南京地鐵空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

摘要： 本文結(jié)合南京地鐵空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)和相關(guān)設(shè)備容量配置，從充分利用現(xiàn)有資源、降低噪聲、有利節(jié)能、方便運(yùn)營管理等角度出發(fā)，對(duì)南京地鐵南北線一期工程空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)置提出了具體措施。
一、 項(xiàng)目背景
　南京地鐵南北線一期工程項(xiàng)目南起小行，北至邁皋橋，是南京市快速軌道交通路網(wǎng)的骨干線路。線路全長(zhǎng)16.90公里，設(shè)有13座車站，其中地下車站8座、高架及地面車站5座。
　本工程8座地下車站均設(shè)有空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。地下車站空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)包括大系統(tǒng)和小系統(tǒng)。車站公共區(qū)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱大系統(tǒng)；設(shè)備管理用房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)兼排煙系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱小系統(tǒng)。地下車站一般為地下二層結(jié)構(gòu)，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層，車站冷凍機(jī)房一般布置在室內(nèi)地下一層或地下二層。
　本工程每座地下車站設(shè)一至兩個(gè)冷凍機(jī)房，每個(gè)冷凍機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)有兩至三臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組。典型冷凍機(jī)房(如：三山街站南端冷凍機(jī)房)內(nèi)設(shè)有三臺(tái)水冷螺桿式冷水機(jī)組，兩大一小。其中，兩臺(tái)同型號(hào)冷水機(jī)組選用冷量與大系統(tǒng)的冷負(fù)荷相匹配，容量較大；另一臺(tái)冷水機(jī)組選用冷量與小系統(tǒng)的冷負(fù)荷相匹配，容量較小。
　空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)由冷凍水系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)組成，空調(diào)冷卻水系統(tǒng)主要設(shè)備為冷卻塔和冷卻水泵，冷卻塔分別就近設(shè)在室外通風(fēng)良好處，循環(huán)冷卻水通過冷卻塔進(jìn)行降溫處理。
二、 空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與冷卻塔能耗分析
1、空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
　當(dāng)前空調(diào)工程中，機(jī)械通風(fēng)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)被廣泛采用。綜合多方因素，本工程設(shè)計(jì)選用方形橫流冷卻塔。現(xiàn)以典型冷凍機(jī)房為例，空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有以下三種：
方案一：?jiǎn)螜C(jī)配套互相獨(dú)立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（如圖一）。本系統(tǒng)中，冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵為一一對(duì)應(yīng)設(shè)置，形成三個(gè)并列的冷卻水循環(huán)回路，系統(tǒng)之間無干擾，管理方便。
方案二：冷水機(jī)組與冷卻塔對(duì)應(yīng)設(shè)置，共用供、回水母管的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（如圖二）。本系統(tǒng)中，冷水機(jī)組、冷卻塔、冷卻水泵為一一對(duì)應(yīng)選配，然后通過共用供、回水母管相連接。
方案三：冷卻塔的總冷卻能力與冷水機(jī)組總冷量相匹配，共用供、回水母管的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（如圖三）。本系統(tǒng)中，三臺(tái)冷水機(jī)組并聯(lián)設(shè)置，容量相同的三臺(tái)冷卻塔串成一組，然后通過共用供、回水母管相連接。

2、冷卻塔能耗分析與方案選擇
　上述三種設(shè)計(jì)方案中，究竟何種設(shè)計(jì)方案更適用于南京地鐵的工程實(shí)際，我們不妨先從能耗的角度進(jìn)行分析。
　由南京地鐵南北線一期工程空調(diào)通風(fēng)（初步）設(shè)計(jì)文件得知：
1. 根據(jù)南京地鐵的客流預(yù)測(cè)，冷水機(jī)組的運(yùn)行工況可分為遠(yuǎn)期（7年）、中期（10年）、近期（8年）三種狀況。近期、中期高峰全線總設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷分別約為遠(yuǎn)期高峰全線總設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷的50%、67%。按照設(shè)計(jì)要求，本工程中冷水機(jī)組現(xiàn)已按照遠(yuǎn)期高峰全線總設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷（其值約為20478kW）選用。
2. 遠(yuǎn)期、中期、近期最小新風(fēng)工況全線日平均冷負(fù)荷分別為：12287 kW、8191 kW、6143 kW，約為總設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷的60%、40%、30%。
3. 遠(yuǎn)期、中期、近期全新風(fēng)工況全線日平均冷負(fù)荷分別為：5369 kW、3580 kW、2685kW，約為總設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷的26.2%、17.5%、13.1%。
4. 在每日5:00—23:00(列車通行時(shí)間)內(nèi)，全年最小新風(fēng)工況（室外空氣焓：h≥70kJ/kg）為997小時(shí)、全新風(fēng)工況（室外空氣焓：54kJ/kg≤ h≤70kJ/kg）為1209小時(shí)。
5. 遠(yuǎn)期、中期、近期全線日平均冷負(fù)荷約為總設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷的41.5%、27.7%、20.7%，即在冷水機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間2206小時(shí)的大部分時(shí)間內(nèi)冷水機(jī)組在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行。
　作為與冷水機(jī)組配套設(shè)置的冷卻塔，大部分時(shí)間是與冷水機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行工況相適應(yīng)。假設(shè)冷卻塔在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況條件下的冷卻能力為100%，經(jīng)測(cè)算，冷卻塔在下列條件下的冷卻能力見下表：

