稳态强磁场实验装置水冷系统制冷节能设计

许忠,唐佳丽,欧阳峥嵘,吴琦琦

1.安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601;

2.中国科学院强磁场科学中心,安徽 合肥 230031

1 引 言

稳态强磁场实验装置(Steady High Magnetic Field Facilities,SHMFF)20 MW级水冷系统于2021年完成升级改造,目前运行稳定,系统性能得以有效改善.系统原有制冷能力为两台离心式冷水机组串联制冷,上游1号机最高可将26℃的实验热回水降至15.5℃,再由下游2号机制冷至6℃.制冷运行约10小时蓄满3000 m3低温冷冻水.由于改造涉及蓄冷量的翻倍,因此系统制冷能力需要得以相应升级,以维持合理的制冷时间.改造新增了一台3号大温差离心式冷水机组,制冷温度为18℃至6℃.该机器的选型主要考虑水冷厂房空间限制并满足多数制冷工况.而三台大温差离心式冷水机组的串、并联制冷输入功率巨大,为了降低能耗,在新增离心式冷水机组的上游增加了一台闭式冷却塔,在秋冬湿球温度较低时可以利用室外的“免费冷源”进行制冷,达到节约能源的目的[1].系统升级改造后的原理图如下所示.

图1 水冷系统升级改造后原理图Fig.1 Schematic diagram of cooling water system design after modification

闭式冷却塔又名蒸发式冷却器,相对于开式冷却塔,其优势在于可保持流体的清洁,其利用水的蒸发潜热带走工艺流体的热量,完成冷却过程,具有节能、节水、运行费用低等特点[2].闭式冷却塔的运行效果随着室外空气参数而变化[3],例如湿球温度.湿球温度较低的季节采用闭塔制冷使用,相对于离心式冷水机组具有明显的节能效果.国际上的强磁场实验装置水冷磁体运行由于巨大的电能消耗,均需配备大型水冷系统带走其热量.美国强磁场采用4台2000冷吨大温差离心式冷水机组进行并联制冷.而荷兰强磁场则利用其所在地年平均湿球温度仅7.5℃的自然条件,主要采用开式冷却塔制冷,极端天气才需配合冷水机组使用.而我国稳态强磁场实验装置地处夏热冬冷地区,为了降低制冷能耗,必须优化制冷配置,降低运行能耗.

2 水冷系统制冷模式分析

2.1 改造前制冷运行模式

改造前,水冷系统利用两台总制冷量达8 MW的大温差离心式冷水机组进行制冷.而水冷系统的冷却目标为5台水冷磁体及一台混合磁体内水冷磁体.由于各台磁体运行功率及用户的运行模式均有所不同,冷冻水的回水温度也不尽相同.

制冷运行前,根据蓄水罐内的具体温度,选择下游机单独制冷或两台冷机串联制冷.上下游冷水机组的额定输入功率分别为626 k W及756 k W,若以额定工况串联制冷运行10小时,一晚消耗电能为13820 k Wh.

2.2 改造后制冷运行模式

由于蓄冷量的提升,系统制冷能力也随之提升.新增冷水机组的额定输入功率达937 k W,两路制冷设备并联运行能耗巨大.因此改造在冷水机组的上游增加了闭式冷却塔.系统可根据不同磁体的实验热回水温度及所需制冷水量,除选择单台设备制冷外,还可选择多台制冷设备串、并联联合制冷.秋冬季节,湿球温度较低时,尽可能采用闭式冷却塔,实现节能的目的.

表1 水冷系统制冷运行模式Tab.1 Refrigeration operation mode of cooling water system

闭式冷却塔的选型参数及性能曲线如表2及图2所示.该选型参数的确定主要基于设备成本以及闭式冷却塔可投入运行天数分析.

表2 闭式冷却塔参数Tab.2 The parameters of closed cooling tower

在适当的湿球温度下,新增的闭塔和离心式冷水机组串联运行可以实现最高20℃的大温差制冷,即上游闭式冷却塔:26～18℃;下游离心式冷水机组:18～6℃.由图2的性能曲线可以看出,当空气湿球温度为12℃时,闭塔的进口水温为26℃,出口水温可以达到18℃,闭塔可以参与制冷运行.去离子水冷却系统采用夜间蓄冷的运行模式,制冷时间通常为17:00开始.2020年6月1日至2021年5月31日合肥17:00和24:00系统所采集的空气湿球温度变化曲线如图3所示.

图2 闭式冷却塔的性能曲线Fig.2 Performance curve of closed cooling tower

图3 合肥本项目所在地湿球温度曲线Fig.3 Air wet bulb temperature curve in Hefei

由上图可知,11月上半月至来年3月下半月的湿球温度基本低于12℃.经详细统计,共有124天17:00—24:00的空气湿球温度低于12℃,具备投入制冷运行的条件.该台闭式冷却塔在合肥地区的理论可运行天数占全年百分比近35%.

