核島人員通行廠房空調冷凍水系統設計優化

史淼

中國中原對外工程有限公司

0 引言

K-2/K-3 核電站位于卡拉奇以西24 公里處，2021年開始商業運作，為該城市提供電能。核電項目核島人員通行廠房空調冷凍水采用的是定流量一級泵形式，然而隨著國家規范、標準的不斷更新以及項目客觀環境要求，有待設計優化。

1 人員通行廠房冷凍水系統(WAC)現狀

本工程人員通行廠房冷凍水系統（WAC）的功能是將人員通行廠房通風系統（VAB）、消防泵房通風系統（VFR）的冷卻盤管冷卻時所回收的熱量，通過冷水機組傳遞給設備冷卻水系統（WCC）。在空調冷凍水系統中各冷用戶的實際流量與設計要求流量之間的不一致性稱為該用戶的水力失調。水力失調的程度可以用實際流量與設計要求流量的比值X 來衡量。

本工程冷凍水系統為定流量一級泵系統，原理見圖1。運行時用戶側實時系統總水量保持恒定不變，依靠改變末端裝置風量或者調節三通閥來進行末端水量調節。系統水泵壓頭要在設計工況下為最遠裝置提供資用壓差。由于管道的資用壓差隨著離水泵距離的增加而減小，因此，資用壓差在臨近水泵處最大，在遠端回路最小。

圖1 冷凍水系統原理圖

本工程含有相同末端設備，為異程式空調冷凍水系統，共7 個環路。各個末端設備所需壓頭△P 都相等。由于系統采用異程式，末端設備的環路壓差在距離泵最近時最大，在距離泵最遠時為最小。

未采用環路調節閥情況下，對各用戶端流量進行實測，相關數據見表1。

表1 未采用環路調節閥情況下各用戶流量分配表

由表1 可知，用戶1 水力失調度最大，用戶7 最小。為使各個末端設備達到設計工況下的相同流量，必須在各個環路安裝調節閥來平衡多余的壓差，以保證各個末端設備流量的一致性。此種方式，增加了系統的阻力，使輸配系統中大量動力浪費在調節閥上。

當一條或幾條負荷用戶閥門處于關閉狀態，將會使系統總阻抗增加，水泵的運行效率降低，伴隨著整個水路系統水力不平衡，發生水力失調。假設關閉用戶4 關閉，用戶端壓差變化如圖2。用戶4 閥門關閉，使系統總阻抗增加，總流量減小，從冷源到用戶4 之間的供水和回水管的水壓增大且變得平緩。用戶4 到用戶7 的供水和回水管的水壓等比增大。用戶4 處作用壓差的增加，相當于所有負荷的作用壓差都增加。在整個網絡中，除用戶4 以外的所有用戶的流量增加，呈一致失調。

圖2 各用戶壓差（資用壓力）變化圖

關閉用戶4 情況下，對各用戶端流量進行實測，其相關數據見表2。

表2 關閉用戶4 情況下各用戶流量分配表

由表2 可知，當關閉用戶4 后，各個用戶端的水力失調度進一步加大。故定流量系統運行需要通過調整用戶端的調節閥消除水力失調度，此作法加大了系統的運行能耗，也不利于冷凍水系統運行管理。

2 空調水系統設計優化

《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[1]第9.9.5.2 條指出：直接供冷空調水系統的負荷側應按變流量系統設計；第9.9.5.3 條款指出：各區域水溫要求一致且管路壓力損失相差不大，系統阻力不高的中小型工程，宜采用一級泵系統。《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[2]第8.5.4.2 條款指出：冷水水溫和供回水溫差要求一致且各區域管路壓力損失相差不大的中小型工程，宜采用變流量一級泵系統。

綜合上述規范條款內容可知，對于中小型工程，工業和民用設計規范推薦空調冷凍水系統優先采用變流量一級泵系統。結合實際情況，本工程可采用“冷水機組定流量，負荷側變流量”的變流量一級泵系統形式，即一級泵壓差旁通控制變流量的系統形式。

3 變流量一級泵系統系統及其水力特性

“冷水機組定流量、負荷側變流量”的一級泵系統，是通過末端用戶設置的水路兩通自動控制閥控制末端的冷水量需求，同時，系統的運行水量也處于實時變化之中，是目前應用最廣泛、最成熟的系統形式。現將本工程冷凍水定流量系統形式調整為一級泵壓差旁通控制變流量系統形式，原理見圖3。

圖3 一級泵壓差旁通控制變流量原理圖

圖3 中每個用戶端的空調機組均配置了電動兩通閥，可以根據用戶端的控制參數，調節兩通閥的流量分配，改變進入用戶端空調機組的水流量，同時供、回水干管之間的電動壓差平衡閥啟、閉平衡供、回水之間的壓力差。

變流量一級泵系統在運行過程中各末端用戶的總阻力系數發生改變，因而通過的總流量改變，使得整個系統具有實時變化設計流量的功能。當用戶端處于低負荷時，可以通過調節末端用戶的冷凍水量來實現供冷量的改變，做到按需供應。

本工程改為變流量系統后，關閉用戶4，系統阻抗變化見圖4。

圖4 變流量空調水系統用戶端壓差（資用壓力）變化圖

關閉用戶4 情況下，對各用戶端流量進行實測，其相關數據見表3。

由表3 可知，當部分用戶關閉使用后，各個用戶端的水力失調度得到了緩解。由于電動壓差平衡閥的壓差控制，使末端壓差變為△P7不變，而末端用戶的阻抗未發生變化，所以末端用戶的流量也不發生變化。用戶4 到末端用戶7 的供回水管的水壓線與未調節時的重合，因此用戶4 之后的各用戶流量與設計值相等，水力狀態平衡。由于系統總流量變小，冷源至用戶4 的壓差將變小且平緩，用戶4 之前的各用戶作用壓差將小于設計作用壓差。因此，用戶4 之前的各用戶流量小于設計流量值，且距用戶4 越遠用戶的流量與設計值相差越大，發生不等比的一致水力失調，即：X1＜X2＜X3＜1。由此可見，電動壓差旁通閥平衡了系統供、回干管的壓差變化，緩解冷凍水系統的水力失調。

表3 關閉用戶4 情況下各用戶流量分配表

4 結論

卡拉奇K-2/K-3 核電項目核島人員通行廠房既有空調冷凍水系統為定流量系統，本文對其實際流量進行了測試，分析了水力失調度，確定了變流量一級泵系統的優化方式，對比了系統環路壓差變化及水力失調度變化。當部分用戶端關閉時，變流量空調水系統中水力失調度影響較小，更加利于系統的節能運行。在后續的核電項目工作中，設計者應將變流量一級泵空調水系統作為核島空調水系統的優化方向。