上海市机电设计研究院 200040
摘要：在工业厂房的设计中，循环冷却水作为维持日常设备运行的一项重要公配资源，其于生产的稳定性息息相关。本文通过不同工业循环冷却水形式下利弊的分析及问题的解决，旨在为今后此类循环冷却水系统的选择及其优化提供参考。
关键词：工业厂房；循环冷却水；节能
1概述
循环水作为给排水专业设计的一部分，一般是为作为一项可选项目而存在的，但对于工业厂房设计，特别是近年来试验类厂房的增多，循环水作为维持日常运行的一项重要能源，在给排水设计中所占的比重越来越重要。
工业厂房中的循环水设计，一般分为两个部分，空调冷却循环水，工艺设备冷却塔循环水。其中空调冷却循环设计一般与民用建筑相同，一般采用开式系统，采用系统流程为 冷却塔→冷却循环水池（可选）→循环水泵→冷冻机→冷却塔。而工艺设备循环冷却水系统，依照其需求的使用频次、温度、压力及其节能需求，分化出多种循环水模式。
2 不同循环水系统模式下的设计研究。
2.1 开式循环系统
开式冷却系统为最常用的循环水系统，其优点为建设成本低，技术极为成熟。传统开式系统主要的问题是水质差。其一般系统流程为：
根据上海某汽车零部件厂的开式循环水运行情况，其中有两套开式循环水系统，其中一套循环水量为300m3/h供空压机冷却使用，另一套为3200m3/h供冷冻机循环水使用，建设初期由于考虑建设成本，考虑到3200m3/h系统冷却塔偏大，为方便其调试，在冷却塔下设混凝土循环水池，水池有效水位1m，有效容积330m3。300m3/h系统流量小，不设循环水池，直接利用循环水集水盘。在建设完成后，由于周边地块建设项目较多，及厂区内部本身处于改扩建的过程中，空气中扬尘、飞灰等较多，在生产运行过程中，大约15日，不设循环水水池的空压机循环水水质即无法控制，对系统运行产生了影响，需要对全系统进行换水。而冷冻机循环水系统水质可维持2月以上。
故对于工业企业循环水设计，笔者建议在如采用开式冷却塔系统，允许的情况下尽可能地设置循环水池，其沉淀作用可以缓解水质变化对设备的影响，以满足日常运行的稳定性要求。
2.2 闭式循环系统
采用闭式冷却塔可以比较好的解决循环水水质差的问题。但由于闭式冷却塔出现的初期，其单位造价高出开式冷却塔接近10倍，故早期考虑到成本因素，其在设计中使用的频次较低。随着近年来闭式冷却塔造价的下降，及生产工艺对循环水水质要求的提高。特别对于工业企业试验类项目，其设备本身运行维护费用高，受各类杂质影响可能性较大，故近年来试验检测类项目多采用闭式冷却塔。其一般系统流程如下：
由于增加了定压压力，导致整个系统整体压力上升，在试验检测类的应用中出现了以下问题，上海某汽车试验室项目，其为四层试验楼，总循环水量为800m3/h，试验楼为四层，建筑高度为23.5米。设备进出口压差为0.35MPa，供回水总沿程阻力通过控制循环水干管管径控制在0.05MPa。循环水整体采用闭式系统，闭式冷却塔盘管阻力损失按0.05MPa。项目由能源中心统一供给循环水。循环水泵位于能源中心部分二层，标高为5m，循环水泵扬程为满足系统使用最小为0.45MPa，水泵吸口系统所需定压压力最小为0.20MPa。考虑到降低设备端进口压力，将水泵设置在冷却塔前，循环水出能源中心压力为0.60MPa。在上述的情况下，系统满负荷状态下各层压力分布如下表所示：
由上表可以看出在满足循环需求基本成立的情况下，底层压力亦大于0.60MPa，无法再进行降低，但由于工艺设备，特别是搬迁试验类设备，其大部分为定制产品，设计承压值一般为0.60MPa，有一定的超压风险。最终处理方式为，第一，核实设备内各部件承压压力，通过更换少部分部件提高其承压压力。第二，对于新采购的设备，由业主提供其承压压力要求。第三，对于老旧设备，跟换其在楼中的布置位置以规避其超压风险。
