组合式工业循环水冷却系统设计研究

余雪花

（机械工业第六设计研究院有限公司天津分公司 天津 300392）

0 引 言

冷却塔结构简单、造价低、运行维护成本低廉等优势突出。对于一种结构已确定的冷却塔，其出口水温由冷负荷和室外空气湿球温度决定。湿球温度则代表在当地大气温度条件下水可以被冷却的最低温度，即冷却塔出水温度的理论极限［2］。在实际工程应用中，受项目所在地自然气候条件等多重因素影响，在最不利工况下，冷却塔作为单一冷源可能难以实现生产工艺循环水冷却的需求［3-6］。通过设计形成一套组合式工业循环水冷却系统，充分发挥冷却塔的冷却效能，同时配合辅助冷却设备，可满足不同工况下生产工艺循环冷却水需求，对保障工艺条件、节约能耗具有重要意义［7］。

1 项目概况

该项目位于某工业企业的车间内，生产工艺使用循环冷却水。该车间工艺设备数量多，循环冷却水需求量较大且不均衡。特别是工艺设备循环冷却水供水水温要求较低，以冷却塔为单一冷源的循环水冷却系统难以满足工艺需求，需统筹考虑冷却效果、系统稳定性、能耗及造价，设计形成一套循环水冷却系统，以保障工艺设备稳定运行。

2 循环冷却水需求分析

2.1 水量分析

根据生产工艺需求，需要使用冷却循环水的工艺设备共计150台，循环冷却水用水量合计1 720 m3/h，其中最高用水设备用水量300 m3/h，最低用水设备用水量0.5 m3/h，用水量差异较大，且生产初期工艺设备不会全部开启。系统用水量整体处于非比例变化的动态中，冷源选型应能适应系统水量变化，管网设计需考虑配水均匀性。

2.2 温度分析

经查询当地气象数据，该项目所在地夏季温度最高时室外湿球温度为27 ℃。因冷却塔出水温度与空气湿球温度之差（即逼近度）在正常处理水量下通常为4 ℃，故冷却塔在一年中最不利情况下出水温度为31 ℃。

根据工艺设备要求，工艺设备在标准工况下供水温度不得高于28 ℃，对应回水温度为36 ℃；最低供水温度不应低于20 ℃。故在夏季最不利工况下，除冷却塔外均须设置辅助冷源。当室外湿球温度低于24 ℃时，冷却塔循环水出水温度不高于28 ℃，此时仅用冷却塔降温，辅助冷源停止运行。当温度进一步降低，冷却塔运行出水温度低于20 ℃时，采用旁通措施保证冷却塔出水温度不低于20 ℃，确保工艺设备正常运行。

2.3 水力分析

在变流量系统中，水力平衡可确保各工艺设备在各工况下至少可接收到所需的流量。考虑到项目非一次性投产，且不同设备用水量差别较大，检修时可能造成系统循环流量变化，进而影响系统稳定性。为使整个系统在设计工况下获得所需流量，水力平衡是本项目中的必要工艺流程，原理如图1所示。

图1 循环冷却系统原理示意图Fig.1 Schematic diagram of principle of circulating cooling system

循环冷却系统冷源可采用冷水机或冷却塔等制冷设备。冷却水经过工艺设备升温后，经冷却水循环泵回到冷源中降温，再继续供给生产设备。可在供回水干管间增设联通管及电动调节阀，在工艺设备非满负荷运行条件下，根据工艺设备开启数量变化所引起的需水量变化，自动调整电动阀开度，多余循环水通过联通管回到冷源，确保各工艺设备水量及水力条件相对稳定和不受其他工艺设备开闭影响。静态水力平衡阀用于克服系统因连接形式产生的水力不平衡［8］。

由于改造施工是在既有线上进行的，且每日施工仅有不到4 h 的“天窗”时间，当日施工结束后必须恢复线路并保证轨道状态稳定，不影响线路运营安全。因此，改造方案需重点考虑以下两方面的问题：

3 循环水冷却系统设计

循环水冷却系统为闭式循环系统，为节约成本，主要冷源选择闭式冷却塔，采用板式换热器并联冷水机组作为辅助冷源。系统设置循环泵，循环水由冷源及辅助冷源降温后通过循环泵供给工艺生产线中的设备，升温后的循环水回到冷源再一次降温，实现往复循环。系统采用定压补水装置补水，水源来自软水机制软化水。辅助冷源的冷水机组冷凝器侧设置循环水泵与冷却塔循环降温，蒸发器侧设置水泵及中间水箱与板式换热器循环降温。循环冷却系统工艺流程如图2所示。

图2 循环冷却系统流程示意图Fig.2 Schematic diagram of circulating cooling system

在制冷站房内设置流量相同的2套系统，每套系统设计流量为860 m3/h，一用一备。以下计算选型均以单套系统计。

3.1 冷却塔设计

选用3台闭式冷却塔，单台设计流量为430 m3/h，两用一备。冷却塔夏季运行时，采用冷水机辅助降温；冬季运行或遇停产等非正常工况时，采用电伴热保温方式保证水温不低于5 ℃；恢复生产后，先采用锅炉房热水供回水管路，通过板式换热器加热，至循环水温度高于20 ℃后停止。