2.3 闭式冷却塔制冷节能效益分析

由于大温差离心式冷水机组不宜长时间低负荷运行,因此闭式冷却塔在本系统中的节能应用无法始终发挥其理论最大能力.考虑制冷运行的时间较长,本系统将闭式冷却塔与3号冷水机组串联运行时的闭塔出水温度设置为约11℃,保持冷水机组始终运行在50%左右的负荷,该负荷下冷水机组的COP达到6.9以上.

此外,本系统控制逻辑中,加入了湿球温度与闭式冷却塔进出水温度的预测判断.即通过拟合本台闭式冷却塔湿球温度与实际运行闭塔进出口水温关系式,当根据采集的湿球温度及入口水温,判断出口水温可达到制冷温度时,3号冷水机组停止运行,由闭式冷却塔单独制冷.该模式可在保障系统设备稳定性的基础上,将闭塔的节能效果最大化.

闭式冷却塔的节能效益分析主要将3号冷水机组作为分析参照.即对比闭式冷却塔在某湿球温度下将不同水温的水制冷至11℃与3号机组制冷同样温度的输入功率差异.在出水温度定为11℃的前提下,拟合得出冷机输入功率与制冷温差的关系,如式(1)所示.

式中:Pin——离心式冷水机组的输入功率,k W;

Δt——进出口水温温差,℃.

闭式冷却塔制冷时,主要运行设备有风机及喷淋泵.运行中,风机的变频器会通过控制风机转速来改变风量,以满足不同的制冷需求.喷淋水泵的输入功率保持不变.则不同风机频率下,闭塔的输入功率为:

式中:P b——闭塔的输入功率,k W;

f1——风机实际频率,Hz;

fmax——风机最大频率,Hz;

P1——风机的最大输入功率,k W;

P2——泵的输入功率,k W;

N——闭塔模块数,个.

由此,闭塔节能效益的数学模型为:

式中:E ec——使用闭塔节约的电能,k Wh;

T——使用闭塔的时间,h;

Pin、P b分别由式(1)、式(2)计算.

例如,当湿球温度约为6℃时,出水温度为11℃,制冷温差为5℃,则采用闭式冷却塔的制冷功率为82 k W,而采用3号冷水机组制冷,则功率达342 k W.制冷运行10小时,输入功率差异为2600 k Wh,节能效益显著.

3 闭式冷却塔的防冻

闭式冷却塔在夏热冬冷地区使用,尤其是非连续运行系统,必须考虑防冻问题,否则盘管易在冬季出现冻裂的情况.本项目选择了逆流式闭式冷却塔,其相比横流塔具有占地面积小、冷却效率高、在冬季运行不易结冰且防冻化冰更容易等优点[4].闭塔的换热盘管选用截面形状因子E≈1.5的椭圆管.相较于圆管,椭圆型盘管抗冻性更好[5].E=1.5椭圆管具有液膜薄、均匀性好、传热系数明显提高等特点[6-7].新增的闭塔结构从上至下主要由风机、配水系统、填料、挡水板、换热盘管、喷淋水泵、集水盘等构成,其原理图如下.

图4 闭式冷却塔结构原理图Fig.4 Schematic diagram of closed cooling tower structure

而在工艺流程上,也设计了相应的循环流程.在非制冷阶段,将其与实验热回水连通,一旦湿球温度触发循环条件,即开启阀门及防冻泵进入防冻循环.考虑极低温条件下,非实验及制冷阶段,该循环若无法保障盘管安全,还有一路与蓄水罐连通的循环流程,直接进行大循环.防冻原理图如下所示.若系统停机时间较长,也可考虑放空闭塔盘管内的存水.

图5 水冷系统闭塔防冻循环示意图Fig.5 Anti-freezing cycle of closed cooling tower in water system

4 总结

本文以合肥稳态强磁场实验装置水冷系统为研究对象,对其升级改造后整体制冷设计方案进行了介绍.重点针对冬季及过渡季节闭式冷却塔在该系统中的制冷节能应用进行了分析.主要研究内容及相关结论如下:

(1)由于该大功率水冷系统制冷能耗大,因此提出闭塔加大温差离心式冷水机组串联制冷的方案.该方案从参数设置及控制逻辑等方面充分考虑了大温差机组低负荷运行的稳定性及闭式冷却塔利用的最大化问题.

(2)提出了闭式冷却塔的选型依据,结合系统运行特征及合肥湿球温度数据,提出了该项目闭式冷却塔理论可参与系统制冷天数超过全年总天数的1/3.建立了闭式冷却塔节能效益模型,以系统3号离心式冷水机组作为基准,分析得出在一定的湿球温度及相同的制冷温差条件下,闭式冷却塔相较于冷水机组所节约的电能,指出其节能效果显著.

(3)结合系统特征,给出了闭式冷却塔防冻方案,该方案可确保在不同的系统状态下,盘管无冻裂风险.

因此,闭式冷却塔在夏热冬冷地区的大功率水冷系统中制冷使用,具备可行性,且具有巨大的节能效益,本文提出的相关分析及设计策略可为类似项目提供参考.