　假設(shè)冷卻塔的經(jīng)濟(jì)壽命為20年（即遠(yuǎn)期2年、中期10年、近期8年）、在年運(yùn)行時(shí)間2206小時(shí)內(nèi)均為滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、冷卻塔耗電比為0.035 kW/ (m3/h)、電價(jià)為0.6元/ kW.h，則冷卻塔在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的電耗為：6632(標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況條件下的冷卻水總量)×0.035×2206×20=10241134(kW.h)；冷卻塔在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的運(yùn)行電費(fèi)為：10241134×0.6=6144680（元）。鑒于地鐵車站日客流量不斷變化，空調(diào)設(shè)備在其大部分壽命期內(nèi)處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。
　對(duì)于方案一和方案二，冷卻塔與對(duì)應(yīng)冷水機(jī)組配套使用，由冷卻塔的冷卻能力測(cè)算結(jié)果可知：當(dāng)冷水機(jī)組部分負(fù)荷超過22%時(shí)，對(duì)應(yīng)冷卻塔風(fēng)機(jī)必須運(yùn)轉(zhuǎn)。為方便計(jì)算，假設(shè)各時(shí)期的冷卻塔風(fēng)機(jī)電耗與各時(shí)期的全線日平均冷負(fù)荷成正比，則冷卻塔在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的電耗為：(6632×0.035×2206)×(20.7%×8＋27.7%×10＋41.5%×2)=2691370(kW.h)；冷卻塔在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的運(yùn)行電費(fèi)為：2691370×0.6=1614822（元）。
　對(duì)于方案三，由于冷卻塔遠(yuǎn)期、中期、近期全線日平均冷負(fù)荷約為總設(shè)計(jì)計(jì)算冷量的41.5%、27.7%、20.7%，在絕大部分時(shí)間內(nèi)是一臺(tái)冷水機(jī)組處于部分負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，而此時(shí)與冷水機(jī)組配套使用的一組冷卻塔在冷卻塔風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，其熱力性能達(dá)48%—66%。尤其在中期和近期，冷卻塔風(fēng)機(jī)幾乎無電耗, 假設(shè)遠(yuǎn)期冷卻塔電耗與方案一等同，則冷卻塔在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的電耗為：6632×0.035×2206×41.5%×2=425007(kW.h)；冷卻塔在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的運(yùn)行電費(fèi)為：425007×0.6=255004（元）。
　綜上所述，若采用方案三，可比方案一和方案二節(jié)約冷卻塔在經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的運(yùn)行電費(fèi)約136萬元，約占冷卻塔初投資的75.6%（136÷180=0.756），故選用方案三對(duì)節(jié)能有利。另外，方案三與方案一相比還具有如下主要優(yōu)勢(shì)：
⑴、在近期和中期，方案三中冷卻塔的自然冷卻能力得到充分發(fā)揮，風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻塔噪音較低（僅有淋水聲），對(duì)環(huán)保有利。相對(duì)而言，方案三中運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間短（如：出現(xiàn)突發(fā)客流，冷負(fù)荷較大時(shí)），故冷卻塔維修保養(yǎng)費(fèi)用較少。
⑵、方案三中，三臺(tái)冷卻塔并聯(lián)成一組，外表更美觀且備用性好。
⑶、方案三中，三臺(tái)冷卻塔的集水盤型號(hào)相同且相互溝通，水力失衡的可能性較小。
⑷、配套水處理設(shè)備費(fèi)用減少。全線采用方案一需34臺(tái)/套水處理設(shè)備，而方案三只12臺(tái)/套水處理設(shè)備，雖然規(guī)格變大，但初投資有所降低。同時(shí)，方案三為選用有效的水處理設(shè)備提供了有利條件（冷卻水流量大，水處理設(shè)備數(shù)量少）。
三、空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的自動(dòng)控制
　為使冷水機(jī)組在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，必須使進(jìn)入冷凝器的冷卻水溫度穩(wěn)定。對(duì)螺桿式冷水機(jī)組（排氣冷卻），如出現(xiàn)冷凝壓力過低，會(huì)引起回油不暢或潤(rùn)滑不暢；出現(xiàn)冷凝壓力過高，會(huì)引起電機(jī)局部過載發(fā)熱被燒毀。常見的冷卻水溫度調(diào)節(jié)如下：
1. 由冷卻塔出水溫度控制風(fēng)機(jī)的啟停，該系統(tǒng)既能自動(dòng)調(diào)節(jié)出水溫度，又能減少蒸發(fā)損失和飄水損失。
2. 冷卻塔供、回水用三通閥調(diào)節(jié)，保證供冷水機(jī)組的冷卻水混合溫度，同時(shí)能控制風(fēng)機(jī)的啟停。
　根據(jù)本工程的特點(diǎn)，結(jié)合方案三，建議在冷卻塔供、回水母管間設(shè)置三通閥，由冷卻塔出水總管內(nèi)冷卻水出水溫度的設(shè)定信號(hào)來控制各臺(tái)冷卻塔雙速風(fēng)機(jī)的啟停，同時(shí)控制三通閥的啟閉，防止冷卻水溫過低。
四、有待進(jìn)一步探討的問題
　綜上所述，方案三的順利實(shí)施還需解決好下列兩個(gè)問題：
1. 冷卻塔出水總管內(nèi)冷卻水出水溫度的設(shè)定值必須科學(xué)合理，既要有利于提高冷水機(jī)組能效比和機(jī)組的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，又要有利于充分發(fā)揮冷卻塔的自然冷卻能力、降低噪聲、節(jié)約能耗。
2. 冷卻塔的布水裝置應(yīng)兼顧冷卻水流量較小時(shí)的布水效果，必須采取切實(shí)有效的措施，力求冷卻塔在小流量時(shí)達(dá)到理想的冷卻能力。