3.2 工艺冷却水循环泵设计

工艺冷却水循环泵设计流量为系统循环水量的1.1倍，选用3台水泵，两用一备，单台设计流量473 m3/h。水泵扬程为系统管路水头损失加上末端设备所需水头损失，经计算约为0.5 MPa。

3.3 板式换热器设计

板式换热器为系统中连接主循环水系统和辅助冷源的关键设备。当冷却循环水温度经由冷却塔无法降至预期值，即出水温度升至28 ℃时，自动开启并调节比例式调节阀，启动冷冻水循环泵（板式换热器侧）；冷冻水系统通过板式换热器降低冷却循环水供水温度，使冷却循环水供水温度降至28 ℃以下。冷却水侧流量与系统流量一致，温差为28～31℃；冷冻水侧与冷冻水循环泵（板式换热器侧）一致，温差为7～12 ℃。

3.4 辅助冷源系统设计

冷水机组作为系统的辅助冷源，难以实现变频水泵式的精细化定量供冷方式，故应设置冷冻水箱。冷冻水箱存储一定量冷冻水，冷冻水循环泵（板式换热器侧）根据工艺设备冷却需求启停，通过板式换热器与工艺设备换热。同时，冷水机组与冷冻水箱间采用冷冻水循环泵（冷水机侧）换热。当冷冻水箱温度超过22 ℃时，冷冻水循环泵（冷水机侧）启动，冷水机组开启直至冷冻水箱温度至12 ℃，冷水机组及冷冻水循环泵（冷水机侧）依次停止运行，直至冷冻水箱温度升至22 ℃时再次启动。

常规冷水机组蒸发器端进出水温度为7～12 ℃，当系统需冷量降低、蒸发器端进水温度降低时，冷水机组停止工作。使用冷冻水箱既解决了供用冷平衡问题，又能防止冷水机组频繁启停或低温运行喘振停机对正常生产的影响。

3.4.1 冷水机组选型

冷水机制冷量计算如式（1）所示：

式中：Q为制冷量，kW；T1为进水温度，℃，本项目取31℃；T2为出水温度，℃，本项目取28 ℃；L为冷却水循环水量，L/s。

通过计算，冷水机组制冷量至少应为2 995.6 kW，选用一台冷水机组，单台冷水机组制冷量3 010 kW、用电功率555 kW，蒸发器侧流量517.7 m3/h（冷冻水）、进出水温度为7～12 ℃，冷凝器侧流量616.3 m3/h（冷却水）、进出水温度为32～37 ℃。

3.4.2 水泵设计

辅助冷源系统中共设置3组水泵。其中冷冻水循环泵（板式换热器侧）为冷冻水箱和板换之间的循环泵；冷冻水循环泵（冷水机侧）为冷冻水箱和冷水机组之间的循环泵；冷冻水循环泵（冷却塔侧）为冷水机组与冷却塔之间的循环泵。

冷冻水循环泵（板式换热器侧）和冷冻水循环泵（冷水机侧）流量采用冷水机组蒸发器侧流量，选用2台相同型号水泵，一用一备。扬程为管路及设备水头损失，经计算约为0.2 MPa。

冷却塔采用开式冷却塔，冷冻水循环泵（冷却塔侧）流量为冷水机冷凝器侧流量的1.2倍，流量为740 m3/h。冷却塔设置于室外地面，经计算，管路水头损失加上冷却塔与冷水机组安装位置的高差、冷水机组的局部水头损失约为0.2 MPa。

3.4.3 冷却塔设计

冷却塔设计流量为冷水机冷凝器侧流量的1.2倍，与冷冻水循环泵（冷却塔侧）流量一致，设计流量740 m3/h，进出水温度为32～37 ℃。

3.4.4 冷冻水箱设计

冷水机组在冷负荷低于满负荷25%时可能发生喘振停机，而停机后至重新启动至少需0.5 h。因此，冷冻水箱存储的冷量应不低于25%冷负荷工况下停机0.5 h的冷量，即25%循环水流量0.5 h的水量，计算得65 m3。

3.4.5 定压补水系统

定压补水装置主要由囊式定压罐、水泵、压力开关、控制箱等组成，通过吸纳部分水膨胀量实现自动补水、自动排气、自动泄压和自动过压保护等功能。当系统中水体积减小、系统压力降低时，罐内气体膨胀将囊中水压回系统，若补水量仍不能满足系统需水量，则水泵启动补水。因此，水泵流量的选择要根据系统的漏损量计算，由于闭式系统水的损耗很低，选用水泵流量一般较小，压力一般为系统最高点和定压点的高差，并附加2～3 m静水压力余量。

4 结 论

采用闭式冷却塔为主要冷源，结合冷水机、冷冻水箱、板式换热器等组成辅助冷源系统所形成的组合式循环水冷却系统在2个方面具有独特优势：一是节能效果突出，通过充分利用冷却塔的制冷能力，冷水机组仅在夏季高温时段用于补充冷却塔无法提供的冷量，较仅采用冷水机组为冷源的方案更加节能；二是保障正常生产效果明显，通过采用冷水箱蓄冷，平稳解决了冷水机低负荷工况下的生产供冷问题，保护了冷水机正常运行，同时系统优化了水力平衡，保障了各工艺设备用水需求。因此，此组合式循环水冷却系统具有高效、稳定、节能等特点，具有较大的推广潜力。