2.3 冷冻机辅助冷却的循环系统
近年来，工艺设备，特别是试验类设备在工业项目的设计中逐渐增多，其对冷却循环水的温度及稳定性产生了较大的要求。特别是对于循环水的温度，工艺设备为确保其较好的冷却效果需要温度更低的冷却水，但冷冻机产生的7-12℃的冷冻水会使工艺设备内部产生结露，造成设备损坏，故工艺设备比较理想的进水温度一般在28-30℃左右，故在原有冷却塔循环系统的基础上，增加了冷冻机对工艺循环水进行二次降温，其系统流程如下：
相对于普通循环水系统，本系统可以确保温度控制在32℃以下不受空气湿球温度的限制，但同时其架构复杂，由于设计是按照夏季最不利工况进行的，根据多个项目的实际运行经验，特别对于进水温度需求为30℃的系统而言，其在冬季及至少一半的过度季节中，无需启动其中的冷冻水系统部分，造成比较大的设备浪费。在早期的工业循环水系统中，考虑建设成本，建设方会直接采用开式循环水系统，并设置循环水池，通过对水池中投加冰块，或从空调系统引入部分冷冻水，在温度峰值及循环水使用的高峰期叠加时，控制其系统温度。
2.4 冷冻机冷却循环水系统
当循环水需求温度降低至28℃及以下时，按最不利工况的设计准则，冷却塔受湿球温度限制，已无法提供可靠的冷却水系统进水温度，一般由冷冻机直接提供低温冷冻水，通过板式热交换器二次换热提供设备所需循环水。对于此类系统而言，由于冷冻机电能消耗在相同冷量情况下是远高于冷却塔，故在设计此类系统时，设计更多的考虑是如何节约能耗。
以下为上海嘉定某工厂循环水系统为例：其工艺总循环水量为556m3/h，设备进水温度要求为18℃，出水温度要求为23℃。因工艺循环水需求量随生产节拍调整明显，非满负荷甚至于半负荷的情况较多，且业主节能要求较高，系统冷冻水端均分为两套系统，故设计采用以下多工况设计系统。
以上为过渡季工况，当室外气温降低至冷却塔可以提供约15℃的冷却水时，仅保留一台冷却塔供工艺循环水使用，两台冷冻机均停用，其系统如下：
以上为冬季工况。此系统，通过温度控制联动阀门、管道切换，充分利用了冷却塔的冷却能力，在尽可能多的时间中使用冷却塔而停用冷冻机，或优先对冷冻机进行卸载，理论上可以大幅降低用于冷冻机部分的能耗。
但根据此系统子在实际运行中的情况，也有一定的缺陷，第一，由于设备组件多，占地面积较大；第二，其需要独立的多测点的控制系统，及各类电动阀门，其维护成本高。第三，为避免开式冷却塔降低系统水质，通过板式热交换器进行换热，损失了一部分的温度梯度。
第四，由于采用温度自控，在实际运行中，当温度在设定温度周围波动时，理论上系统会在两种不同的工况间反复切换，而冷冻机在运行中频繁启停是无法实现的，故在设定中加入了2~3摄氏度的温度缓冲，并设定了冷冻机启动后一段时间，不再切换回冷却塔进行冷却，由此造成节能的效果低于预期。
3.总结
近年来所采用的工艺循环水系统形式由之前的一味追求低成本，逐渐转变为对于温度、水压等系统稳定性的高要求。在工业循环冷却水的设计中，需要切实了解设备的温度、压力要求，实际使用工况，平衡造价与系统可控性的关系，并考虑在运行维护过程中所可能遇到的各类情况，根据不同的需求，选择合理的系统模式，在确保工艺需求后，尽可能得降低能源的消耗。
论文作者:陈丁一
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第22期
论文发表时间:2019/5/24
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