20 MW 水冷磁体水冷系统节能优化设计.doc

20 MW水冷磁体水冷系统节能优化设计唐佳丽,欧阳峥嵘,张晓东,刘程华（中国科学院强磁场科学中心，安徽 合肥 230031）摘要：针对水冷磁体运行产生的热负荷设计了本水冷系统，该系统在保障磁体稳定运行的前提下，进行了节能优化设计。其中自然分层水蓄冷技术的应用不仅节约占地还可增大蓄水量，而利用峰谷电价差进行夜间蓄冷的方式更可节约运行成本；利用闭式冷却塔在气温较低时取代上游冷水机组的设计也最大程度地节约了电能；此外在运行模式方面，系统可根据不同水冷磁体实验负荷进行灵活转换；在设备选择方面，均采用节能环保的产品，如制冷系数高的冷水机组，传热系数较高的板式换热器等。本系统对MW级以上水冷系统设计具有较好的参考价值。关键词：水冷磁体 水冷系统 冷却设备 优化设计Optimum Design of Water Cooling System in 20 MW Resistive MagnetJiali Tang, Zhengrong Ouyang, Xiaodong Zhang, Chenghua Liu(High Magnetic Filed Laboratory, Chinese Acadmy of Sciences, Anhui, Hefei, 230031)Abstract: Cooling water system is designed according to the heat load caused by the operation of the resistive magnet. Optimum design is carried out on the premise that the magnet system runs in the stable condition. The use of naturally stratified chilled water storage not only saves the area but also increases the storage capacity. Moreover, operation cost is saved by producting chilled-water in night because of the peak-valley price of power. The use of closed circuit cooling tower replacing the upstream chilled in low air temperature can also save the power.In addition, as to the operational mode, this system can convert flexibly according to the different experimental load of the resistive magnet. As for the choice of the equipment, the product which is energy-saving and environment-protective is used as much as possible, for example, the chiller with high COP, the heat-exchanger with high heat transfer coefficient, etc. This system has important referential value for the design of the MW cooling water system in China.Key words: Resistive Magnet, Cooling Water System, Cooling Equipment, Optimum Design前言由中科院强磁场科学中心承担建设的国家大科学工程稳态强磁场实验装置可为我国的科学研究提供理想的稳态强磁场极端实验环境，满足我国多学科前沿发展对于强磁场实验条件的需求。其中，水冷磁体由于消耗大量电能而产生的热量必需由水及时带走，因此，与电源功率相匹配的满足水冷磁体和电源系统冷却要求的去离子水冷却系统是保障水冷磁体正常运行的必备条件之一。