区域供冷外融冰开式系统的冷水水力工况分析
2021-12-29香港华艺设计顾问深圳有限公司李雪松蔡健铭深圳市前海能源科技发展有限公司王朝晖
香港华艺设计顾问(深圳)有限公司 高 龙 王 笙 李雪松 蔡健铭深圳市前海能源科技发展有限公司 王朝晖 胡 勣
0 引言
在冰蓄冷系统中，外融冰系统具有放冷速度快、换热效果好、出水温度低、融冰能耗少等优点，适合低温冷水的长距离输送，因此在大型区域供冷系统中得到广泛应用。一般采用主机上游串联的系统形式，即外网回水先经过上游主机降温，再经过下游冰池后获得较低的供水温度[1-4]。
图1为典型外融冰闭式系统原理图[5]，为了便于分析冷水水力工况，图中省略了水-乙二醇板式换热器一次侧双工况主机及相应管路和阀门。采用此种系统形式的工程案例有深圳市前海合作区区域集中供冷项目2号供冷站、4号供冷站，广州大学城区域供冷项目[6]，三亚市亚龙湾区域供冷项目[5]，重庆市江北城中央商务区区域供冷项目[7]等。这些项目外网冷水系统为闭式系统，控制相对简单，但是需要设置冰池的融冰板式换热器和融冰泵，设备占地面积、初投资和运行能耗相对较高。
1.用户侧板式换热器；2.平衡管；3一级泵；4.双工况主机水-乙二醇板式换热器(以下简称双工况板式换热器)；5.基载主机；6电动调节阀；7.融冰板式换热器；8.二级泵(外网循环水泵)；9.冰池；10.冰池融冰泵；11.定压补水装置。图1 外融冰闭式冷水系统示意图
典型外融冰开式系统如图2所示[8]，采用这种系统形式的工程有北京市中关村区域供冷项目[8]、深圳市留仙洞战略性新兴产业总部基地区域集中供冷项目、深圳市前海合作区区域集中供冷项目3号供冷站等。开式系统冷水经上游主机降温后进入冰池，通过外网循环水泵从冰池抽水输送至用户侧，不存在融冰板式换热器的换热，冷水的供水温度更低，设备初投资、占地面积、系统运行能耗相对闭式系统均有所减少，但是冰池液面低于管网最高点，管网有可能出现负压，控制相对复杂。
1.用户侧板式换热器；2.平衡管；3.一级泵；4.双工况板式换热器；5.基载主机；6.电动调节阀；7.冰池；8.二级泵(外网循环水泵)。图2 外融冰开式冷水系统示意图
相关学者研究认为，开式系统可提供1.1 ℃的低温冷水[8]，实现大温差供冷；在冰池出口设置电动阀并在停泵时快速关闭，可防止系统停止运行时发生倒灌[9]；在设计合理的情况下，设有鼓气泵的外融冰系统不会产生气塞问题，外融冰系统应采取可靠的技术手段防止水系统倒空与冰槽水溢流[6]。但对于开式系统外网与冰池液面之间存在的高差，以及由于高差可能导致的系统部分管路负压运行的问题鲜有研究。本文针对外融冰开式系统可能存在的负压问题，着重分析其水力工况，分析产生负压的原因和负压出现的位置，并结合水力计算给出维持系统正压运行的方法。
1 主机上游串联的外融冰开式系统冷水水力工况分析
1.1 系统压力最低点的确定
主机上游串联的外融冰开式二级泵系统示意图见图3。图3中H0表示冰池液面与管网最低点的高差，在实际工程中，外融冰池一般设置在建筑的地下室，因此与管网系统的最高点之间存在一定的高差，此高差用H1表示，H表示管网最高点与最低点的高差。系统运行时，上游双工况板式换热器和基载主机的阻力由一级泵克服，一级泵根据不同工况的运行策略调节双工况板式换热器和基载主机的流量。一、二级泵之间设置平衡管，下游进入冰池的水流量和旁通的流量由阀门V1和V2控制，保证混水后的温度。为方便水力分析，针对图3给出以下假定：1) 平衡管内无流量；2) 图3中点2、3及用户板式换热器等站外各点均与外网在同一高度；3) 图3中点4、4′、5′、5、6、7、7′、8、1站内各点均与供冷站在同一高度。
