某汽车工厂涂装车间冷冻水系统设计

赵苏雷，李昌斌，张志豪，冯志明，牛志杰

1.中国汽车工业工程有限公司，天津 300000

2.重庆市设计院有限公司，重庆 400000

3.高青县建筑设计院，山东 淄博 255000

据资料统计，汽车工厂内涂装车间能耗约占整车制造总能耗的67%，其中涂装车间制冷能耗约占涂装车间总能耗的63%。因此，如何合理设计冷冻水系统，既保证车间的生产运行，又减少能耗，显得尤为重要。文章以某汽车工厂涂装车间为例，简要分析冷冻水系统设计的方案及技术要点。

1 项目概况及工艺用冷需求

某涂装车间位于陕西西安，具体工艺设备冷冻水耗量及需求如下：新风空调3688kW、循环风空调1058kW、闪干设备1856kW、强冷空调900kW、洁净间空调1765kW、调漆间空调657kW、工作区空调642kW、车间空调506kW、工作区空调760kW、电泳设备850kW、输调漆温控设备116kW。

其中，所有循环风空调及闪干设备要求全年供冷，电泳设备、输调漆温控设备要求全年24h不间断供冷，其余设备均只需夏季供冷。冷冻水要求温度为7～12℃。

2 制冷站站房及设备选型

涂装车间制冷站站房位置受工艺布局及车间管理要求的影响，大致可分为以下两种情况：（1）生产辅房内的制冷站房提供涂装车间全部所需的冷冻水，此时因制冷机数量多，站房所需的建筑面积较大，车间冷冻水管由站房直接接出，减少了输送能耗，车间可依据实际生产情况直接调控站房内的设备，便于管理协调；（2）生产辅房内的制冷站仅提供车间所需的部分冷冻水能耗，此时由于制冷机数量较少，所需生产辅房内建筑面积较小，但是需要车间和综合站房协调管理，管理复杂，同时整体上增加了输送能耗。该涂装车间制冷站房属于前者。

制冷站设备的选择应综合考虑涂装车间设备冷负荷的特性、站房的位置及尺寸，主要包含以下几点：（1）电泳换热设备及输调漆温控设备因工艺特性，对冷冻水温度的要求并不是十分严格，一般冷冻水供水温度可以波动到16℃，且其在车间不生产期间的冷负荷仅约为满负荷生产时的20%；（2）车间位置在陕西西安，冬季可利用板式换热器及冷却塔免费制冷，减少能耗；（3）输调漆空调需要夏季24h供冷，电泳换热设备及输调漆温控设备有全年24h的冷冻水需求，需要考虑备用设备及根据制冷设备的配电参数配置相应的应急发电设备；（4）为了保障生产，制冷系统设备需要较高的可靠性；（5）夏季冷负荷根据室外空气参数的变化而变化，为了减少能耗、节约能源，制冷系统设备的启停应灵活可调。

综合上述要点，主要设备最终选型结果如下：（1）离心式冷水机组CH-1～CH-3，制冷量为3516kW，3台；（2）水冷螺杆式冷水机组CH-4～CH-5，制冷量为1041kW，2台；（3）离心机配套的冷冻水泵A-1～A-4，流量为664m3/h，扬程为38m，4台（3用1备）；（4）离心机配套的冷却水泵B-1～B-4，流量为725m3/h，扬程为25m，4台（3用1备）；（5）离心机配套的方形逆流式冷却塔T-1～T-3，冷却水量为900m3/h；（6）螺杆机配套的冷冻水泵A-5～A-7，流量为196m3/h，扬程为38m，3台（2用1备）；（7）螺杆机配套的冷却水泵B-5～B-7，流量为225m3/h，扬程为25m，3台（2用1备）；（8）螺杆机配套的方形逆流式冷却塔T-4～T-5，冷却水量为300m3/h；（9）板式换热器BH-1，换热量为1100kW，1台。

制冷机组、水泵、冷却塔采用一一对应的形式，运行稳定、控制简单。其中，CH-5螺杆机及板式换热器BH-1和对应的水泵A-7、B-7，冷却塔T-5组成一套独立系统XT-1，负责供应电泳换热设备及输调漆温控换热设备。这里的制冷机、水泵、冷却塔均需要设置双电源，冷却塔集水盘需设置电加热系统。

离心机CH-1～CH-3及螺杆机CH-4和对应的水泵A-1～A-5、B-1～B-5（A-4，B-4为离心机备用泵），冷却塔T-1～T-4组成一套系统XT-2，负责供应工艺空调夏季冷冻水、循环风空调全年冷冻水、闪干设备等的全年冷冻水及输调漆空调夏季24h的冷冻水。该系统和前文所述螺杆机CH-5所在的系统XT-1冷冻水供回水主管道之间分别设管道连接，采用电动蝶阀隔断。备用泵A-6、B-6设置双电源，电量分别与泵A-7、B-7共用，不额外增加应急发电机负担。冷却塔T-3～T-4集水盘需要设置电加热系统。