为了防止水中离子导电和水垢阻塞磁体内很小的水冷通道，水冷磁体本身需使用去离子水来冷却，而冷冻水则为去离子水提供冷源。目前，该项目正在紧张的建设过程中，本着经济、高效节能并稳定可靠的原则，针对水冷磁体实验要求设计了该水冷系统，为水冷磁体乃至混合磁体稳定运行提供保障。 1 系统介绍本水冷系统需满足水冷磁体20 MW负荷下运行3小时，电源系统2 MW负荷下运行5小时，并且水冷磁体最大热负荷可达到28 MW的要求。为了保证水冷磁体10 的磁体入口水温度，必须用低于10的冷冻水通过板式换热器使纯水从38 冷却到10 。被加热的冷冻水先输送到蓄水罐，后通过两级冷水机组冷到6 送回蓄水罐循环使用。本水冷系统选用冷却塔、离心式冷水机组和蓄冷水罐作为冷冻水的冷却设备，通过合理配置，使冷冻水进入板式换热器的温度不高于8 （由于管道漏热因素，考虑2 温升）。另外，纯水侧设有去离子水纯化器，对循环使用的去离子水进行提纯以保证进入磁体的高纯水电阻率不低于15 M.cm。在不同季节、不同气温条件以及不同水冷磁体运行负荷下，采用不同的运行方案，保证水冷磁体去离子水进水温度不高于10 。2 水冷系统节能设计方案目前国家的许多大型试验装置的冷却水还采用一次性使用，这种水冷模式虽然简单，但非常浪费水资源1。本系统无论是冷却水冷磁体的去离子水，还是冷却去离子水的冷冻水都采取循环使用的模式。此外，系统无论在运行模式还是设备配置方面都尽量考虑到了节能的要求。2.1系统节能优化设计如果按最大28 MW热负荷配置冷水机组，系统造价很高，为了节省系统投资，本设计选用较小规模的冷水机组，采用蓄冷方式，利用夜晚电价较低时进行蓄冷，1012个小时生产约3500 m3的6 冷水放在蓄冷水罐内，供回水温差采用大温差的20 ，最大可能地提高单位体积水流量的载冷量。而由于冷水机组输入功率较高，为了节约电能，特选用闭式冷却塔在冬季温度较低时取代1#冷水机组。蓄水罐上部温水经闭式冷却塔降温，水温由26 降至15.5 ，再经由2#冷水机组由15.5 降至6 ，送至蓄水罐下部。当蓄水罐充满6 的冷冻水，充冷过程完成。白天试验过程中，与水冷磁体的去离子水换热产生的26 温水则进入蓄水罐上部。整个水冷系统优化后的原理图如图1所示。根据市场报价，一台闭式冷却塔与冷水机组相当，约150万左右，而针对本项目的选型，1#冷水机组的输入功率约550 kW，而一台闭式冷却塔不足20 kW，已知电费为1元/kWh，考虑合肥实际天气，每年可运行闭式塔约100天，每天运行10小时，现对其进行经济性分析：使用冷水机组使用闭式冷却塔 节约电费=53万/y，比较其成本150万，两年多的时间即可收回成本，因此从节能角度而言使用闭式冷却塔替代1#冷水机组的方案是非常合理的。图1 去离子水冷却系统优化设计原理图国内很多水冷系统设计时，都采用两罐方案（缓冲罐+蓄水罐），而单罐自然分层水蓄冷2是利用冷热水密度不同，自然分层的原理，有蓄冷量大、管道数量少、不需建造地下泵房、水泵投资少、造价和运行费用低的优点。但需要注意的是自然分层水蓄冷在使用过程中会产生斜温层，这部分水是不能使用的。斜温层的稳定性和厚度是影响蓄冷效率的关键，如达不到设计要求，将会影响水冷磁体的正常运行。为了调研分层水蓄冷系统的实际使用效果，对上海浦东国际机场T2航站楼能源中心的分层水蓄冷系统进行了实地考察。其罐体直径26m、水深22米，在供、回水温度分别为7 和14.5 的运行模式时，斜温层厚度约2米，为水深的9%。本项目如采用单罐方案，罐体高9米，斜温层应约为1米左右。而两罐方案由于取水管管径和安全高度的原因，也需浪费约1米水面高度的水量。鉴于此，本项目决定采用单罐分层水蓄冷方案，2.2 重要冷却设备选型（1）冷水机组根据水冷磁体每天运行3小时产生的热负荷，选用的冷水机组制冷量需要达到近8MW，根据冷水机组的选择原则，一般制冷量超过1163 kW建议采用离心式冷水机组3，因此我们采用2台离心式冷水机组串联使用。根据冷冻水流量以及进出口温差由热平衡方程： (1)式(1)中Q为总制冷量，kW; q为冷冻水的质量流量，kg/s; Cp为水的定压比热，kJ/（）；t为冷冻水进出口温差。可分别计算出两台离心式冷水机组的制冷量，计算结果如表1所示。