核岛人员通行厂房空调冷冻水系统设计优化

史淼

中国中原对外工程有限公司

0 引言

K-2/K-3 核电站位于卡拉奇以西24 公里处，2021年开始商业运作，为该城市提供电能。核电项目核岛人员通行厂房空调冷冻水采用的是定流量一级泵形式，然而随着国家规范、标准的不断更新以及项目客观环境要求，有待设计优化。

1 人员通行厂房冷冻水系统(WAC)现状

本工程人员通行厂房冷冻水系统（WAC）的功能是将人员通行厂房通风系统（VAB）、消防泵房通风系统（VFR）的冷却盘管冷却时所回收的热量，通过冷水机组传递给设备冷却水系统（WCC）。在空调冷冻水系统中各冷用户的实际流量与设计要求流量之间的不一致性称为该用户的水力失调。水力失调的程度可以用实际流量与设计要求流量的比值X 来衡量。

本工程冷冻水系统为定流量一级泵系统，原理见图1。运行时用户侧实时系统总水量保持恒定不变，依靠改变末端装置风量或者调节三通阀来进行末端水量调节。系统水泵压头要在设计工况下为最远装置提供资用压差。由于管道的资用压差随着离水泵距离的增加而减小，因此，资用压差在临近水泵处最大，在远端回路最小。

图1 冷冻水系统原理图

本工程含有相同末端设备，为异程式空调冷冻水系统，共7 个环路。各个末端设备所需压头△P 都相等。由于系统采用异程式，末端设备的环路压差在距离泵最近时最大，在距离泵最远时为最小。

未采用环路调节阀情况下，对各用户端流量进行实测，相关数据见表1。

表1 未采用环路调节阀情况下各用户流量分配表

由表1 可知，用户1 水力失调度最大，用户7 最小。为使各个末端设备达到设计工况下的相同流量，必须在各个环路安装调节阀来平衡多余的压差，以保证各个末端设备流量的一致性。此种方式，增加了系统的阻力，使输配系统中大量动力浪费在调节阀上。

当一条或几条负荷用户阀门处于关闭状态，将会使系统总阻抗增加，水泵的运行效率降低，伴随着整个水路系统水力不平衡，发生水力失调。假设关闭用户4 关闭，用户端压差变化如图2。用户4 阀门关闭，使系统总阻抗增加，总流量减小，从冷源到用户4 之间的供水和回水管的水压增大且变得平缓。用户4 到用户7 的供水和回水管的水压等比增大。用户4 处作用压差的增加，相当于所有负荷的作用压差都增加。在整个网络中，除用户4 以外的所有用户的流量增加，呈一致失调。

图2 各用户压差（资用压力）变化图

关闭用户4 情况下，对各用户端流量进行实测，其相关数据见表2。

表2 关闭用户4 情况下各用户流量分配表

由表2 可知，当关闭用户4 后，各个用户端的水力失调度进一步加大。故定流量系统运行需要通过调整用户端的调节阀消除水力失调度，此作法加大了系统的运行能耗，也不利于冷冻水系统运行管理。

2 空调水系统设计优化

《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》[1]第9.9.5.2 条指出：直接供冷空调水系统的负荷侧应按变流量系统设计；第9.9.5.3 条款指出：各区域水温要求一致且管路压力损失相差不大，系统阻力不高的中小型工程，宜采用一级泵系统。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[2]第8.5.4.2 条款指出：冷水水温和供回水温差要求一致且各区域管路压力损失相差不大的中小型工程，宜采用变流量一级泵系统。

综合上述规范条款内容可知，对于中小型工程，工业和民用设计规范推荐空调冷冻水系统优先采用变流量一级泵系统。结合实际情况，本工程可采用“冷水机组定流量，负荷侧变流量”的变流量一级泵系统形式，即一级泵压差旁通控制变流量的系统形式。

3 变流量一级泵系统系统及其水力特性

“冷水机组定流量、负荷侧变流量”的一级泵系统，是通过末端用户设置的水路两通自动控制阀控制末端的冷水量需求，同时，系统的运行水量也处于实时变化之中，是目前应用最广泛、最成熟的系统形式。现将本工程冷冻水定流量系统形式调整为一级泵压差旁通控制变流量系统形式，原理见图3。

图3 一级泵压差旁通控制变流量原理图

图3 中每个用户端的空调机组均配置了电动两通阀，可以根据用户端的控制参数，调节两通阀的流量分配，改变进入用户端空调机组的水流量，同时供、回水干管之间的电动压差平衡阀启、闭平衡供、回水之间的压力差。

变流量一级泵系统在运行过程中各末端用户的总阻力系数发生改变，因而通过的总流量改变，使得整个系统具有实时变化设计流量的功能。当用户端处于低负荷时，可以通过调节末端用户的冷冻水量来实现供冷量的改变，做到按需供应。

本工程改为变流量系统后，关闭用户4，系统阻抗变化见图4。

图4 变流量空调水系统用户端压差（资用压力）变化图

关闭用户4 情况下，对各用户端流量进行实测，其相关数据见表3。

由表3 可知，当部分用户关闭使用后，各个用户端的水力失调度得到了缓解。由于电动压差平衡阀的压差控制，使末端压差变为△P7不变，而末端用户的阻抗未发生变化，所以末端用户的流量也不发生变化。用户4 到末端用户7 的供回水管的水压线与未调节时的重合，因此用户4 之后的各用户流量与设计值相等，水力状态平衡。由于系统总流量变小，冷源至用户4 的压差将变小且平缓，用户4 之前的各用户作用压差将小于设计作用压差。因此，用户4 之前的各用户流量小于设计流量值，且距用户4 越远用户的流量与设计值相差越大，发生不等比的一致水力失调，即：X1＜X2＜X3＜1。由此可见，电动压差旁通阀平衡了系统供、回干管的压差变化，缓解冷冻水系统的水力失调。

表3 关闭用户4 情况下各用户流量分配表

4 结论

卡拉奇K-2/K-3 核电项目核岛人员通行厂房既有空调冷冻水系统为定流量系统，本文对其实际流量进行了测试，分析了水力失调度，确定了变流量一级泵系统的优化方式，对比了系统环路压差变化及水力失调度变化。当部分用户端关闭时，变流量空调水系统中水力失调度影响较小，更加利于系统的节能运行。在后续的核电项目工作中，设计者应将变流量一级泵空调水系统作为核岛空调水系统的优化方向。