图3 外融冰开式二级泵系统简化图
用hi表示点i的管道静压，分析1～8点静压。从外网水泵出口点1到外网回水进入制冷站前的最高点3，存在如下关系：h1>h2>h2′>h3′>h3。点3位置高于点4，且管道内流速较低，因此h4>h3。由于平衡管内无流量，双工况板式换热器和基载主机的阻力由一级泵克服，故h4=h5。点5后冷水经过调节阀V1进入冰池。点5～8管道内静压的关系为：h5>h6>h7>h8，其中点7、8管道都与冰池连通，考虑进出水布水器的阻力，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，故点4～8管道内均为正压。
综上所述，各点静压根据大小顺序为：h1>h2>h2′>h3′>h3
1.2 外融冰开式系统维持系统正压的判断
图3中外网水泵扬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为外网水泵扬程；hij为点i～j的沿程阻力和局部阻力之和；hV1为调节阀V1的阻力，即h67。
由于平衡管内无流量，故可认为h45=0。考虑到系统的高差，从水泵出口点1到点3列伯努利方程为
式中 v为管道内流速；g为自由落体加速度；本节后文叙述中H、H0、H1均表示由高差产生的位能，即位置水头。
化简式(2)得到
h3=H0+h-H-h12-h23
(3)
由图3可知，H=H0+H1，将式(1)代入式(3)可得
h3=h34+h56+h78+hV1-H1
(4)
化简式(4)，得
h3=hV1+ha-H1
(5)
式中 ha为点3～8之间管路的沿程阻力加上除调节阀V1之外的其他局部阻力之和。
要维持管网正压运行需要满足的条件为
h3=hV1+ha-H1>0
(6)
当阀门V1全开时，式(6)成立与否受H1的影响，因此需要分工况讨论。
1) 当阀门V1全开、并且在最不利工况下仍可以满足H1
h=h12+h23+ha+hV1
(7)
2) 当阀门V1全开、并且在最不利工况下H1>hV1+ha时，必然会导致h3<0，此时系统会出现负压，应调节阀门V1，增大其阻力值，阀门V1的阻力应满足
hV1>H1-ha
(8)
将式(5)代入式(7)，得到水泵扬程h与冰池液面和管网最高点之间高差H1的关系：
h=h12+h23+h3+H1
(9)
也就是在h3>0时，水泵的扬程需满足的条件为
h>h12+h23+H1
(10)
即水泵扬程除了克服点1～3之间管段的局部阻力和沿程阻力外，还要克服冰池液面与管网最高点的高差引起的位置水头。
通过上述分析发现，为避免系统产生负压，可以减小冰池液面与管网最高点的高差，如果由于建筑场地等因素无法减小，则需要调节阀门V1的阻力，即阀门V1根据系统最小压力点的压力进行调节，维持系统正压运行，此时阀门V2的作用是调节旁通流量，保证混水后水温达到设计值。当夜间工况冰池不工作时，关闭阀门V1，用阀门V2保证系统的正压工况，用水泵调节系统的流量。
1.3 调节阀门V2阻力计算及选型
当用阀门V2调节流量时，阀门阻力的计算方法如下。对于图3中V1和V2 2个并联支路，分别列点6～8的伯努利方程。
对于V1支路有
式中 v1为阀门V1支路的流速；ζ1为V1支路点6～8之间管路的阻力系数；ρ为水的密度；H6、H8分别为点6及点8的位置水头。
对于V2支路有
式中 v2为阀门V2支路的流速；ζ2为V2支路点6～8之间管路的阻力系数。
联立式(11)、(12)可得阀门V2的阻力：
