某大型水電站中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化研究

孫 娜，汪高翔，岳守俊

（1.中國長江電力股份有限公司三峽電廠，湖北 宜昌 443133； 2.中國長江電力股份有限公司中國三峽國際電力運(yùn)營有限公司，湖北 宜昌 443133）

空調(diào)作為最常用的降溫、升溫系統(tǒng)，在為生活帶來方便之余同樣帶來了環(huán)境溫度上升、能耗損失嚴(yán)重等問題。某大型水電站中央空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模和耗能十分巨大，為整個(gè)水電站內(nèi)的廠房、機(jī)房、單元控制室、保護(hù)室等重要場所提供調(diào)溫作用，但整個(gè)系統(tǒng)已投運(yùn)15年之久，帶來了制冷效果降低、能耗加大等不良現(xiàn)狀，為促進(jìn)水電站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行，本文將對該電站內(nèi)現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)提出優(yōu)化方案。

1 水電站內(nèi)原中央空調(diào)系統(tǒng)介紹

（1）中央空調(diào)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對上游副廠房67.0 m高程的勵磁變壓器、75.3 m高程的單元控制室以及安Ⅱ段、安Ⅲ段上游副廠房各層進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)[1]。

（2）中央空調(diào)系統(tǒng)水冷系統(tǒng)方式[2-3]：冷凍水系統(tǒng)是一個(gè)閉式系統(tǒng)，冷源是5臺風(fēng)冷熱泵式冷(熱)水機(jī)組，4用1備，其中4臺布置在安Ⅱ段的上游副廠房屋頂，1臺布置在14號機(jī)組段右端頭的上游副廠房屋頂。

（3）在上游副廠房67.0 m高程的每臺勵磁變壓器附近、75.3 m高程的每個(gè)單元控制室內(nèi)以及82.0 m高程安Ⅲ段保護(hù)盤室內(nèi)各布置2臺吊頂式或立式明裝柜式風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，這些柜式風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組對其所在部位的室內(nèi)空氣進(jìn)行處理后，再送入室內(nèi)，消除室內(nèi)冷(熱)負(fù)荷。

（4）安Ⅱ段82.0 m高程、89.25 m高程；安Ⅲ段82.0 m高程、87.8 m高程上游副廠房的載波機(jī)室、各類辦公室、電氣試驗(yàn)室以及7號機(jī)組段上游副廠房75.3 m高程的電梯機(jī)房等房間內(nèi)布置柜式風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組和臥式暗裝風(fēng)機(jī)盤管，處理室內(nèi)空氣。

中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)布置在左岸電站安Ⅰ段廠房頂108 m，末端設(shè)備（即空調(diào)區(qū)域）分布在安Ⅱ段、安Ⅰ段及安Ⅰ擴(kuò)建段各層辦公間內(nèi)。中央空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備額定冷量、水量及空調(diào)區(qū)域如表1所示。

表1 中央空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)備額定冷量、水量及空調(diào)區(qū)域

辦公區(qū)域及設(shè)備區(qū)域負(fù)荷見表2。

表2 中央空調(diào)區(qū)域負(fù)荷分布表

2 存在的主要問題

該電站中央空調(diào)系統(tǒng)于2003年投運(yùn)，至今已運(yùn)行15年有余，中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖1所示，設(shè)備均已接近報(bào)廢年限，目前存在較多問題及隱患，且能耗較大，浪費(fèi)大量廠用電能源。

（1）空調(diào)主機(jī)、水泵不受監(jiān)控；

（2）水系統(tǒng)管網(wǎng)老化，存在漏水隱患；

（3）監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)老舊，不能升級，且不滿足網(wǎng)絡(luò)安全要求；

（4）監(jiān)控系統(tǒng)部分機(jī)組段通信數(shù)據(jù)顯示不全，抗干擾能力不強(qiáng)；

（5）空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)僅能在上位機(jī)查看，無法在線查看及趨勢分析，智能化程度較低;

