調冷源設計優化

史淼

中國中原對外工程有限公司

同一堆型核電項目常規島電氣用房的空調冷源及其配套系統都保持著同一的形式，然而隨著規范、標準的不斷更新以及項目客觀條件的差異，空調冷源及其配套系統如仍保持同一形式不變，將會產生相應的系統問題，故需要設計者進行適應性設計。本文以實際工程案為例，對卡拉奇K-2/K-3 核電項目常規島電氣用房空調冷源及其相關系統存在的問題進行了分析，探討如何優化常規島空調冷源及其相關系統，以達到合理的效果。

1 工程概況

K-2/K-3 核電項目廠址位于巴基斯坦卡拉奇市西部，靠近阿拉伯海北岸的卡拉奇天堂角附近，距卡拉奇市中心24.8 公里，位于現有核電廠（KANNUPP-1）西北方向約1.2 公里。巴基斯坦卡拉奇K-2/K-3 核電項目規劃裝機容量為2×1100 MW 級，建設兩臺三代百萬千瓦級壓水堆核電機組。

2 冷源系統配置方案

常規島電氣用房冷源采用螺桿式冷水機組加冷卻塔，服務范圍包括低壓配電間、熱控電子設備間、繼電室、直流屏室等，總冷負荷372 kW。

常規島制冷機房供水溫度7 ℃，回水溫度為12 ℃，空調水系統采用一次泵變流量系統。空調系統負荷變化由設置在各空調機組的兩通電動調節閥及常規島制冷站供回水總管間的壓差旁通電動調節閥調節，確保冷凍水系統供、回水總流量不變。冷源部分系統原理圖見圖1。

圖1 冷源部分系統原理圖

冷源主要設備包括：

1）安裝在常規島制冷機房的2 臺容量為100%水冷螺桿式冷水機組。冷水機組容量為428.4 kW，功率88.2 kW。

2）安裝在電氣用房屋面的2 臺容量為100%冷卻塔，冷卻塔流量為125 t/h，冷卻供水溫度為32 ℃，回水溫度為37 ℃。冷卻塔為開式逆流冷卻塔。

3）安裝在常規島制冷機房的2 臺容量為100%冷凍水泵，水泵流量為80 t/h，揚程19.4 m。

4）安裝在常規島制冷機房的2 臺容量為100%冷卻水泵，水泵流量為125 t/h，揚程18.4 m。

3 冷源優化

3.1 冷水機組選型偏大

冷水機組容量為428.4 kW，設計選型偏大（大于設計冷負荷372 kW 的1.1 倍），不滿足規范《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》第9.2.1 條款要求“電動壓縮式冷水機組的總裝機容量應根據計算的冷源負荷確定，不應另做附加。在設計條件下，當機組的規格不能負荷設計冷負荷的要求時，所選擇機組的總裝機容量與計算冷負荷的比值不應超過1.1”[1]。

優化措施：重新選擇冷水機組，冷水機組容量范圍在380～400 kW。

3.2 冷水機組制冷性能系數偏低（COP）

《發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》第10.2.5條款“冷水機組及單元式空調機組的性能參數應符合現行國家標準《公共建筑節能設計標準》GB 50189 的相關規定。選擇電動壓縮式機組時，其制冷劑的選擇應滿足國家現行環保政策。”[2]故常規島電氣廠房冷水機組制冷性能系數（COP）應按照《公共建筑節能設計標準》第4.2.10 條款要求“采用電機驅動的蒸汽壓縮循環冷水機組時，其名義制冷工況和規定條件下的性能系數（COP）應符合下列的規定：水冷式定頻機組及風冷或蒸發冷卻機組的性能系數（COP）不應低于表1 的數值”。

表1 名義制冷工況和規定條件下冷水（熱泵）機組的性能系數（COP）

本工程屬于夏熱冬暖地區，冷水機組為螺桿式，制冷量為428.4 kW，故對應圖1 中的性能系數（COP）為4.90。由于實際選型的冷水機組的制冷量為428.4 kW，額定功率為88.2 kW，則其能效系數為4.857，低于規范要求的4.90 標準。

優化措施：重新選擇冷水機組，要求其能效系數（COP）高于4.90。

3.3 冷凍水泵耗電輸冷比偏低

《發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》第10.2.10 條款“空調冷熱水系統循環水泵的輸送能效比應符合現行國家標準《公共建筑節能設計標準》GB 50189 的相關規定。”而對應的《公共建筑節能設計標準》第4.3.9 條款內容為“在選配空調冷（熱）水系統的循環水泵時，應計算空調冷（熱）水系統耗電輸冷（熱）比[EC(H)R-a]，并應標注在施工圖的設計說明中”，故常規島冷源系統的冷凍水泵需要進行耗電輸冷比節能計算。

空調冷水系統耗電輸冷比的計算：

式中：ECR-a 為空調冷水系統耗電輸冷比；G 為每臺運行水泵設計流量，m3/h，本工程為80 m3/h；H 為每臺運行水泵對應的設計揚程，mH2O，本工程為19.4m；ηb為每臺運行水泵對應的設計工作點效率，本工程為66%（未達到《離心泵效率》國家標準的技術要求）；Q 為設計冷負荷，kW，本工程取372kW；ΔT 為規定的計算供回水溫差，℃，本工程為5 ℃；A 為與水泵相關的計算系數，本工程取0. 003858；B 為與機房及用戶的水阻力有關的計算系數，本工程按一級泵冷水系統取值為28；α 為與∑L 有關的計算系數，本工程計算后為0.020；∑L 為從冷熱機房出口至該系統最遠用戶供回水管道的總輸送長度，本工程約為420 m。

