工业生产用冷水机组的水系统容量设计.doc

工业生产冷水系统水容量的设计王南 057186796150杭州娃哈哈集团公司设备工程部 下沙经济技术开发区14#大街 310018摘要：本文详细叙述工业冰水系统水容量设计原则和原理，给设计师在设计冷冻水系统选择水箱和水罐时提供设计依据。关键词：冷水机组 水箱 系统最小水容量在工业生产中,负荷变化往往会比较大，在冷冻站的设计时，冷冻水系统如何配置冷水水箱（或闭式水罐）？是否要配置？配置多大为妥？这个问题实质上就是确定冰水系统的最小水容量，关于这个课题，很少有论文或者文献讨论，本文试做一些探讨。冰水系统的最小容量与下列几个因素有关：1、 负荷侧（用户端）的要求温度精度，用户端的精度要求越高，水系统的容量越大。2、 负荷侧（用户端）的负荷波动率，波动幅度越大，速度越快，要求水系统的容量越大。3、 冷水机组（或者机群）的加卸载速度，加卸载速度越慢，要求系统的水容量越大。4、 系统水容量也要分为回水侧系统水容量和供水侧系统水容量，两个，实际上是存储低温水还是高温水的区别。作为保护冷水机组考虑的水箱一般放在系统的回水端，水箱在冷水机组的出水端也是有影响的，不过影响较小。5、 冷水机组有一个水温的变化率。超过这个变化率冷水机组将出现故障。冷水系统的水容量随不同的负荷特性，不同的机组特性而变化，并且这三者互相影响互相干扰，具体问题要具体分析，不能一概以一个指标而确定。后续将用三个案例来说明这种相互间的影响。我们先来定义系统的概念：1. TS-机组启动之间的时间间隔(分钟MIN)，是为了防止机组重复启动，避免频繁启动导致电机热积聚，一般工业用冷水机组这个值是30min .指的是机组第一次启动到第二次启动之间的时间间隔，包含了降温运行时间TS1和停机时间TS2。2. VW-流体容积(m3) 系统需要的最小系统水容量。3. H1-机组最小运行容量(KW) ，一般螺杆式压缩机为单机头的25%左右。4. H2-系统的最小负荷(系统最小负荷）(KW) ，指的是机组在运行中系统产生的最小负荷。5. TD-机组的控制器的不工作区域() 下面的公式是假定机组始终在最小运行容量H1工作，系统的最小负荷是H2，TD 是机组控制器的不工作区域：假设机组在5停机，而温度升到9再启动，那么TD=4；由于机组最小运行容量H1 大于系统最小负荷 H2 将导致机组下降TD 温度后停机，降温幅度为TD 的时间间隔我们建设为TS1TS1= 1000 * VW * TD * 4.2 (KJ)/(H1-H2)/60 -(1-1)TS2= 1000 * VW * TD * 4.2 /H2/60 -(1-2)TS=TS1+TS2 -(1-3)这样可以得到最小系统容量的公式：VW = TS/ TD/(H1-H2)+TD/H2/70 -(1-4)下面用一个专门的例子来说明： 案例一：假定一个700KW的系统使用一台螺杆机组，机组有两个350KW的压缩机。流量为109m3/h，并且系统最小负荷(H2)为35kw。 冷却器和机组相邻布置。是否必需一个冷冻水蓄水水箱？如果需要，需要多大的水箱？第一步是估计系统中流体的体积: 机组蒸发器=150L ，管道容积为170L， 冷却器盘管容积为55L。 总的系统容积(Vw )375L。 假设有如下的系统参数： TS=30 （min)H1= 88(KW)H2= 35(KW)TD=4 () 代入到公式（1-4）得到：VW= 2.26m3因为系统的安全运行的最小水容量应该为2260L 而目前系统总的系统容积为375L 应配置一个至少水容量为1885L 的 水箱。如果不安装水箱会出现什么情况，这是值得考虑的。按照上述公式 我们倒过来计算机组的降温时间TS1 ,和机组的停机时间TS2 TS1=1.98 min TS2= 3min 1.98分钟 系统将从9下降到5停机，停机3分钟后，系统水温升高到 9，发出开机请求，重复启动时间只有5分钟，显然机组重复启动时间缩短，对机组的使用是不利的，如果防重复启动时间固化为30分钟，那么水温将在第二次启动时候升高37，达到42 后开机。这是不允许，显然这个系统是失败的。最小机组容量（88KW)比实际负荷大2.5倍。甚至在最小的容量，机组会“过度冷却”冷冻水。