核島人員通行廠房空調(diào)冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

史淼

中國(guó)中原對(duì)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(kāi)始商業(yè)運(yùn)作，為該城市提供電能。核電項(xiàng)目核島人員通行廠房空調(diào)冷凍水采用的是定流量一級(jí)泵形式，然而隨著國(guó)家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新以及項(xiàng)目客觀環(huán)境要求，有待設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 人員通行廠房冷凍水系統(tǒng)(WAC)現(xiàn)狀

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

本工程冷凍水系統(tǒng)為定流量一級(jí)泵系統(tǒng)，原理見(jiàn)圖1。運(yùn)行時(shí)用戶側(cè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)總水量保持恒定不變，依靠改變末端裝置風(fēng)量或者調(diào)節(jié)三通閥來(lái)進(jìn)行末端水量調(diào)節(jié)。系統(tǒng)水泵壓頭要在設(shè)計(jì)工況下為最遠(yuǎn)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(yuǎn)端回路最小。

圖1 冷凍水系統(tǒng)原理圖

本工程含有相同末端設(shè)備，為異程式空調(diào)冷凍水系統(tǒng)，共7 個(gè)環(huán)路。各個(gè)末端設(shè)備所需壓頭△P 都相等。由于系統(tǒng)采用異程式，末端設(shè)備的環(huán)路壓差在距離泵最近時(shí)最大，在距離泵最遠(yuǎn)時(shí)為最小。

未采用環(huán)路調(diào)節(jié)閥情況下，對(duì)各用戶端流量進(jìn)行實(shí)測(cè)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 未采用環(huán)路調(diào)節(jié)閥情況下各用戶流量分配表

由表1 可知，用戶1 水力失調(diào)度最大，用戶7 最小。為使各個(gè)末端設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)工況下的相同流量，必須在各個(gè)環(huán)路安裝調(diào)節(jié)閥來(lái)平衡多余的壓差，以保證各個(gè)末端設(shè)備流量的一致性。此種方式，增加了系統(tǒng)的阻力，使輸配系統(tǒng)中大量動(dòng)力浪費(fèi)在調(diào)節(jié)閥上。

當(dāng)一條或幾條負(fù)荷用戶閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，將會(huì)使系統(tǒng)總阻抗增加，水泵的運(yùn)行效率降低，伴隨著整個(gè)水路系統(tǒng)水力不平衡，發(fā)生水力失調(diào)。假設(shè)關(guān)閉用戶4 關(guān)閉，用戶端壓差變化如圖2。用戶4 閥門關(guān)閉，使系統(tǒng)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(dāng)于所有負(fù)荷的作用壓差都增加。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，除用戶4 以外的所有用戶的流量增加，呈一致失調(diào)。

圖2 各用戶壓差（資用壓力）變化圖

關(guān)閉用戶4 情況下，對(duì)各用戶端流量進(jìn)行實(shí)測(cè)，其相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 關(guān)閉用戶4 情況下各用戶流量分配表

由表2 可知，當(dāng)關(guān)閉用戶4 后，各個(gè)用戶端的水力失調(diào)度進(jìn)一步加大。故定流量系統(tǒng)運(yùn)行需要通過(guò)調(diào)整用戶端的調(diào)節(jié)閥消除水力失調(diào)度，此作法加大了系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，也不利于冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行管理。

2 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第9.9.5.2 條指出：直接供冷空調(diào)水系統(tǒng)的負(fù)荷側(cè)應(yīng)按變流量系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第9.9.5.3 條款指出：各區(qū)域水溫要求一致且管路壓力損失相差不大，系統(tǒng)阻力不高的中小型工程，宜采用一級(jí)泵系統(tǒng)。《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)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(qū)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(jí)泵系統(tǒng)。

綜合上述規(guī)范條款內(nèi)容可知，對(duì)于中小型工程，工業(yè)和民用設(shè)計(jì)規(guī)范推薦空調(diào)冷凍水系統(tǒng)優(yōu)先采用變流量一級(jí)泵系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際情況，本工程可采用“冷水機(jī)組定流量，負(fù)荷側(cè)變流量”的變流量一級(jí)泵系統(tǒng)形式，即一級(jí)泵壓差旁通控制變流量的系統(tǒng)形式。

