冷水机组与板式换热器联合运行节能分析.docx

冷水机组与板式换热器联合运行节能分析 李 勇张 明（上 海 交 通 大 学 ）摘 要 现代工厂在冬季冷负荷需求量较少 ，易造成冷水机组频繁启停 ，甚 至 由 于 冷 却 水 温 度 太 低 ，造 成 冷水机组无法启动的问题 。 可以通过冷水机组和板式 换 热 器联合运行的优化控制策略 ，充分利用冷却塔 ，通 过 板式换热器为生产设备和空调系统提供冷冻水 ，尽量减少冷水机组启动的时间 ，并 保证系统的稳定运行 ， 解 决冷水机组频繁启停以及启动困难的问题 ，达到节能减排和提高冷水机组的运行效 率和延长使用寿命的 目 的 。关 键 词 冷 水 机 组 ；板 式 换 热 器 ；联 合 运 行 ；节 能 技 术 ；优 化 控 制 策 略 （）， ， ， ， ， ， ； ；近 年 来 ，随 着 人 类 对 资 源 的 需 求 越 来 越 大 ，而不 可 再 生 资 源 日 益 面 临 枯 竭 ，人们越来越意识到 节 约 能 源 的 重 要 性 和 紧 迫 性 。 现 代 工 厂 都 安 装 空 调 系 统 ，满 足 了 人 们 对 生 产 和 工 作 环 境 舒 适 性 的 要 求 ，空 调 系 统 夏 季 主 要 提 供 冷 量 ，冬 季 主 要 提 供 热 量 。冷 水 机 组 主 要 为 空 调 系 统 和 工 艺 设 备 提 供 冷 量 ，由 于 一 些 工 艺 生 产 设 备 在 冬 季 也 需 要 提 供 冷 冻 水 ，因 此 冷 水 机 组 需 要 全 年 运 行 。 但 是 冬 季 冷 冻 水 的 总 体 需 求 量 较 少 ，这 会 造 成 冷 水 机 组 频 繁 启 停 ，甚 至 由 于 冷 却 水 温 度 太 低 ，冷 水 机 组 无 法启 动 等 问 题 ，这 都 使 冷 水 机 组 损 耗 增 大 ，使 用 寿 命缩 短 。在 冬 季 ，由 于 室 外 温 度 较 低 ，可 以 考 虑 利 用 冷 却 水 ，通 过 板 式 换 热 器 ，直接给工艺设备和少量 空 调 系 统 提 供 冷 冻 水 ，而不启动冷水机组 ，达 到 节 能 环 保 的 目 的 ，同时避免冷水机 组 频 繁 启停 。项 目 背 景目 前工厂采用冷水机 组供冷方式 ，主 要 设 备参 数 如 表 所 示 。根 据 工 厂 生 产 设 备 的 工 艺 要 求 ，冷 水 机 组 全 年收 稿 日 期 ：作 者 简 介 ：李 勇 ，本 科 ，工 程 师 ，主要研究方向为电力系统及其自动化 。第 卷表 主 要 设 备 参 数可 以 直 接 采 用 现 有 冷 却 塔 、冷 却 水 泵 、板 式 换 热 器及 冷 冻 水 水 泵 进 行 供 冷 。 当 然 这 需 要 一 定 的 条 件 ，即 冷 却 塔 的 出 水 温度 低于冷冻水的需求温度 ， 而 冷 却 塔出水温度又与室外湿球温 度 有 直 接 关 系 ，因 此 常 规 计 算 过 程 中 考 虑 “当 前 室 外 湿 球 温 度加 上 小于等于冷冻水供水 需 求 温 度 ”的 条 件 下 ，即 可 采 用 板 式 换 热 器 供 冷 （其 中 考 虑 了冷 却 塔 的 降 温 能 力 、管 路 温 升 、换 热 效 率 等 几 个 因素）。