供水温度会降到设定值以下，直到达到允许的最低温度，然后机组就会关闭。当机组关闭的时候，35KW 的负荷会使冷冻水的温度升高，直到温度达到冷冻水不工作区域的上限。如果压缩机两次启动间的时间间隔还没有达到，机组不会启动，而且冷冻水的温度会继续升高。这会导致很差的系统性能。缩短两次启动间的时间间隔可以解决性能的问题，但是会使机组的压力过大。反过来，增大两次启动间的时间间隔可以保护机组，但是会降低性能。案例二：仍旧使用上面的例子，但是系统负荷一直运行在260KW。这时如何配置冷水箱的大小？假定单机头运行容量为350KW，该机头分为三个能级，25%，50%，100%，（未安装75%电磁阀）50%运行容量=175KW ，100%运行容量=350KW。目前系统的负荷恒定在260KW。试着分析最小的系统水容量？可以得知单个机头将在50%和100%这两个能级之间跳动运行。TS01= 1000 * VW * TD0 * 4.2 /(H02-H0)/60 -(2-1)TS02= 1000 * VW * TD0 * 4.2 /(H0-H01)/60 -(2-2)TS0=TS01+TS02 -(2-3)这样可以得到最小系统容量的公式：VW0 = TS0/TD0/(H02-H0)+TD0/(H0-H01/70 -(2-4)其中：1. TS0-机组不连续的上卸载能级跳动的时间间隔(分钟MIN)，是为防止机组的上卸载处会发生“振荡”，并会导致不稳定的运行。2. VW0-流体容积(m3) 系统需要的最小系统水容量。3. H0-系统运行中介于两个能级之间的负荷,该处为260KW.4. H01-机组在相邻较小能级的运行容量(KW),本案为175KW.5. H02-机组在相邻较大能级的运行容量(KW),本案为350KW.6. TD0-机组的能级控制器的不工作区域(),本案为2. 如果该系统不做水箱，按照案例一，系统的水容量为0.375m3。在50%上运行的时间是：TS02=0.62min 后增载到100% 运行TS01=0.58min 跳回到50%能级，如此循环往复。假设按案例一配置水容量为1885L 的水箱一座，使得最小水容量达到2260L 。经过计算得到TS01= 3.48min TS02= 3.72min 。如果以上能级使用滑阀，增加水箱后滑阀的活动速度明显减少，使得滑阀的寿命增加，如果是两台压缩机启动，第二台压缩机的启动次数会超过每小时8次，说明最小水容积仍旧不足。案例三：一台330冷吨的冷水机组，机组有3个机头，每个机头无极调节，系统负荷有330冷冻吨，为了分析问题方便，暂时假定该负荷全部为突变负荷，该负荷间隔一个小时来一次，持续运行时间为半小时，假设没有任何生产线上和该机组的连锁控制装置，求最小系统水容量为多少合适？假定三机头冷水机组的运行逻辑是，当温度下降后，1个机头卸载需要5分钟，然后停机头，第二个机头卸载，卸载5分钟，这样一步一步的卸载所有的机器。分析： 对于该冷水机组导致工作恶劣的情况出现在，负荷突然消失后，可能使机组产生过冷而停机。首先由于突变负荷持续半个小时后，所有压缩机头均满负荷运行，假定整个回水系统为12，而整个的出水系统控制在7。330冷吨的冻水循环量为200m3/h。当负荷消失的瞬时点，假定机器仍维持出水温度7，假设在回水系统上有个20吨的回水罐（开始时候充满12水）混合，并且假定混合非常充分，5分钟内进入到水罐的水7度16.7吨，5分钟后水罐的水温下降到9.7，按照这个水温，机组负荷应该为2.7/5=54%，而5分钟的时间一个机头卸载完成，机组走在67%的负荷，由于卸载速度跟不上，机组出口水温降低，使得回水箱中的混合水温进一步下降，极有可能造成机组过冷。有时由于水温降低过快，卸载速度来不及，造成低压停机或者过冷液击等事故，机组经常在这样的工况下运行，寿命不会长久。冷冻水系统中的冷冻水体积抑制和消除了负荷变化带来的影响。生产过程的负荷往往是最突然的，并且能使机组停机。当在一个很大的生产负荷下，一台末端的换热器关闭时(例如一板交连接的热侧介质突然关闭)，在机组上卸载能级处会发生“振荡”，可能会导致不稳定的运行。 如果负荷处在两级之间，那么机组将需要冷冻水的容积来“抑制”过冷或不够冷的冷冻水对机组的影响。某些