常规岛电气用房空调冷源设计优化

史淼

中国中原对外工程有限公司

同一堆型核电项目常规岛电气用房的空调冷源及其配套系统都保持着同一的形式，然而随着规范、标准的不断更新以及项目客观条件的差异，空调冷源及其配套系统如仍保持同一形式不变，将会产生相应的系统问题，故需要设计者进行适应性设计。本文以实际工程案为例，对卡拉奇K-2/K-3 核电项目常规岛电气用房空调冷源及其相关系统存在的问题进行了分析，探讨如何优化常规岛空调冷源及其相关系统，以达到合理的效果。

1 工程概况

K-2/K-3 核电项目厂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，位于现有核电厂（KANNUPP-1）西北方向约1.2 公里。巴基斯坦卡拉奇K-2/K-3 核电项目规划装机容量为2×1100 MW 级，建设两台三代百万千瓦级压水堆核电机组。

2 冷源系统配置方案

常规岛电气用房冷源采用螺杆式冷水机组加冷却塔，服务范围包括低压配电间、热控电子设备间、继电室、直流屏室等，总冷负荷372 kW。

常规岛制冷机房供水温度7 ℃，回水温度为12 ℃，空调水系统采用一次泵变流量系统。空调系统负荷变化由设置在各空调机组的两通电动调节阀及常规岛制冷站供回水总管间的压差旁通电动调节阀调节，确保冷冻水系统供、回水总流量不变。冷源部分系统原理图见图1。

图1 冷源部分系统原理图

冷源主要设备包括：

1）安装在常规岛制冷机房的2 台容量为100%水冷螺杆式冷水机组。冷水机组容量为428.4 kW，功率88.2 kW。

2）安装在电气用房屋面的2 台容量为100%冷却塔，冷却塔流量为125 t/h，冷却供水温度为32 ℃，回水温度为37 ℃。冷却塔为开式逆流冷却塔。

3）安装在常规岛制冷机房的2 台容量为100%冷冻水泵，水泵流量为80 t/h，扬程19.4 m。

4）安装在常规岛制冷机房的2 台容量为100%冷却水泵，水泵流量为125 t/h，扬程18.4 m。

3 冷源优化

3.1 冷水机组选型偏大

冷水机组容量为428.4 kW，设计选型偏大（大于设计冷负荷372 kW 的1.1 倍），不满足规范《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》第9.2.1 条款要求“电动压缩式冷水机组的总装机容量应根据计算的冷源负荷确定，不应另做附加。在设计条件下，当机组的规格不能负荷设计冷负荷的要求时，所选择机组的总装机容量与计算冷负荷的比值不应超过1.1”[1]。

优化措施：重新选择冷水机组，冷水机组容量范围在380～400 kW。

3.2 冷水机组制冷性能系数偏低（COP）

《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》第10.2.5条款“冷水机组及单元式空调机组的性能参数应符合现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189 的相关规定。选择电动压缩式机组时，其制冷剂的选择应满足国家现行环保政策。”[2]故常规岛电气厂房冷水机组制冷性能系数（COP）应按照《公共建筑节能设计标准》第4.2.10 条款要求“采用电机驱动的蒸汽压缩循环冷水机组时，其名义制冷工况和规定条件下的性能系数（COP）应符合下列的规定：水冷式定频机组及风冷或蒸发冷却机组的性能系数（COP）不应低于表1 的数值”。

表1 名义制冷工况和规定条件下冷水（热泵）机组的性能系数（COP）

本工程属于夏热冬暖地区，冷水机组为螺杆式，制冷量为428.4 kW，故对应图1 中的性能系数（COP）为4.90。由于实际选型的冷水机组的制冷量为428.4 kW，额定功率为88.2 kW，则其能效系数为4.857，低于规范要求的4.90 标准。

优化措施：重新选择冷水机组，要求其能效系数（COP）高于4.90。

3.3 冷冻水泵耗电输冷比偏低

《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》第10.2.10 条款“空调冷热水系统循环水泵的输送能效比应符合现行国家标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189 的相关规定。”而对应的《公共建筑节能设计标准》第4.3.9 条款内容为“在选配空调冷（热）水系统的循环水泵时，应计算空调冷（热）水系统耗电输冷（热）比[EC(H)R-a]，并应标注在施工图的设计说明中”，故常规岛冷源系统的冷冻水泵需要进行耗电输冷比节能计算。

空调冷水系统耗电输冷比的计算：

式中：ECR-a 为空调冷水系统耗电输冷比；G 为每台运行水泵设计流量，m3/h，本工程为80 m3/h；H 为每台运行水泵对应的设计扬程，mH2O，本工程为19.4m；ηb为每台运行水泵对应的设计工作点效率，本工程为66%（未达到《离心泵效率》国家标准的技术要求）；Q 为设计冷负荷，kW，本工程取372kW；ΔT 为规定的计算供回水温差，℃，本工程为5 ℃；A 为与水泵相关的计算系数，本工程取0. 003858；B 为与机房及用户的水阻力有关的计算系数，本工程按一级泵冷水系统取值为28；α 为与∑L 有关的计算系数，本工程计算后为0.020；∑L 为从冷热机房出口至该系统最远用户供回水管道的总输送长度，本工程约为420 m。

