某实验楼低温冷却水系统改造设计

熊朝军, 李萌颖

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司绵阳分公司， 四川绵阳 621000)



某实验楼低温冷却水系统改造设计

熊朝军, 李萌颖

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司绵阳分公司， 四川绵阳 621000)

【摘要】文章介绍了某实验楼的循环冷却水系统改造设计。根据对之前运行方式所出现的问题进行分析，同时结合实际情况，最终确定采用低温冷却水系统，采用风冷冷水机组加保冷水箱的方式制备，设冷却水泵进行机械循环。其设计思路可供相关工程参考。

【关键词】实验楼;低温冷却水系统;风冷冷水机组

1工程概况

本项目为某电子研究所的4层实验楼，需要冷却水进行降温的实验设备均位于一层。设备入口水压要求不小于0.50MPa，设备出口压力不一(分为有压回水和重力回水两种)，要求水质为纯水，电导率不大于10μs/cm。

原有的循环冷却水系统由冷却塔加冷却水泵来满足水量及水压，但在运行过程中出现了一系列问题，因此需要进行改造。所出问题有：

(1)长期运行之后，管道经常堵塞，导致设备入水口处水压低、流量小，无法满足实验设备的制冷量要求。

(2)部分设备由于出水口压力小于0.10MPa，回水无法并入冷却水回水管网(若不及时排走，热量会聚集，实验设备无法正常工作)，回水只能排至排水管网，造成极大的浪费。

(3)新增设备较多，且要求较低的冷却水温度(要求冷却水的供水温度范围为20℃～25℃，回水温度约为30℃～35℃)，冷却塔出水(约为常温)无法满足要求，导致设备不停报警，无法工作。

以上问题会造成部分设备停止运行，对实验影响很大，甚至实验无法进行。不但浪费人力物力，而且会拖慢实验进度，这一损失是无法估量的。

考虑到以上出现的问题以及现在的设备情况，暂定以下两种解决方案。

方案一：增加一套低温冷却水系统，保留原有的常温冷却水系统。

方案二：全部改为低温冷却水系统。

若采用方案一，不但管网复杂，且仍需对常温冷却水系统进行改造，来保证水质。

经原有设备厂家确认，降低设备冷却水入口温度对设备无影响。因此，本次设计采用方案二，使用低温循环冷却水系统对所有设备进行冷却降温，不再使用冷却塔。

由于项目所在园区已建有纯水管网(水质满足本建筑实验设备的使用要求)，并能够提供本项目所需纯水量，本次设计直接取用，不再另行制备纯水。

2低温冷却水系统

2.1低温冷却水水量计算

按20℃的冷却水供水温度，30℃的冷却水回水温度对设备所需制冷量进行换算。设备所需的总制冷量为210kW，按照式(1)计算低温冷却水供水量。

(1)

式中：q为低温冷却水供水量(L/h)；

Q为设备所需制冷量(kJ/h)，经过换算，Q=756 000kJ/h；

C为水的热容，C=4.187kJ/(kg·K)；

tr为低温冷却水供水温度，tr=20℃；

tl为低温冷却水回水温度，tl=30℃；

经计算，q=18 055L/h=18m3/h。

2.2低温冷却水的制备

经过分析和比较后，确定采用风冷冷水机组加开式保冷水箱的方式制备和储存低温冷却水。冷却水回水进保冷水箱与冷水机组出水相混合，混合至20℃后供给实验设备使用，因此冷水机组设计回水温度按20℃计算，考虑5℃的温差，冷水机组出水温度按15℃计算。