对于包含阀门V1、V2的2个支路来说，由于管道内冷水流速均较小，且管路较短，阻力系数相差亦不大，因此阀门V1、V2的阻力值相差不大。
由于大口径调节阀选型原理较为复杂，本文不作详细论述，仅根据相关文献[10-11]的结论给出选型过程，等百分比调节阀可按照以下步骤进行选型计算。
在已知阀门流通的最大流量、最小流量及阀门前后压差的情况下，用下式分别计算阀门流量系数Cv的最大值Cvmax及最小值Cvmin。
式中 Q为通过阀门的流量，m3/h；Δp为阀门前后压差，kPa。
对所得Cvmax进行圆整，再根据厂家的样本选取某等百分比流量特性的阀门在85°开度时的Cv值，略大于工程所需的Cvmax，以此选定阀门口径，之后用式(15)对阀门相对开度l进行验算。
式中 R为调节阀的可调比，一般阀门的可调比为30；Cv100为选定调节阀全开时的Cv值。
将Cvmax、Cvmin分别代入式(15)中的Cv进行验算。对于等百分比特性的阀门来说，阀门的相对开度应在20%～85%之间。当工程所需的可调范围较宽、经过相对开度验算后无法满足上述开度区间时，需要选择可调比更大的阀门，或者进行多阀并联，提高阀门的可调比。
2 管道水压图的绘制
不同于以往闭式系统水压图由静水压线和测压管水头线表达，对于外融冰开式系统，更关心的是系统的工作压力分布，即管道静压分布，故本文通过绘制管道的工作压力水压图对系统水压的分布进行分析。
如前文所述，当冰池液面与管网系统最高点之间的高差较小时，即使阀门V1全开，系统仍无负压，即满足H1 注：阀门V1全开时阻力可近似忽略，此时6和7视为一个点。图4 H1较小且系统无负压时1-2-3-4′-5-6-7-8-1环路水压图 当冰池液面与管网系统最高点之间的高差较大时，阀门V1全开，H1>hV1+ha，就需要阀门V1进行调节，保证H1 图5 H1较大需进行阀门调节时系统水压图 对图3中1-8-1环路绘制水压图，冷水流过一级泵和双工况板式换热器、阀门V1和冰池这个支路的水压图见图5a。 图5a显示了管网压力的变化趋势，便于分析整个管道的水压情况。从图5中可以看到，如果管道出现负压，则点3处最先出现负压。 对于图3中1-8-1环路，包括平衡管、阀门V2这2个支路的水压图如图5b所示。对比图5a、b可以看出：在点4～5之间，上游双工况板式换热器或基载主机的阻力由一级泵克服，这部分阻力对外网水泵的扬程没有影响；阀门V2的阻力h67′与V1的阻力h67基本相同。 深圳市某区域供冷项目服务面积约90万m2，最大供冷能力约67 878 kW，为15个用户供冷。冰蓄冷系统采用主机上游串联的外融冰开式二级泵系统的形式，系统流程见图6。主要设备参数见表1。 图6 深圳市某区域供冷项目冰蓄冷系统示意图 表1 双工况板式换热器、基载主机、双工况主机主要设备参数 在该项目中，冰池液面与外网系统最高点之间高差近15 m，属于前文所述阀门V1全开、H1>hV1+ha的情况，因此必须设置调节阀以保证系统内不出现负压。通过计算得到满负荷工况时外网水泵扬程为38 m，小流量时外网水泵扬程为18 m，考虑1.1倍的放大系数，故设置了6台流量1 130 m3/h、扬程42 m的大泵，1台流量560 m3/h、扬程20 m的小泵。以该项目为例，分析4种典型工况下系统水压图及为保证系统不出现负压而进行的调节阀的设置问题。4种典型工况的负荷及制冷机开启台数见表2。 表2 H1=15 m的4种典型工况信息 图7为4种典型工况的水压图。在该项目中，为了使外网水泵能更好地从冰池中抽水，冰池出水管位于液面下，而进水管由于机房空间的限制高于液面。