冬 季 制 冷 采 用 板 式 换 热 器 供 冷 与 冷 水 机 组 供 冷 相 结 合 的 方 式 ，以 减 少 制 冷 能 耗 ，提 高 能 源 的 利 用 效率，延长冷水机组的使用寿命。根据 现 有 资 料， 结合上海市气候特点，考虑利用自然冷 却 水 为 冷 源， 以节约运行 费 用。即 在 室 外 气 温 允 许 的 条 件 下，引 用冷却塔冷却 水 为 冷 源，通 过 增 加 板 式 换 热 器 同 冷 冻水系统热交换后，使冷 冻 水 降 温 以 达 到 可 以 使 用 的 条 件 。该制冷系统原理图如 图 所 示 。名 称参 数 及 规 格台 数制 冷 量 功 率 水冷螺杆式机组 流 量 扬 程 功 率 冷 冻 水 泵流 量 扬 程 功 率 冷 却 水 泵定 压 装 置冷 却 塔 ，功 率 运 行 时 ，冷 冻 水 供 水 温 度 要 求 不 高 于 。 台 冷却 塔 为 开 式 系 统 ，目 前 由 于 冬 季 冷 负 荷 较 少 ，一 般运 行 台 冷 水 机 组 ，最 高 负 荷 在 ，大 部 分 时 间 冷 负 荷 在 左 右 。 考 虑 到 冬 季 室 外 气 温 比 较低 ，冷 负 荷 需 求 量 较 少 ，可 以 充 分 利 用 冷 却 塔 的 冷却 能 力 ，通 过 板 式 换 热 器 满 足 工 厂 的 冷 负 荷 需 求 。节 能 原 理在 冬 季 ，当 空 调末端和 生产设 备需要冷负荷时 ，图 制冷系统原理图 优 化 控 制 策 略由 于 在 冬 季 ，昼 夜 温 差 较 大 ，当 室 外 温 度 变 化 及 冷 负 荷 变 化 较 频 繁 时 ，需 要 解 决 板 式 换 热 器 和 冷 水 机 组 供 冷 模 式 自 动 频 繁 切 换 的 问 题 ，并 保 证 冷 冻 水 供 水 温 度 恒 定 的 控 制 目 标 ，以 确 保 系 统 稳 定 运 行 。冷 却 塔 和 冷 水 机 组 的 冷 负 荷 与 水 流 量 及 水 温 降 之 间 的 关 系 如 下 ：（）式 中 为 板 式 换 热 器 的 换 热 效 率 。在 相同冷负荷和水流 量下 ，随 着 室 外 湿 球 温度 的 降 低 ，冷却塔的出水温度 随 之 降 低 。在 冷 冻 水 系 统 中 ，在 一 定 的 冷 负 荷 需 求 和 水 温 降 下 ，冷冻水流量将直接影 响 供 水 温度 。通 过 冷 却 水 和 冷 冻 水 供 水 管 路 上 的 温 度 传 感 器 ，分 别 控 制 冷 却 水 泵和 冷冻水泵的电动机频率 ，控 制 水 的 流 量 ；并根据冷水机组的水流量大小，调节 冷水机组的输出冷负荷，保持冷冻水供水温度恒定。（）（）式 中 ： 为 冷 却 塔 冷 负 荷 （）； 为 末 端 冷 负 荷（）；为 水 的 比 热 容 （）； 为 冷 却 水 流 量 （）； 为 冷 冻 水 流 量 （）； 为 冷 却 水 供 回 水 温 差 （）； 为 冷 冻 水 供 回 水 温 差 （）。不 考 虑 管 道 等 的 热 量 损 失 ，有供 冷 模 式 切 换冷 却 水 和 冷 冻 水 的 供 水 管 路 上 各 安 装 一 个 温度 传 感 器 ，当冬季室外湿球 温度 小 于等 于 ， 冷 水 机 组 的 输 出 负 荷 率 小 于 等 于 ，且 冷 冻 水 供 水 温 度 连 续 低 于 时 ，可 采 用 板 式 换热 器 供 冷 模 式 供 冷 。 