工业生产用冷水机组的水系统容量设计

工业生产用冷水机组的水系统容量设计————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:ﻩ工业生产冷水系统水容量的设计王南０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ＴS２ＴS1=１.9８minTS2=3min1.98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=3.4８minTS02=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。某些情况是在负荷低于机组的最小容量的地方。在这种情况下,机组会反复使压缩机开和关来满足负荷的要求。如果系统中没有足够的流体，那么压缩机会因为启动过多而导致过度磨损。任何时候,设计者应该仔细的检查这个问题。因为不同的负荷情况,机组的不同控制逻辑,水罐或者水箱在系统中的位置的不同，甚至不同的机组配置结构都会对这个问题产生不同的影响。王南ﻩﻩ2０12年10月3０日星期二