因此，点7～8之间管道静压的关系为h8>h7>0，系统压力最低点仍然不变。图7中各点与图6系统中各点一一对应，各线段的含义同第2章，其中1-1′表示外网水泵出口到制冷站出口管道的沿程与局部阻力之和。通过对不同工况水压图的分析可知，在该项目的外融冰开式二级泵系统中，通过设置调节阀，保证了系统最低点的压力高于大气压，系统不出现负压，运行安全稳定。另外保证最不利点压力的调节阀(工况1～3为V1，工况4为V2)阻力在不同工况有所不同，随着系统流量的减小，调节阀的阻力增大，其关系见表3。 表3 H1=15 m的4种典型工况外网水泵扬程、系统流量及阀门V1的阻力 可以看出，与闭式系统不同，外融冰开式系统全年各工况循环水泵扬程均需要克服冰池液面和管网最高点的高差引起的水头，而这部分增加的水泵扬程最终又被阀门阻力消耗，造成了一定的能源浪费，故在实际工程中，需要尽量减小这部分高差，以减少水泵的运行能耗。 针对案例中的阀门V1、V2，参考表4数据，根据1.3节选型计算步骤，对阀门进行选型，参数见表5。 表4 某厂家等百分比特性阀门Cv值与开启度对照 表5 H1=15 m时阀门V1、V2选型参数 初步选定阀门V1的口径为DN250，阀门V2的口径为DN200。验算后发现2个阀门在最小流量时的开度过小，因此都需要进行多阀并联。对于阀门V1来说，可用DN250和DN125的阀门并联，在小流量时使用小阀，其他工况使用大阀；同理，V2可用DN200和DN100的阀门并联。 对于该项目，若冰池液面和管网最高点的高差减小至6 m，则阀门V1、V2的阻力会大大减小。满负荷时，阀门V1可以只起流量分配调节的作用，整个系统无负压；在部分负荷时，由于流量减小，管路阻力减小，需要增大V1的阻力来保证系统正压。图8为6 m高差下4种典型工况的水压图，外网水泵扬程、流量及阀门V1的阻力见表6。 图8 H1=6 m的4种典型工况系统水压图 表6 H1=6 m的4种典型工况外网水泵扬程、系统流量及阀门V1的阻力 对H1=6 m时阀门V1和V2进行选型计算，选型参数见表7。选型结果为：阀门V1使用DN350和DN150的阀门并联，阀门V2使用DN300和DN125的阀门并联。 表7 H1=6 m时阀门V1、V2选型参数 对比图7、8及表3、6可知，冰池液面和管网最高点的高差对阀门V1的阻力及水泵扬程有显著影响。因此，合理选择制冷站机房及冰池位置，减小冰池液面与管网最高点的高差，对降低水泵运行能耗具有重要作用。 1) 针对外融冰开式冷水系统，通过管道静压分析确定了冷水系统内可能出现负压的状态点位置。 2) 对外融冰开式二级泵系统的水力工况进行分析，得到了冰池液面与管网最高点不同高差下冰池前调节阀阻力和外网循环水泵扬程的计算公式，给出了维持系统正压运行时调节阀V1和V2的调节措施；冰池液面与管网最高点的高差是影响二级泵扬程的主要因素。 3) 通过实际工程案例的计算发现，该工程由于冰池液面和管网最高点的高差为15 m，导致V1调节阀的阻力在10～15 m之间变化，水泵扬程需要全年克服冰池液面与管网最高点高差引起的水头，如果在设计时将高差减少至6 m，则V1调节阀的阻力在1～6 m之间，水泵扬程也会相应减小，可以大大降低水泵运行能耗。 4) 区域供冷能源站的设计必须结合室外管网的高度进行，根据水力计算，合理选择阀门的形式，并计算阀门口径。
3 案例分析
3.1 工程概况
3.2 系统水压图
3.3 阀门V1和V2的选型
3.4 高差H1降低后水系统参数变化对比
4 结论和展望