冷冻水系统定压采用自动定压设备，定压设备配蓄水箱；系统内冷冻水采用软化水，开式冷却水系统设自动加药设备。

如此选型及设计的原因如下。（1）在室外湿球温度低于10℃左右时，即可仅使用冷却塔T-5将冷却水降温后通过板式换热器BH-1和冷冻水进行换热，达到制冷目的，从而减少制冷机能耗，节约能源。（2）在车间停产时，仅有电泳换热设备，输调漆温控换热设备需要冷冻水，由于工艺特性，此时冷负荷可能降低到满负荷生产时的20%左右，即200kW左右。因为离心式冷水机组在负载较低（约15%以下）时会发生喘振，严重危害到机组使用，所以根据冷负荷合理的选择螺杆式冷水机组，同时结合夏季满足紧急情况下（如厂区停电）输调漆空调的24h运行，最终选择螺杆机的制冷量为1041kW。（3）选择2台同型号螺杆机CH-4、CH-5，既可在正常工况下互为备用，满足低冷负荷下制冷机运行需求，也可作为自动控制增减制冷机组时的调节手段，使制冷机组的总制冷量可以以1000kW左右阶梯式递增或递减，达到减少能耗、节约能源的目的。（4）综合考虑涂装车间生产辅房内制冷站房的建筑布局特点、离心式冷水机组在低冷负荷时的喘振问题及站房内管道布置空间，选择3台同型号离心式冷水机组CH-1～CH-3，其中任意一台冷水机组的制冷量又与循环风空调、闪干设备等的全年用冷负荷接近，在实际运行时可实现交替运行，平衡制冷机组及其配套设备的使用时间，延长设备使用寿命。（5）冬季采用板式换热器时，系统XT-1与系统XT-2之间电动蝶阀关闭，2个系统各自独立运行，系统XT-1内冷冻水供水温度随室外气温变化，系统XT-2内冷冻水供回水温度为工艺要求的7℃～12℃；采用螺杆机CH-5运行时，系统XT-1与系统XT-2之间电动蝶阀打开，2个系统合并运行，制冷机组CH-1～CH-5采用集成化自动控制，根据实时冷负荷自动控制制冷机组及其配套设备的运行台数，达到减少能耗、节约能源的目的。（6）螺杆机CH-5及其对应的配套设备设置双电源是为了保证输调漆空调夏季24h运行及电泳换热设备，输调漆温控设备全年24h的稳定运行。（7）冷水机组运行时要求冷却水进水温度一般不低于20℃，因此为了满足冷水机组在冬季的正常运行，需要在冷却塔集水盘设置电加热设备，保证冷水机组的正常运行和冷却塔不运行时的防冻，在冬季，仅冷却塔T-3～T-5可能运行。（8）涂装车间最高处一般设有单独的空调平台层，因为工艺布局因素，空调平台层附近的生产辅房被输调漆间等工艺房间占用，制冷站房所处的位置层高较低，导致冷冻水系统定压采用膨胀水箱定压十分困难，所以采用全自动定压设备，配蓄水箱是为了防止车间停水时自动定压设备无法正常使用。（9）水系统采用软化水可缓解制冷机组、末端盘管及换热器设备因结垢导致的换热效率下降、能耗增加等问题。

3 水系统管道布置要点

第一，由于空调末端冷冻水阀组采用电动二通阀控制，在前述系统XT-2的冷冻水供回水主管上应设置压差旁通装置，压差旁通采用电动二通阀及压差变送器结合PLC自动控制。系统XT-1单独运行时，前处理电泳换热设备，输调漆温控换热设备处采用的是电动三通阀，属于定流量系统，可不设压差旁通装置。

第二，由于冷冻水系统管径较大，应合理地将部分自动排气阀改成集气罐的形式，并在便于操作的位置设手动排气阀，提高排气效率，便于系统调试。

第三，多数全自动定压设备要求设备的供水具备一定的压力（约0.13MPa），因此蓄水箱至定压设备的管路上应增设1台小型增压泵，满足全自动定压设备的正常使用需要。

第四，因为西安冬季室外气温较低，所以屋面冷却塔采用浮球阀自动补水，其补水管应设电伴热保温，防止室外管道因低温冻裂，冬季不使用的冷却塔放空时其补水管应可单独放空。

第五，用于冷却塔集水盘电加热控制的温度传感器探测位置应远离集水盘加热器，避免测量不准确，加热器无法正常工作。

4 结束语

虽然汽车工厂涂装车间的工艺布局随着工艺设计的变化而变化，但是其冷负荷的特性却大同小异。文章结合某工厂个例，简要讨论分析其冷冻水系统制冷站及水系统管道布置的部分设计点，为汽车工厂涂装车间的冷冻水系统设计提供了参考。