3 變流量一級(jí)泵系統(tǒng)系統(tǒng)及其水力特性

“冷水機(jī)組定流量、負(fù)荷側(cè)變流量”的一級(jí)泵系統(tǒng)，是通過(guò)末端用戶設(shè)置的水路兩通自動(dòng)控制閥控制末端的冷水量需求，同時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行水量也處于實(shí)時(shí)變化之中，是目前應(yīng)用最廣泛、最成熟的系統(tǒng)形式。現(xiàn)將本工程冷凍水定流量系統(tǒng)形式調(diào)整為一級(jí)泵壓差旁通控制變流量系統(tǒng)形式，原理見(jiàn)圖3。

圖3 一級(jí)泵壓差旁通控制變流量原理圖

圖3 中每個(gè)用戶端的空調(diào)機(jī)組均配置了電動(dòng)兩通閥，可以根據(jù)用戶端的控制參數(shù)，調(diào)節(jié)兩通閥的流量分配，改變進(jìn)入用戶端空調(diào)機(jī)組的水流量，同時(shí)供、回水干管之間的電動(dòng)壓差平衡閥啟、閉平衡供、回水之間的壓力差。

變流量一級(jí)泵系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中各末端用戶的總阻力系數(shù)發(fā)生改變，因而通過(guò)的總流量改變，使得整個(gè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)變化設(shè)計(jì)流量的功能。當(dāng)用戶端處于低負(fù)荷時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)末端用戶的冷凍水量來(lái)實(shí)現(xiàn)供冷量的改變，做到按需供應(yīng)。

本工程改為變流量系統(tǒng)后，關(guān)閉用戶4，系統(tǒng)阻抗變化見(jiàn)圖4。

圖4 變流量空調(diào)水系統(tǒng)用戶端壓差（資用壓力）變化圖

關(guān)閉用戶4 情況下，對(duì)各用戶端流量進(jìn)行實(shí)測(cè)，其相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3 可知，當(dāng)部分用戶關(guān)閉使用后，各個(gè)用戶端的水力失調(diào)度得到了緩解。由于電動(dòng)壓差平衡閥的壓差控制，使末端壓差變?yōu)椤鱌7不變，而末端用戶的阻抗未發(fā)生變化，所以末端用戶的流量也不發(fā)生變化。用戶4 到末端用戶7 的供回水管的水壓線與未調(diào)節(jié)時(shí)的重合，因此用戶4 之后的各用戶流量與設(shè)計(jì)值相等，水力狀態(tài)平衡。由于系統(tǒng)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(shè)計(jì)作用壓差。因此，用戶4 之前的各用戶流量小于設(shè)計(jì)流量值，且距用戶4 越遠(yuǎn)用戶的流量與設(shè)計(jì)值相差越大，發(fā)生不等比的一致水力失調(diào)，即：X1＜X2＜X3＜1。由此可見(jiàn)，電動(dòng)壓差旁通閥平衡了系統(tǒng)供、回干管的壓差變化，緩解冷凍水系統(tǒng)的水力失調(diào)。

表3 關(guān)閉用戶4 情況下各用戶流量分配表

4 結(jié)論

卡拉奇K-2/K-3 核電項(xiàng)目核島人員通行廠房既有空調(diào)冷凍水系統(tǒng)為定流量系統(tǒng)，本文對(duì)其實(shí)際流量進(jìn)行了測(cè)試，分析了水力失調(diào)度，確定了變流量一級(jí)泵系統(tǒng)的優(yōu)化方式，對(duì)比了系統(tǒng)環(huán)路壓差變化及水力失調(diào)度變化。當(dāng)部分用戶端關(guān)閉時(shí)，變流量空調(diào)水系統(tǒng)中水力失調(diào)度影響較小，更加利于系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。在后續(xù)的核電項(xiàng)目工作中，設(shè)計(jì)者應(yīng)將變流量一級(jí)泵空調(diào)水系統(tǒng)作為核島空調(diào)水系統(tǒng)的優(yōu)化方向。