表1 冷水机组技术参数计算结果冷冻水流量进出口温度制冷量1#冷水机组360 m/h26/15.5 4410 kW2#冷水机组360 m/h15.5/9 3990 kW而离心式冷水机组的选择主要应从压缩机类别、COP值、制冷剂以及初次投资几方面来考虑。由于封闭式压缩机具有运行稳定性高、噪声小以及运行过程中基本无制冷剂泄露的优势，因此是目前的一个主要趋势3。在制冷剂的选择方面，目前市场上主要有两种，分别是R123以及R134a，R-123的COP值较高，但属于HCFC类物质，2040年HCFCs生产和消费要全部淘汰4；R-134a制冷剂为温室气体，但仍被公认为环保型制冷剂，是目前市场的主流。此外，不能仅考虑冷水机组的一次投资，还应比较冷水机组产品的COP值，目前由特灵生产的三级压缩离心式冷水机组针对本项目的选型，其COP值达到8.4，这就意味着该产品输入功率较低，因此可节约电能。 （2）板式换热器板式换热器是连接冷冻水侧以及纯水侧的关键设备，而板片作为板式换热器的心脏，其材质和板型决定了换热水质以及换热效率。板片材质主要包括奥氏体不锈钢、特种不锈钢以及钛合金等，根据水冷磁体对纯水水质的要求以及美国强磁场水冷磁体实际运行经验，板片材质选用SS304；而在板型的选择方面，传统主要为对称波纹板片，而由于各厂家的板型都不尽相同，应尽可能采用换热系数较高的产品。水冷磁体运行的最大热负荷为28 MW，但大部分时候磁体的运行热负荷为20 MW，此外根据具体实验需要，水冷磁体也可能在其他热负荷下运行。我们按28 MW的最大热负荷进行选型，根据传热方程式： (2)式(2)中，Q为总换热量，kW； k为总传热系数，kW/()；A为换热面积，m2；tm为对数平均温差，可分别计算出在20 MW、28 MW、24 MW、16 MW热负荷下的板换运行参数，见表2：表2 不同工况下板式换热器的运行参数28 MW20 MW24 MW16 MW冷冻水纯水冷冻水纯水冷冻水纯水冷冻水纯水进水温度（）8 38 8 38 8 38 8 38 出水温度（）26 10 26 10 26 10 26 10 总热负荷（kW）28093 20000 24000 16000 流量（m3/h）1338 860 952 612 1143 735 762 490 对数平均温差5.585.58 5.58 5.58 换热面积，m2967.3 688.6 826.3 550.9 在换热量以及换热器两侧流体进出口温度一定的情况下，选择传热系数较高的换热器，可适当减小换热面积，从而减少产品材质以降低成本。由于换热器是按28 MW选型，在20 MW、24 MW、16 MW热负荷的工况下，水冷磁体进出口温度一定，则通过电动调节阀减少纯水侧的流量，冷冻水侧的流量也相应降低。3 不同工况下的系统运行3.1蓄冷过程蓄冷不仅可通过两台冷水机组在1011小时内生产3500m3的6冷冻水，此外还可以在冬季温度较低时采用闭式冷却塔与下游冷水机组联合使用的运行模式。根据合肥的气象条件（如表3所示），为了尽可能延长闭式冷却塔的使用时间以节约电能，同时又合理考虑初次投资，我们必须选择合理的湿球温度。表3 2008年合肥全年月平均气温（） 月份123456789101112气温1.02.712.516.823.524.228.727.324.518.911.35.9 根据合肥冬季相对湿度参考值78%，结合各厂家选型实际，选择湿球温度不高于7，使用闭式冷却塔代替上游冷水机组以节约电能，这样可保证每年闭式冷却塔可以使用3个多月（约100天），并且选型过程中不会增加过多的模块以增加初次投资。 3.2供冷过程根据图1所示，本设计的供冷模式是非常灵活的，即可通过蓄水罐单独供冷，还可以在实验热负荷不超过8 MW时采用冷水机组直接供冷，此外，联合两台冷水机组（湿球温度低于7 时，冷水机组+闭式冷却塔）与蓄水罐同时供冷，总的冷量都将达到90 MWh，可满足今后磁体实验扩容的需要。4 结论本文针对正在建设的稳态强磁场实验装置的20 MW去离子水冷却系统设计进行了详尽的介绍。此外，由于水冷磁体运行条件的极端性，决定了该水冷系统非常庞大，因此还充分地考虑了系统的优化问题，以最大程度节约能源及成本。具体优化主要包括如下几个方面：(1) 为了节省系统投资，本设计选用较小规模的冷水机组，采用蓄冷方式，利用夜晚电