经计算，空调冷水系统耗电输冷比式左ECR-a 为0.020 小于式右0.028，计算结果虽然达到了《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 第4.3.9 条款的节能要求，但耗电输冷比与其节能限值过于接近，需要进行优化。

优化措施：依据本工程的制冷负荷372 kW，对制冷机组、冷冻水泵选型进行设计调整。依据优化措施冷水机组重新选型的容量为400 kW，对应的冷冻水泵流量G 为68.6 m3/h，冷冻水泵扬程H 为19.4 m（维持原系统保持不变）。ηb的效率取值依据《离心泵效率》第4.2.a)条款“单级单吸离心水泵流量为5 m3/h～10000 m3/h 时，不低于表（单级离心泵效率）中数值”。故ηb取值为76.4%。

优化后空调冷水系统耗电输冷比的计算：

根据式（1）计算，空调冷水系统耗电输冷比式左ECR-a 为0.014 远小于式右的0.028，计算结果更加满足《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 第4.3.9 条款节能要求。优化前后冷冻水泵参数见表2。

表2 优化前后冷冻水泵参数表

3.4 冷却塔、冷却水泵的设计选型不合理

本工程单台冷却塔、冷却水泵容量为125 t/h，而依据冷水机组选型428.4 kW，冷却塔、冷却水泵的容量计算为95.4 t/h，故冷却塔、冷却水泵的设计容量偏大且不合理。

优化措施：优化后冷水机组重新选型的容量为400 kW，对应的冷却塔、冷却水泵的流量仅为89.1 t/h，相比本工程冷却塔、冷却水泵设计容量125 t/h 明显的降低。

冷却水量计算方法如下：

式中：G 为冷却水量，t/h；Q0为风冷冷水机组冷负荷，优化后取400 kW；k 为风冷冷水机组制冷时耗功的热量系数取1.3；c 为水的比热容kJ/(kg·℃)，本工程取4.2；tW1为冷却回水温度为37 ℃；tW2为冷却供水温度为32 ℃。

优化前后冷却塔、冷却水泵参数见表3、表4。

表3 优化前后冷却塔参数表

表4 优化前后冷却水泵参数表

3.5 探讨冷源形式水冷式变更为风冷式的可行性

上述探讨了冷源形式采用水冷式冷水机组存在的设计问题，但如将冷源形式由水冷式变更为风冷式是否会对冷源系统进一步优化。对此，笔者从如下几个方面进行分析：

1）规范标准

《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》第10.2.3.4 条款“核电厂常规岛空调冷源宜采用电动压缩式制冷机组供冷”。基于此条内容，规范要求了核电厂常规岛的空调冷源采用电动压缩式制冷机组，而并未明确其采用水冷或风冷形式，故风冷形式是《发电厂供暖通风与空气调节设计规范》允许的。

2）风冷式冷源对比水冷式冷源的优缺点

优点：①风冷式冷源节省建筑空间。由于风冷式冷水机组布置在室外，可节省相应的建筑空间。本项目的制冷机房尺寸为140 m2，如采用风冷式冷源，机房内仅需设置定压设备、冷冻水泵等设备，房间面积仅需60 m2。②风冷式冷源采用空气冷却，不需要设置冷却塔、冷却水泵、电子水处理仪等设备，故风冷冷源系统设计更加简洁，控制更加简单，设备运行可靠性高。③风冷式冷源不配置冷却塔、冷却水泵，故风冷式冷源比水冷冷水机组更节省水资源，维护保养经济、简单。

缺点：①风冷冷水机组比水冷冷水机组一次性投资要稍高。②风冷冷水机组的能效系数低于水冷式冷水机组。③风冷冷水机组的噪音和体积较水冷冷水机组的大。④风冷式冷源全年运转电费略高于水冷式冷水机组。⑤水冷冷水机组的使用寿命为比风冷冷水机组的使用寿命长。

3）耗能

考虑将现状水冷冷源、优化后水冷冷源、风冷冷源三种状况下的耗电、耗水量进行对比。耗电量见表5，耗水量见表6。

表5 耗电量

表6 耗水量

将冷源形式由水冷式变更为风冷式从上述方案论证结果判断可行。本工程如采用风冷冷源理论上可年节省用水量21900 t，降低机房占地空间，优化系统设计、简化系统管理，但由于风冷冷源的低换热能效系数需要明年多消耗电能174108 kWh。

4 结论

本文结合卡拉奇K-2/K-3 核电项目常规岛电气用房空调冷源及其配套系统存在的设备选型、能效要求、节能、节水等问题，分析总结了对应改进措施。设计者需要以相应规范、标准为依据，对系统设备的选型进行约束、优化，应当重视设计过程中设备选型过大、冷水机组的能效系数偏低、冷冻和冷却水泵的额定效率超标等经常忽略的问题。