根据冷却水与冷冻水制冷量相等的原则，利用式(1)计算冷冻水供水量为36m3/h(忽略损耗)。

保冷水箱尺寸为4.0m×2.8m×2.0m，设计水深为1.7m。为了使冷冻水出水与冷却水回水在保冷水箱中充分混合，采取以下两种措施：

(1)冷冻水出水与冷却水回水从水箱一端进入，冷冻水回水与冷却水供水从水箱另一端流出。

(2)根据水箱长度，在水箱中设置三根薄壁肋，详见图1，以使两路水进行较为充分的混合。

图1　保冷水箱布置

2.3低温冷却水系统配水管网

本项目实验设备出水分为两类：一类为有压回水，回水压力0.40～0.45MPa，水量大约为14m3；另一类为重力回水，回水压力小于0.10MPa，水量约为4m3。

在本建筑的北侧有一既有单层建筑，与本建筑距离不大于5m，长14.8m，宽6m，高4.65m。带局部地下室，地下室范围长5.5m，宽6m。经与业主沟通协调，这一既有建筑可改造为本项目的水泵房。

结合现有水泵房的实际情况，本项目末端配水管网分为两部分，有压回水直接回至保冷水箱(位于水泵房地面)，重力回水回至地下中转水箱(位于水泵房地下室部分)，再由中转水泵提升送至保冷水箱，风冷冷水机组置于水泵房东侧的室外地面，具体设备布置详见图2。

图2　水泵房设备平面布置

2.4材质及保温

为保证低温冷却水的水质，本次设计所有供回水管道、水箱、水泵、阀门阀件均采用304不锈钢材质，并在冷却水循环泵后设置不锈钢全程水处理器。

所有循环水管道均采用难燃B1级橡塑NBR/PVC发泡管进行保温，室外管道保温层厚度为50mm，室内管道保温层厚度为20mm。发泡管外侧设PAP铝箔保护壳。中转水箱及保冷水箱外设60mm厚橡塑海绵夹层进行保温。

2.5系统控制

系统原理图详见图3。

图3　低温冷却水系统原理

冷冻水系统的启动顺序为：电动阀开启(轮换机组进水方向电动阀关闭)→冷冻水泵启动→冷水机组启动。

冷冻水系统停机顺序为：冷水机组停机→冷冻水泵停机→冷水机组电动阀关闭。

不锈钢保冷水箱补水由水箱内设置的液位感应装置测得液位数据，经控制中心分析后，控制电磁阀进行补水动作。

由于实验设备要求的循环冷却水供水温度范围在20℃～25℃之间，为了使冷水机组运行期间更加节能，在冷却水供水管上(位于冷却水泵后)设置温度探测器，根据测得的数据对电动三通调节阀进行启闭控制。当测得温度低于21℃时，电动三通调节阀旁通侧全开，水箱侧全关，冷水机组进水方向电动阀全关；当温度上升至21℃时，电动三通调节阀旁通侧开始关闭，水箱侧开始开启，冷水机组进水方向电动阀开启，冷水机组进入低负荷运转状态；当温度上升至24℃时，电动三通调节阀旁通侧完全关闭，水箱侧完全开启，冷水机组进水方向电动阀开启，冷水机组进入全负荷运转状态。

冷水机组为两台，互为备用。系统运转时，位于冷水机组进水方向上的电动阀配合冷水机组轮换开启；系统停止时，电动阀全部关闭，冷水机组停机。

3结束语

经设计后期回访，截至目前，本系统运转基本正常，使用方提出目前循环水电导率指标略高于设计指标。经分析排查，主要原因为采购水泵和阀门等设备时未按照设计要求全部采用304不锈钢材质。

建议：应高度重视设备采购环节，严格控制设备质量以达到设计要求，从而保证系统长期运转后仍能维持原设计指标。

本文结合项目的实际情况以及之前运行时出现的问题，对循环冷却水系统提出了改造方案，并详细介绍了低温冷却水系统的设计要点，对今后设计人员在低温冷却水系统的设计上有较好的借鉴作用。

[作者简介]熊朝军(1981～)，男，本科，工程师，从事给排水设计工作。

【中图分类号】TU821.6

【文献标志码】B

[定稿日期]2016-01-28