（6）電源電站中央空調(diào)系統(tǒng)沒有納入左岸電站監(jiān)控系統(tǒng)；

（7）重壓區(qū)域分體空調(diào)不具備斷電重啟功能。

圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖

3 改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

本著可靠、經(jīng)濟(jì)、適用的原則，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，盡可能的節(jié)省項(xiàng)目投資、提升設(shè)備可靠性和智能化水平、減少后期的運(yùn)行維護(hù)成本；對現(xiàn)有中央通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)及其監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行合理化改造設(shè)計(jì)，達(dá)到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理和維護(hù)方便的目的[4]。

根據(jù)該電站所處地理位置，編制本項(xiàng)目室外空氣氣象參數(shù)，如表3所示。

表3 室外空氣氣象參數(shù)

按照廠房各部位的功能，工作場所的重要性及工作人員、機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行需要，依據(jù)國家及行業(yè)有關(guān)規(guī)范，確定廠房各部位的室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)，見表4。

表4 室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù)

4 中央空調(diào)系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)方案

根據(jù)電站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際情況，提出兩種設(shè)計(jì)方案，由于中央空調(diào)主機(jī)、水泵等老化嚴(yán)重，此次改造考慮采用水冷機(jī)組方案和風(fēng)冷冷水機(jī)組方案進(jìn)行必選更換，兩種方案的主要設(shè)計(jì)情況如下所述。

（1）方案1：水冷冷水機(jī)組方案

對原中央空調(diào)系統(tǒng)辦公區(qū)域與設(shè)備區(qū)域的中央空調(diào)系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)選型主機(jī)。拆除2號、安Ⅰ擴(kuò)建中央空調(diào)系統(tǒng)原6臺（安Ⅱ段上副屋頂布置4臺，14號機(jī)組段上副屋頂布置1臺，安Ⅰ段擴(kuò)建的上游副廠房屋頂布置1臺）風(fēng)冷熱泵式冷（熱）水機(jī)組（每臺制冷量602.4 kW，制熱量662.6 kW），采用6臺水冷機(jī)組替換。其中4臺為水冷螺桿冷水機(jī)組，為原2號中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域提供冷源，每臺機(jī)組制冷量均為500 kW，冷凍水量為86.1 m3/h，冷卻水量為107.7 m3/h。2臺為水源熱泵螺桿冷（熱）水機(jī)組，為原中央空調(diào)系統(tǒng)辦公區(qū)域提供冷（熱）源，每臺機(jī)組制冷量均為375 kW，制熱量379 kW，冷凍水量為64.6 m3/h，冷卻水量為78.5 m3/h。6臺水冷機(jī)組布置在14號機(jī)組段（或安Ⅱ段）上游82.0 m高程廠壩平臺。

拆除原機(jī)組內(nèi)置水泵（揚(yáng)程20～25 m，流量100～120 m3/h），改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域的冷源設(shè)備采用5臺管道離心式水泵作為冷凍水泵，4用1備，單臺水泵參數(shù)：流量100 m3/h，揚(yáng)程35 m，每臺水泵進(jìn)水口處設(shè)置電子水除垢過濾器，布置在14號機(jī)組段（或安Ⅱ段）上游82.0 m高程廠壩平臺4臺水冷機(jī)組附近。改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)辦公區(qū)域的冷（熱）源設(shè)備采用3臺管道離心式變頻水泵作為冷凍水泵，2用1備，單臺水泵參數(shù)：流量75 m3/h，揚(yáng)程35 m，每臺水泵進(jìn)水口處設(shè)置電子水除垢過濾器，也布置在14號機(jī)組段（或安Ⅱ段）上游82.0 m高程廠壩平臺4臺水冷機(jī)組附近。

冷卻水源取上游廠壩平臺中心軸線為20+092.30處排水渠內(nèi)的水。增加6臺自控自吸式水泵，4用2備，每臺水泵進(jìn)水口處設(shè)置電子水除垢過濾器。其中3臺自控自吸式水泵作為中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域2臺水冷螺桿冷水機(jī)組的冷卻水泵，2用1備，單臺水泵參數(shù)：流量320 m3/h，揚(yáng)程30 m；另外3臺自控自吸式水泵作為2號中央空調(diào)系統(tǒng)辦公區(qū)域2臺水源熱泵機(jī)組的冷卻水泵，2用1備，單臺水泵參數(shù)：流量90 m3/h，揚(yáng)程30 m。6臺冷卻水泵（4用2備）布置在1號機(jī)組段上游82.0 m廠壩平臺左側(cè)靠近安Ⅱ段適當(dāng)位置。

