某分布式能源站冷冻水系统管道喘振问题分析

朱良君，郑宏伟，李国敏，刘心喜

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

随着我国城市化发展进程的加快，人民生活水平进一步提高，与之匹配的生活、交通、公共设施需求日益增加。对能源供应也提出了新的要求，在满足用户稳定用能的同时，还需考虑能源供应商的经济性。区域综合供能模式在新的能源发展背景下应运而生，集中供热、供冷、供气等集中供能手段也越来越重要。尤其是广州、深圳等南方城市，年平均气温为21℃左右，平均气温偏高，3～11月中旬均需采用空调制冷，制冷空调年利用小时数较高，冷负荷需求较大。在相对较繁华的商业中心，办公楼，酒店等区域内建设综合能源供应站，实现综合供热与供冷，将各类建筑物的冷热源加以耦合集成，并实现较大范围内冷热源优化调度，为能源的高效经济利用提供良好的应用场景。

1 系统概况

广东地区某冷热电三联供项目采用3台20V34SG型燃气内燃机发电机，装机容量为3×9.78MW，对应的余热设备为3台YRX390(96/79)-872H2烟气热水型溴化锂机组，以及3台8.6MW的串联式离心式冷水机组，9台单机制冷量7.4MW和3台单机制冷量为2.8MW的大温差离心式冷水机组。

能源站设计供冷负荷126MW，并采用母管制集中供冷，由冷冻水一次水泵经过各制冷机组蒸发器降温后汇入冷冻水分水器，如图1所示A、B、C、D、E、F六路水进入冷冻水分水器，再通过能源站自用冷冻水泵及外供二次泵进行供冷，回水全部汇集至冷冻水集水器，再分别分流回至各制冷设备，如图1所示A、B、C、D、EF五路回水，完成制冷循环。并在冷冻水集水器上设置了定压补水管道，为保障冷冻水系统的供水平衡与安全，在冷冻水分集水器之间设置自力式压力平衡阀，当分集水器压差过大时，自力式压力平衡阀动作，水由连通管流过，使得分集水器之间压力达到平衡。

图1 能源站供冷系统示意图

表1 能源站供冷系统设备主要参数

2 异常工况概况

2.1 第一次异常工况介绍

能源站在供冷模式下，站内制冷机处于待机状态，第一次异常工况前后DCS曲线如图2所示。站内所有一次水泵停止未运行，7#外供冷冻水二次泵运行频率23Hz，1#能源站自用冷冻水泵40Hz运行，冷冻水集水器压力0.3013MPa，冷冻水分水器压力0.2337MPa。鉴于当时冷冻水回水温度较高，运行人员拟增加外供二次水泵频率用以提高供冷流量，将7#外供冷冻水泵由23Hz调整至30Hz，在约30s之后，分集水器之间连通管发生剧烈振动，在关闭7#外供冷冻水泵后振动现象消失。

图2 第一次异常工况前后DCS曲线

2.2 第二次异常工况介绍

第二次异常工况前后DCS曲线如图3所示，站内一台270m³/h一次冷冻水泵50Hz满负荷运行，4#外供冷冻水二次泵运行频率23Hz，1#能源站自用冷冻水泵40Hz运行，冷冻水集水器压力0.2768MPa，冷冻水分水器压力0.2292MPa。在将4#外供冷冻水泵由逐级由23Hz增加至30Hz，在60s之后，分集水器之间连通管发生剧烈振动，在将4#外供冷冻水泵频率降低为20Hz后振动现象消失。

图3 第二次异常工况前后DCS曲线

3 原因分析

针对该能源站冷冻水供应系统在现运行工况下，对系统进行如图4所示简化，冷冻水在二次泵作用下由分水器进入站外用户板换换热后回流汇集至集水器，再由一次冷冻水泵进入制冷机组后完成循环，分集水器之间的自力式压力平衡阀维持分集水器之间压力平衡。

图4 能源站供冷系统简化示意图

按现自力式压力平衡阀工作原理，该自力式压力平衡阀采取此阀后压力控制，阀后为冷冻水集水器，阀后压力低于0.25MPa阀门打开，高于0.35MPa时关闭；冷冻水系统正常运行时冷冻水分水器、集水器压力分别为0.25MPa，0.30MPa左右，集水器压力高于分水器压力，目前冷负荷较小，外供冷冻水泵长期保持低频率（23Hz）运行，水泵流量与扬程均较小，及时站内一次泵不开启，自力式压力平衡阀维持常开，冷冻水由集水器流至分水器，系统能够维持动态平衡。

但当外界冷负荷变大，外供冷冻水泵频率增加至30Hz时，流量及扬程均瞬间增大，鉴于外供冷冻水泵的为2150t/h，而一次泵为270t/h，即使外供冷冻水泵在30Hz时流量依然远大于一次水泵，由此将造成分水器压力骤降至0.17MPa，集水器压力陡升至0.40MPa，而此时自力式压力平衡阀又因集水器压力上升而关闭，造成分集水器之间水锤冲击作用，产生较大的喘振。

4 建议

（1）根据现运行情况，拟采用切断自力式压力平衡阀压力控制，而采用直接连通管制，这种方法可在短期之内避免出现喘振问题。但直接采用旁通也会带来新的问题，用户回水将会直接由旁通进入供水管道，造成供水短路，会出现供水温度偏高，水泵做无用功的现象。

（2）从长期考虑，可采取压差控制阀，在阀门分水器与集水器之间设置压差控制阀，在正常工况下，压差阀关闭。当分集水器压差达到设定压力差值时动作打开，分集水器之间流通，维持压力平衡。

5 结语

该项目在低冷负荷供冷工况下，站内一次水泵与二次水泵不匹配问题突出，同时自力式压力平衡阀偏离设计工况工作。针对系统出现的异常喘振现象进行了具体分析，并指出了有效的改进措施，为同类型系统在设计、调试及运行方面提供参考。