此 时 电 动 调 节 阀 和 第 期李 勇 等 ：冷水机组与板式换热器联合运行节能分析 缓 慢 关 小 ，冷 水 机 组 制 冷 功 耗 缓 慢 减 小 ，电 动 调 节阀 和 缓 慢 打 开 ，系 统 此 时 进 入 板 式 换 热 器 和 冷 水 机 组 联 合 供 冷 模 式 ，并 保 持 供 水 温 度 恒 定 ，直 至 冷 水 机 组 停 止 工 作 后 ，电 动 调 节 阀 和 关 闭 ，此 时 完 全 进 入 板 式 换 热 器 供 冷 模 式 。 同 时 通 过 冷 却 水 泵 和 冷 冻 水 泵 控 制 水 的 流 量 ，保 持 冷 冻 水 供 水 温 度 恒 定 。当 室 外 湿 球 温 度 高 于 ，且 冷 冻 水 供 水 温 度 持 续 高 于 时 ，电 动 调 节 阀 和 缓 慢 开 启 ，同 时板式换热器侧 的 电 动 调节 阀 和 缓 慢 关 小 ，然 后 冷 水 机 组 自 动 进 入 启 动程 序 ，此 时 进 入 冷 水 机 组 与 板 式 换 热 器 的 联 合 运行 模 式 ，控制冷冻水的出水温 度 恒 定 。冷 水机组与板式换热 器的切换原 则 ，优 先 使 用 板 式 换 热 器 的 供 冷 模 式 ，并 尽 量 减 少 冷 水 机 组 的 频 繁 启 停 。通过比较冷却水出水温 度 设 定 值 与 冷 却 水 实 际 出 水 温 度，控制冷 却水水泵电机频率 ，通 过 调 节 冷 却 水 的 流 量 恒 定冷却水供水温度 。 通 过 比 较 冷 冻水出水温度设定 值 与 冷 冻 水 实 际 供 水 温 度，控 制 冷 冻 水 水 泵 电 机 频 率 ，通过调节冷冻水 的 流 量恒定冷冻水供水温度 。板式换热器与 冷水机组联合运行的控制逻辑 图 如 图 所 示 。图 控 制 逻 辑 图节 能 经 济 效 益 分 析要 求 冷 冻 水 供 水 温 度 不 高 于 ，室 外 湿 球 温 度 以 下 即 可 使 用 冷 却 水 通 过 板 式 换 热 器供 冷 。年 上 海 中 心 城 区 和 郊 区 部 分 月 份 气 温 数 据，如 表 所 示 。表 冷水机组冬季运行费用分析 冷水机组额定制冷 量冬季冷水机组平均负荷百分 比每年可用节能制冷时 间冷水机组能效比 冬季冷水机组运行实际输出制冷 量冷水机组耗电量 （）（）电 费元表 上 海 市 年部分月份平均温度月 份结 论冬 季 ，工 厂 所 需 的 冷 负 荷 较 少 （频 繁 启 停 ）且 具 有 较 低 的 冷 却 水 温 度 ，这 会 使 冷 水 机 组 的 冷 凝 压 力 较 大 幅 度 下 降 ，影响冷水机组启动 ，冷 水 机 组 长 期 在 远 离 其 设 计 工 况 下 运 行 。 若 使 用 冷 却 塔 冷 却 水 通 过 板 式 换 热 器 间 接 为 空 调 末 端 和 工 艺 设 备 提 供 冷 量 ，可 能 减 少 冷水 机组在冬季的运行时间 ， 降 低 能 耗 ，延长其使用寿命 。中 心 城 区郊 区冬 季 温 度 小 于 等 于 的 月 份 主 要 在月 、月 和 月 ，考 虑 到 此 数 据为每月的平均温 度 ，昼 夜 存 在 温 差 ，按 照 全 年 平 均 天 气 温 在 以 下 ，平 均 一 年 为 估 算 。冬 季 一 般 只 开 启 一 台 螺 杆 式 冷 水 机 组 ，其 为 ，平 均 冷 负