南京地鐵空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計探討
摘要： 本文結(jié)合南京地鐵空調(diào)負荷特點和相關(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、方便運營管理等角度出發(fā)，對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、 項目背景
南京地鐵南北線一期工程項目南起小行，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，地下二層為站臺層，車站冷凍機房一般布置在室內(nèi)地下一層或地下二層。
本工程每座地下車站設(shè)一至兩個冷凍機房，每個冷凍機房內(nèi)設(shè)有兩至三臺水冷螺桿式冷水機組。典型冷凍機房(如：三山街站南端冷凍機房)內(nèi)設(shè)有三臺水冷螺桿式冷水機組，兩大一小。其中，兩臺同型號冷水機組選用冷量與大系統(tǒng)的冷負荷相匹配，容量較大；另一臺冷水機組選用冷量與小系統(tǒng)的冷負荷相匹配，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行降溫處理。
二、 空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計與冷卻塔能耗分析
1、空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計方案
當(dāng)前空調(diào)工程中，機械通風(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)計選用方形橫流冷卻塔。現(xiàn)以典型冷凍機房為例，空調(diào)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計主要有以下三種：
方案一：單機配套互相獨立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)（如圖一）。本系統(tǒng)中，冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵為一一對應(yīng)設(shè)置，形成三個并列的冷卻水循環(huán)回路，系統(tǒng)之間無干擾，管理方便。
方案二：冷水機組與冷卻塔對應(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，冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵為一一對應(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，三臺冷水機組并聯(lián)設(shè)置，容量相同的三臺冷卻塔串成一組，然后通過共用供、回水母管相連接。
上述三種設(shè)計方案中，究竟何種設(shè)計方案更適用于南京地鐵的工程實際，我們不妨先從能耗的角度進行分析。
由南京地鐵南北線一期工程空調(diào)通風(fēng)（初步）設(shè)計文件得知：
1. 根據(jù)南京地鐵的客流預(yù)測，冷水機組的運行工況可分為遠期（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)計計算冷負荷分別約為遠期高峰全線總設(shè)計計算冷負荷的50%、67%。按照設(shè)計要求，本工程中冷水機組現(xiàn)已按照遠期高峰全線總設(shè)計計算冷負荷（其值約為20478kW）選用。
2. 遠期、中期、近期最小新風(fēng)工況全線日平均冷負荷分別為：12287 kW、8191 kW、6143 kW，約為總設(shè)計計算冷負荷的60%、40%、30%。
3. 遠期、中期、近期全新風(fēng)工況全線日平均冷負荷分別為：5369 kW、3580 kW、2685kW，約為總設(shè)計計算冷負荷的26.2%、17.5%、13.1%。
4. 在每日5:00—23:00(列車通行時間)內(nèi)，全年最小新風(fēng)工況（室外空氣焓：h≥70kJ/kg）為997小時、全新風(fēng)工況（室外空氣焓：54kJ/kg≤ h≤70kJ/kg）為1209小時。
5. 遠期、中期、近期全線日平均冷負荷約為總設(shè)計計算冷負荷的41.5%、27.7%、20.7%，即在冷水機組年運行時間2206小時的大部分時間內(nèi)冷水機組在部分負荷工況下運行。
作為與冷水機組配套設(shè)置的冷卻塔，大部分時間是與冷水機組部分負荷運行工況相適應(yīng)。假設(shè)冷卻塔在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況條件下的冷卻能力為100%，經(jīng)測算，冷卻塔在下列條件下的冷卻能力見下表：
對于方案一和方案二，冷卻塔與對應(yīng)冷水機組配套使用，由冷卻塔的冷卻能力測算結(jié)果可知：當(dāng)冷水機組部分負荷超過22%時，對應(yīng)冷卻塔風(fēng)機必須運轉(zhuǎn)。為方便計算，假設(shè)各時期的冷卻塔風(fēng)機電耗與各時期的全線日平均冷負荷成正比，則冷卻塔在經(jīng)濟壽命期內(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)濟壽命期內(nèi)的運行電費為：2691370×0.6=1614822（元）。
對于方案三，由于冷卻塔遠期、中期、近期全線日平均冷負荷約為總設(shè)計計算冷量的41.5%、27.7%、20.7%，在絕大部分時間內(nèi)是一臺冷水機組處于部分負荷狀態(tài)運行，而此時與冷水機組配套使用的一組冷卻塔在冷卻塔風(fēng)機停轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，其熱力性能達48%—66%。尤其在中期和近期，冷卻塔風(fēng)機幾乎無電耗, 假設(shè)遠期冷卻塔電耗與方案一等同，則冷卻塔在經(jīng)濟壽命期內(nèi)的電耗為：6632×0.035×2206×41.5%×2=425007(kW.h)；冷卻塔在經(jīng)濟壽命期內(nèi)的運行電費為：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)濟壽命期內(nèi)的運行電費約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：
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)機停轉(zhuǎn)時，冷卻塔噪音較低（僅有淋水聲），對環(huán)保有利。相對而言，方案三中運動部件的運轉(zhuǎn)時間短（如：出現(xiàn)突發(fā)客流，冷負荷較大時），故冷卻塔維修保養(yǎng)費用較少。
⑵、方案三中，三臺冷卻塔并聯(lián)成一組，外表更美觀且備用性好。
⑶、方案三中，三臺冷卻塔的集水盤型號相同且相互溝通，水力失衡的可能性較小。
⑷、配套水處理設(shè)備費用減少。全線采用方案一需34臺/套水處理設(shè)備，而方案三只12臺/套水處理設(shè)備，雖然規(guī)格變大，但初投資有所降低。同時，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)的自動控制
為使冷水機組在一定的負荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，必須使進入冷凝器的冷卻水溫度穩(wěn)定。對螺桿式冷水機組（排氣冷卻），如出現(xiàn)冷凝壓力過低，會引起回油不暢或潤滑不暢；出現(xiàn)冷凝壓力過高，會引起電機局部過載發(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)機的啟停，該系統(tǒng)既能自動調(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)，保證供冷水機組的冷卻水混合溫度，同時能控制風(fēng)機的啟停。
根據(jù)本工程的特點，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)定信號來控制各臺冷卻塔雙速風(fēng)機的啟停，同時控制三通閥的啟閉，防止冷卻水溫過低。
四、有待進一步探討的問題
綜上所述，方案三的順利實施還需解決好下列兩個問題：
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組能效比和機組的安全運轉(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的布水效果，必須采取切實有效的措施，力求冷卻塔在小流量時達到理想的冷卻能力。