保留中央空調(diào)設(shè)備區(qū)域與辦公區(qū)域主供回水管道之間的隔斷閥（手動閥），中央空調(diào)機(jī)組夏季可輪流給辦公區(qū)域供冷運(yùn)行，同時(shí)，中央空調(diào)為設(shè)備區(qū)域機(jī)組備用單元控制室及勵磁變室等廠房重要設(shè)備區(qū)域供冷。

（2）方案2：風(fēng)冷冷水機(jī)組方案

對原中央空調(diào)系統(tǒng)辦公區(qū)域與設(shè)備區(qū)域的中央空調(diào)系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)選型主機(jī)。拆除2號、安Ⅰ擴(kuò)建中央空調(diào)系統(tǒng)原6臺（安Ⅱ段上副屋頂布置4臺，14號機(jī)組段上副屋頂布置1臺，安Ⅰ段擴(kuò)建的上游副廠房屋頂布置1臺）風(fēng)冷熱泵式冷（熱）水機(jī)組（每臺制冷量602.4 kW，制熱量662.6 kW），采用6臺風(fēng)冷機(jī)組替換。其中4臺為風(fēng)冷磁懸浮冷水機(jī)組，為原中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域提供冷源，每臺機(jī)組制冷量均為500 kW，冷凍水量為86.1 m3/h，機(jī)組主機(jī)不少于2個(gè)模塊，機(jī)組的主控制模塊一用一備。2臺為風(fēng)冷熱泵冷（熱）水機(jī)組，為原中央空調(diào)系統(tǒng)辦公區(qū)域提供冷（熱）源，每臺機(jī)組制冷量均為375 kW，制熱量379 kW，冷凍水量為64.6 m3/h，機(jī)組主機(jī)不少于2個(gè)模塊，機(jī)組的主控制模塊一用一備。

6臺風(fēng)冷機(jī)組布置在原5臺風(fēng)冷熱泵式冷（熱）水機(jī)組位置，安Ⅱ段上副屋頂布置4臺風(fēng)冷冷水機(jī)組，安Ⅰ段擴(kuò)建的上游副廠房屋頂布置2臺風(fēng)冷熱泵冷（熱）水機(jī)組。拆除原機(jī)組內(nèi)置水泵（揚(yáng)程20～25 m，流量100～120 m3/h），改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備區(qū)域的冷源設(shè)備采用5臺管道離心式水泵作為冷凍水泵，4用1備，單臺水泵參數(shù)：流量100 m3/h，揚(yáng)程35 m，每臺水泵進(jìn)水口處設(shè)置電子水除垢過濾器，布置在安Ⅱ段上副屋頂布置的2臺風(fēng)冷冷水機(jī)組附近。改造后的中央空調(diào)系統(tǒng)辦公區(qū)域的冷（熱）源設(shè)備采用3臺管道離心式水泵作為冷凍水泵，2用1備，單臺水泵參數(shù)：流量75 m3/h，揚(yáng)程35 m，每臺水泵進(jìn)水口處設(shè)置電子水除垢過濾器。

保留中央空調(diào)設(shè)備區(qū)域與辦公區(qū)域主供回水管道之間的隔斷閥（手動閥），中央空調(diào)機(jī)組夏季可輪流給辦公區(qū)域供冷運(yùn)行，同時(shí)，中央空調(diào)為設(shè)備區(qū)域機(jī)組備用單元控制室及勵磁變室等廠房重要設(shè)備區(qū)域供冷。

