常規(guī)島電氣用房空調冷源設計優(yōu)化

史淼

中國中原對外工程有限公司

同一堆型核電項目常規(guī)島電氣用房的空調冷源及其配套系統(tǒng)都保持著同一的形式，然而隨著規(guī)范、標準的不斷更新以及項目客觀條件的差異，空調冷源及其配套系統(tǒng)如仍保持同一形式不變，將會產(chǎn)生相應的系統(tǒng)問題，故需要設計者進行適應性設計。本文以實際工程案為例，對卡拉奇K-2/K-3 核電項目常規(guī)島電氣用房空調冷源及其相關系統(tǒng)存在的問題進行了分析，探討如何優(yōu)化常規(guī)島空調冷源及其相關系統(tǒng)，以達到合理的效果。

1 工程概況

K-2/K-3 核電項目廠址位于巴基斯坦卡拉奇市西部，靠近阿拉伯海北岸的卡拉奇天堂角附近，距卡拉奇市中心24.8 公里，位于現(xiàn)有核電廠（KANNUPP-1）西北方向約1.2 公里。巴基斯坦卡拉奇K-2/K-3 核電項目規(guī)劃裝機容量為2×1100 MW 級，建設兩臺三代百萬千瓦級壓水堆核電機組。

2 冷源系統(tǒng)配置方案

常規(guī)島電氣用房冷源采用螺桿式冷水機組加冷卻塔，服務范圍包括低壓配電間、熱控電子設備間、繼電室、直流屏室等，總冷負荷372 kW。

常規(guī)島制冷機房供水溫度7 ℃，回水溫度為12 ℃，空調水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)?？照{系統(tǒng)負荷變化由設置在各空調機組的兩通電動調節(jié)閥及常規(guī)島制冷站供回水總管間的壓差旁通電動調節(jié)閥調節(jié)，確保冷凍水系統(tǒng)供、回水總流量不變。冷源部分系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 冷源部分系統(tǒng)原理圖

冷源主要設備包括：

1）安裝在常規(guī)島制冷機房的2 臺容量為100%水冷螺桿式冷水機組。冷水機組容量為428.4 kW，功率88.2 kW。

2）安裝在電氣用房屋面的2 臺容量為100%冷卻塔，冷卻塔流量為125 t/h，冷卻供水溫度為32 ℃，回水溫度為37 ℃。冷卻塔為開式逆流冷卻塔。

3）安裝在常規(guī)島制冷機房的2 臺容量為100%冷凍水泵，水泵流量為80 t/h，揚程19.4 m。

4）安裝在常規(guī)島制冷機房的2 臺容量為100%冷卻水泵，水泵流量為125 t/h，揚程18.4 m。

3 冷源優(yōu)化

3.1 冷水機組選型偏大

冷水機組容量為428.4 kW，設計選型偏大（大于設計冷負荷372 kW 的1.1 倍），不滿足規(guī)范《工業(yè)建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》第9.2.1 條款要求“電動壓縮式冷水機組的總裝機容量應根據(jù)計算的冷源負荷確定，不應另做附加。在設計條件下，當機組的規(guī)格不能負荷設計冷負荷的要求時，所選擇機組的總裝機容量與計算冷負荷的比值不應超過1.1”[1]。

優(yōu)化措施：重新選擇冷水機組，冷水機組容量范圍在380～400 kW。

3.2 冷水機組制冷性能系數(shù)偏低（COP）

《發(fā)電廠供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》第10.2.5條款“冷水機組及單元式空調機組的性能參數(shù)應符合現(xiàn)行國家標準《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189 的相關規(guī)定。選擇電動壓縮式機組時，其制冷劑的選擇應滿足國家現(xiàn)行環(huán)保政策?！盵2]故常規(guī)島電氣廠房冷水機組制冷性能系數(shù)（COP）應按照《公共建筑節(jié)能設計標準》第4.2.10 條款要求“采用電機驅動的蒸汽壓縮循環(huán)冷水機組時，其名義制冷工況和規(guī)定條件下的性能系數(shù)（COP）應符合下列的規(guī)定：水冷式定頻機組及風冷或蒸發(fā)冷卻機組的性能系數(shù)（COP）不應低于表1 的數(shù)值”。