經計算，空調冷水系統耗電輸冷比式左ECR-a 為0.020 小于式右0.028，計算結果雖然達到了《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015 第4.3.9 條款的節能要求，但耗電輸冷比與其節能限值過于接近，需要進行優化。

優化措施：依據本工程的制冷負荷372 kW，對制冷機組、冷凍水泵選型進行設計調整。依據優化措施冷水機組重新選型的容量為400 kW，對應的冷凍水泵流量G 為68.6 m3/h，冷凍水泵揚程H 為19.4 m（維持原系統保持不變）。ηb的效率取值依據《離心泵效率》第4.2.a)條款“單級單吸離心水泵流量為5 m3/h～10000 m3/h 時，不低于表（單級離心泵效率）中數值”。故ηb取值為76.4%。

優化后空調冷水系統耗電輸冷比的計算：

根據式（1）計算，空調冷水系統耗電輸冷比式左ECR-a 為0.014 遠小于式右的0.028，計算結果更加滿足《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015 第4.3.9 條款節能要求。優化前后冷凍水泵參數見表2。

表2 優化前后冷凍水泵參數表

3.4 冷卻塔、冷卻水泵的設計選型不合理

本工程單臺冷卻塔、冷卻水泵容量為125 t/h，而依據冷水機組選型428.4 kW，冷卻塔、冷卻水泵的容量計算為95.4 t/h，故冷卻塔、冷卻水泵的設計容量偏大且不合理。

優化措施：優化后冷水機組重新選型的容量為400 kW，對應的冷卻塔、冷卻水泵的流量僅為89.1 t/h，相比本工程冷卻塔、冷卻水泵設計容量125 t/h 明顯的降低。

冷卻水量計算方法如下：

式中：G 為冷卻水量，t/h；Q0為風冷冷水機組冷負荷，優化后取400 kW；k 為風冷冷水機組制冷時耗功的熱量系數取1.3；c 為水的比熱容kJ/(kg·℃)，本工程取4.2；tW1為冷卻回水溫度為37 ℃；tW2為冷卻供水溫度為32 ℃。

優化前后冷卻塔、冷卻水泵參數見表3、表4。

表3 優化前后冷卻塔參數表

表4 優化前后冷卻水泵參數表

3.5 探討冷源形式水冷式變更為風冷式的可行性

上述探討了冷源形式采用水冷式冷水機組存在的設計問題，但如將冷源形式由水冷式變更為風冷式是否會對冷源系統進一步優化。對此，筆者從如下幾個方面進行分析：

1）規范標準

《發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》第10.2.3.4 條款“核電廠常規島空調冷源宜采用電動壓縮式制冷機組供冷”。基于此條內容，規范要求了核電廠常規島的空調冷源采用電動壓縮式制冷機組，而并未明確其采用水冷或風冷形式，故風冷形式是《發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》允許的。

2）風冷式冷源對比水冷式冷源的優缺點

優點：①風冷式冷源節省建筑空間。由于風冷式冷水機組布置在室外，可節省相應的建筑空間。本項目的制冷機房尺寸為140 m2，如采用風冷式冷源，機房內僅需設置定壓設備、冷凍水泵等設備，房間面積僅需60 m2。②風冷式冷源采用空氣冷卻，不需要設置冷卻塔、冷卻水泵、電子水處理儀等設備，故風冷冷源系統設計更加簡潔，控制更加簡單，設備運行可靠性高。③風冷式冷源不配置冷卻塔、冷卻水泵，故風冷式冷源比水冷冷水機組更節省水資源，維護保養經濟、簡單。

缺點：①風冷冷水機組比水冷冷水機組一次性投資要稍高。②風冷冷水機組的能效系數低于水冷式冷水機組。③風冷冷水機組的噪音和體積較水冷冷水機組的大。④風冷式冷源全年運轉電費略高于水冷式冷水機組。⑤水冷冷水機組的使用壽命為比風冷冷水機組的使用壽命長。

3）耗能

考慮將現狀水冷冷源、優化后水冷冷源、風冷冷源三種狀況下的耗電、耗水量進行對比。耗電量見表5，耗水量見表6。

表5 耗電量

表6 耗水量

將冷源形式由水冷式變更為風冷式從上述方案論證結果判斷可行。本工程如采用風冷冷源理論上可年節省用水量21900 t，降低機房占地空間，優化系統設計、簡化系統管理，但由于風冷冷源的低換熱能效系數需要明年多消耗電能174108 kWh。

4 結論

本文結合卡拉奇K-2/K-3 核電項目常規島電氣用房空調冷源及其配套系統存在的設備選型、能效要求、節能、節水等問題，分析總結了對應改進措施。設計者需要以相應規范、標準為依據，對系統設備的選型進行約束、優化，應當重視設計過程中設備選型過大、冷水機組的能效系數偏低、冷凍和冷卻水泵的額定效率超標等經常忽略的問題。