5 設(shè)計(jì)方案的性能及實(shí)施可行性分析

（1）在上述設(shè)計(jì)方案1中，冷卻水供水系統(tǒng)是一個(gè)開式系統(tǒng)：冷卻水泵抽取上游廠壩平臺中心軸線為20+092.30處排水渠內(nèi)的水，送入水冷冷水機(jī)組使用后，再通過排水管送至82.0 m高程廠壩平臺適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)排放。這樣的運(yùn)行方式將冷水機(jī)組的冷卻方式由風(fēng)冷改成了水冷，提高了冷水機(jī)組的能效比，但由于增加了一套開式的冷卻水系統(tǒng)，冷卻水系統(tǒng)管道布置稍復(fù)雜，其電冷源綜合制冷性能系數(shù)[4]SCOP在4.5～4.8之間(SCOP為名義制冷量與冷源系統(tǒng)的總耗電量之比，冷源系統(tǒng)的總耗電量按主機(jī)耗電量、冷卻水泵耗電量之和計(jì)算)。幾種主要類型的水冷冷水機(jī)組性能參數(shù)見表5。

水冷冷水機(jī)組價(jià)格較高，另外冷卻水系統(tǒng)內(nèi)增加的6臺自控自吸式管道式變頻水泵、6臺電子水除垢過濾器以及管材、保溫材料、電纜布線、施工等，總共約需增加費(fèi)用100萬元。冷凍水系統(tǒng)的供、回水管道要通過82.0 m高程廠壩平臺與布置在安Ⅱ段上副屋頂?shù)闹鞴┗厮艿肋B接，只能通過在82.0 m高程廠壩平臺大面積開挖敷設(shè)或架空敷設(shè)，這兩種方式實(shí)施起來都有一定的困難。

（2）方案2采用風(fēng)冷機(jī)組，布置于2號、安Ⅰ擴(kuò)建中央空調(diào)原拆除場地，充分利用原有空間布置設(shè)備，管道連接實(shí)施簡單。冷水機(jī)組采用風(fēng)冷型式，能效比稍低，其名義工況下的制冷性能系數(shù)COP即為電冷源綜合制冷性能系數(shù)SCOP，在3.1～3.4之間。如考慮采用風(fēng)冷磁懸浮機(jī)組，造價(jià)較普通風(fēng)冷冷水機(jī)組提高，SCOP（COP）值提高至3.4～3.6。幾種主要類型的風(fēng)冷冷水機(jī)組性能參數(shù)見表6。

表5 水冷冷水機(jī)組性能參數(shù)表

表6 風(fēng)冷冷水機(jī)組性能參數(shù)表

（3）方案1和方案2的節(jié)能分析

中央空調(diào)主機(jī)的運(yùn)行情況是4臺500 kW主機(jī)備用單控室、勵磁變室，全年365 d備用；2臺500 kW主機(jī)供辦公區(qū)域，運(yùn)行時(shí)間：5月15日至9月30號（視實(shí)際情況調(diào)整，變化不大），共計(jì)138 d；冬季工況：11月15日至第二年的3月15日（視實(shí)際情況調(diào)整，變化不大），共計(jì)120 d?？紤]到冷水機(jī)組的制冷量有一定的裕度，而且運(yùn)行時(shí)段內(nèi)室外氣溫及廠內(nèi)設(shè)備的發(fā)熱量會發(fā)生周期性的變化，運(yùn)行天數(shù)按60%計(jì)，運(yùn)行時(shí)間為：

方案2辦公區(qū)域年度能耗為：110.3×1 987.2× 2＋110.5×1 728×2=82.03萬kW·h。風(fēng)冷主機(jī)SCOP值取較低值3.0，水冷主機(jī)SCOP值取較高值5.0，方案1比方案二年度最高節(jié)能量為82.03-82.03×3÷5=31.81萬kW·h。

6 總結(jié)

本文針對此大型電站空調(diào)系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合電站所處環(huán)境及站內(nèi)設(shè)備環(huán)境要求，提出兩套空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化方案。方案1能效比較高，但初投資高，設(shè)備布置在上游廠壩平臺，電纜布線、冷凍水供回水管如何過廠壩平臺到上副屋頂，均有待解決，困難較多。方案2實(shí)施簡單，改造工程量小，造價(jià)較低，但能效比稍低，此能耗比從長遠(yuǎn)來看無法與投資價(jià)值差相比。經(jīng)對比分析，水冷空調(diào)主機(jī)年度節(jié)能效果有限，而且采購成本高，配套設(shè)備多，改造工程量大，設(shè)計(jì)推薦方案2。