表1 名義制冷工況和規(guī)定條件下冷水（熱泵）機組的性能系數(shù)（COP）

本工程屬于夏熱冬暖地區(qū)，冷水機組為螺桿式，制冷量為428.4 kW，故對應圖1 中的性能系數(shù)（COP）為4.90。由于實際選型的冷水機組的制冷量為428.4 kW，額定功率為88.2 kW，則其能效系數(shù)為4.857，低于規(guī)范要求的4.90 標準。

優(yōu)化措施：重新選擇冷水機組，要求其能效系數(shù)（COP）高于4.90。

3.3 冷凍水泵耗電輸冷比偏低

《發(fā)電廠供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》第10.2.10 條款“空調冷熱水系統(tǒng)循環(huán)水泵的輸送能效比應符合現(xiàn)行國家標準《公共建筑節(jié)能設計標準》GB 50189 的相關規(guī)定?！倍鴮摹豆步ㄖ?jié)能設計標準》第4.3.9 條款內容為“在選配空調冷（熱）水系統(tǒng)的循環(huán)水泵時，應計算空調冷（熱）水系統(tǒng)耗電輸冷（熱）比[EC(H)R-a]，并應標注在施工圖的設計說明中”，故常規(guī)島冷源系統(tǒng)的冷凍水泵需要進行耗電輸冷比節(jié)能計算。

空調冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的計算：

式中：ECR-a 為空調冷水系統(tǒng)耗電輸冷比；G 為每臺運行水泵設計流量，m3/h，本工程為80 m3/h；H 為每臺運行水泵對應的設計揚程，mH2O，本工程為19.4m；ηb為每臺運行水泵對應的設計工作點效率，本工程為66%（未達到《離心泵效率》國家標準的技術要求）；Q 為設計冷負荷，kW，本工程取372kW；ΔT 為規(guī)定的計算供回水溫差，℃，本工程為5 ℃；A 為與水泵相關的計算系數(shù)，本工程取0. 003858；B 為與機房及用戶的水阻力有關的計算系數(shù)，本工程按一級泵冷水系統(tǒng)取值為28；α 為與∑L 有關的計算系數(shù)，本工程計算后為0.020；∑L 為從冷熱機房出口至該系統(tǒng)最遠用戶供回水管道的總輸送長度，本工程約為420 m。

經(jīng)計算，空調冷水系統(tǒng)耗電輸冷比式左ECR-a 為0.020 小于式右0.028，計算結果雖然達到了《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015 第4.3.9 條款的節(jié)能要求，但耗電輸冷比與其節(jié)能限值過于接近，需要進行優(yōu)化。

優(yōu)化措施：依據(jù)本工程的制冷負荷372 kW，對制冷機組、冷凍水泵選型進行設計調整。依據(jù)優(yōu)化措施冷水機組重新選型的容量為400 kW，對應的冷凍水泵流量G 為68.6 m3/h，冷凍水泵揚程H 為19.4 m（維持原系統(tǒng)保持不變）。ηb的效率取值依據(jù)《離心泵效率》第4.2.a)條款“單級單吸離心水泵流量為5 m3/h～10000 m3/h 時，不低于表（單級離心泵效率）中數(shù)值”。故ηb取值為76.4%。

優(yōu)化后空調冷水系統(tǒng)耗電輸冷比的計算：

根據(jù)式（1）計算，空調冷水系統(tǒng)耗電輸冷比式左ECR-a 為0.014 遠小于式右的0.028，計算結果更加滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》GB50189-2015 第4.3.9 條款節(jié)能要求。優(yōu)化前后冷凍水泵參數(shù)見表2。

表2 優(yōu)化前后冷凍水泵參數(shù)表

3.4 冷卻塔、冷卻水泵的設計選型不合理

本工程單臺冷卻塔、冷卻水泵容量為125 t/h，而依據(jù)冷水機組選型428.4 kW，冷卻塔、冷卻水泵的容量計算為95.4 t/h，故冷卻塔、冷卻水泵的設計容量偏大且不合理。

優(yōu)化措施：優(yōu)化后冷水機組重新選型的容量為400 kW，對應的冷卻塔、冷卻水泵的流量僅為89.1 t/h，相比本工程冷卻塔、冷卻水泵設計容量125 t/h 明顯的降低。

冷卻水量計算方法如下：

式中：G 為冷卻水量，t/h；Q0為風冷冷水機組冷負荷，優(yōu)化后取400 kW；k 為風冷冷水機組制冷時耗功的熱量系數(shù)取1.3；c 為水的比熱容kJ/(kg·℃)，本工程取4.2；tW1為冷卻回水溫度為37 ℃；tW2為冷卻供水溫度為32 ℃。

優(yōu)化前后冷卻塔、冷卻水泵參數(shù)見表3、表4。

表3 優(yōu)化前后冷卻塔參數(shù)表

表4 優(yōu)化前后冷卻水泵參數(shù)表

3.5 探討冷源形式水冷式變更為風冷式的可行性

上述探討了冷源形式采用水冷式冷水機組存在的設計問題，但如將冷源形式由水冷式變更為風冷式是否會對冷源系統(tǒng)進一步優(yōu)化。對此，筆者從如下幾個方面進行分析：

1）規(guī)范標準

《發(fā)電廠供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》第10.2.3.4 條款“核電廠常規(guī)島空調冷源宜采用電動壓縮式制冷機組供冷”?；诖藯l內容，規(guī)范要求了核電廠常規(guī)島的空調冷源采用電動壓縮式制冷機組，而并未明確其采用水冷或風冷形式，故風冷形式是《發(fā)電廠供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》允許的。

2）風冷式冷源對比水冷式冷源的優(yōu)缺點

優(yōu)點：①風冷式冷源節(jié)省建筑空間。由于風冷式冷水機組布置在室外，可節(jié)省相應的建筑空間。本項目的制冷機房尺寸為140 m2，如采用風冷式冷源，機房內僅需設置定壓設備、冷凍水泵等設備，房間面積僅需60 m2。②風冷式冷源采用空氣冷卻，不需要設置冷卻塔、冷卻水泵、電子水處理儀等設備，故風冷冷源系統(tǒng)設計更加簡潔，控制更加簡單，設備運行可靠性高。③風冷式冷源不配置冷卻塔、冷卻水泵，故風冷式冷源比水冷冷水機組更節(jié)省水資源，維護保養(yǎng)經(jīng)濟、簡單。

缺點：①風冷冷水機組比水冷冷水機組一次性投資要稍高。②風冷冷水機組的能效系數(shù)低于水冷式冷水機組。③風冷冷水機組的噪音和體積較水冷冷水機組的大。④風冷式冷源全年運轉電費略高于水冷式冷水機組。⑤水冷冷水機組的使用壽命為比風冷冷水機組的使用壽命長。

3）耗能

考慮將現(xiàn)狀水冷冷源、優(yōu)化后水冷冷源、風冷冷源三種狀況下的耗電、耗水量進行對比。耗電量見表5，耗水量見表6。

表5 耗電量

表6 耗水量

將冷源形式由水冷式變更為風冷式從上述方案論證結果判斷可行。本工程如采用風冷冷源理論上可年節(jié)省用水量21900 t，降低機房占地空間，優(yōu)化系統(tǒng)設計、簡化系統(tǒng)管理，但由于風冷冷源的低換熱能效系數(shù)需要明年多消耗電能174108 kWh。

4 結論

本文結合卡拉奇K-2/K-3 核電項目常規(guī)島電氣用房空調冷源及其配套系統(tǒng)存在的設備選型、能效要求、節(jié)能、節(jié)水等問題，分析總結了對應改進措施。設計者需要以相應規(guī)范、標準為依據(jù)，對系統(tǒng)設備的選型進行約束、優(yōu)化，應當重視設計過程中設備選型過大、冷水機組的能效系數(shù)偏低、冷凍和冷卻水泵的額定效率超標等經(jīng)常忽略的問題。