南京地鐵空調冷卻水系統設計探討
摘要： 本文結合南京地鐵空調負荷特點和相關設備容量配置，從充分利用現有資源、降低噪聲、有利節能、方便運營管理等角度出發，對南京地鐵南北線一期工程空調冷卻水系統的優化設置提出了具體措施。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的骨干線路。線路全長16.90公里，設有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座地下車站均設有空調通風系統。地下車站空調通風系統包括大系統和小系統。車站公共區空調通風系統兼排煙系統，簡稱大系統；設備管理用房空調通風系統兼排煙系統，簡稱小系統。地下車站一般為地下二層結構，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地下一層或地下二層。
本工程每座地下車站設一至兩個冷凍機房，每個冷凍機房內設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)內設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的冷負荷相匹配，容量較小。
空調循環水系統由冷凍水系統和冷卻水系統組成，空調冷卻水系統主要設備為冷卻塔和冷卻水泵，冷卻塔分別就近設在室外通風良好處，循環冷卻水通過冷卻塔進行降溫處理。
二、 空調冷卻水系統設計與冷卻塔能耗分析
1、空調冷卻水系統設計方案
當前空調工程中，機械通風冷卻循環水系統被廣泛采用。綜合多方因素，本工程設計選用方形橫流冷卻塔。現以典型冷凍機房為例，空調冷卻水系統設計主要有以下三種：
方案一：單機配套互相獨立的冷卻水循環系統（如圖一）。本系統中，冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵為一一對應設置，形成三個并列的冷卻水循環回路，系統之間無干擾，管理方便。
方案二：冷水機組與冷卻塔對應設置，共用供、回水母管的冷卻水循環系統（如圖二）。本系統中，冷水機組、冷卻塔、冷卻水泵為一一對應選配，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系統（如圖三）。本系統中，三臺冷水機組并聯設置，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。
上述三種設計方案中，究竟何種設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通風（初步）設計文件得知：
1. 根據南京地鐵的客流預測，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、中期高峰全線總設計計算冷負荷分別約為遠期高峰全線總設計計算冷負荷的50%、67%。按照設計要求，本工程中冷水機組現已按照遠期高峰全線總設計計算冷負荷（其值約為20478kW）選用。
2. 遠期、中期、近期最小新風工況全線日平均冷負荷分別為：12287 kW、8191 kW、6143 kW，約為總設計計算冷負荷的60%、40%、30%。
3. 遠期、中期、近期全新風工況全線日平均冷負荷分別為：5369 kW、3580 kW、2685kW，約為總設計計算冷負荷的26.2%、17.5%、13.1%。
4. 在每日5:00—23:00(列車通行時間)內，全年最小新風工況（室外空氣焓：h≥70kJ/kg）為997小時、全新風工況（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冷水機組在部分負荷工況下運行。
作為與冷水機組配套設置的冷卻塔，大部分時間是與冷水機組部分負荷運行工況相適應。假設冷卻塔在標準設計工況條件下的冷卻能力為100%，經測算，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，冷卻塔與對應冷水機組配套使用，由冷卻塔的冷卻能力測算結果可知：當冷水機組部分負荷超過22%時，對應冷卻塔風機必須運轉。為方便計算，假設各時期的冷卻塔風機電耗與各時期的全線日平均冷負荷成正比，則冷卻塔在經濟壽命期內的電耗為：(6632×0.035×2206)×(20.7%×8＋27.7%×10＋41.5%×2)=2691370(kW.h)；冷卻塔在經濟壽命期內的運行電費為：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計計算冷量的41.5%、27.7%、20.7%，在絕大部分時間內是一臺冷水機組處于部分負荷狀態運行，而此時與冷水機組配套使用的一組冷卻塔在冷卻塔風機停轉的狀態下，其熱力性能達48%—66%。尤其在中期和近期，冷卻塔風機幾乎無電耗, 假設遠期冷卻塔電耗與方案一等同，則冷卻塔在經濟壽命期內的電耗為：6632×0.035×2206×41.5%×2=425007(kW.h)；冷卻塔在經濟壽命期內的運行電費為：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約冷卻塔在經濟壽命期內的運行電費約136萬元，約占冷卻塔初投資的75.6%（136÷180=0.756），故選用方案三對節能有利。另外，方案三與方案一相比還具有如下主要優勢：
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揮，風機停轉時，冷卻塔噪音較低（僅有淋水聲），對環保有利。相對而言，方案三中運動部件的運轉時間短（如：出現突發客流，冷負荷較大時），故冷卻塔維修保養費用較少。
⑵、方案三中，三臺冷卻塔并聯成一組，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、配套水處理設備費用減少。全線采用方案一需34臺/套水處理設備，而方案三只12臺/套水處理設備，雖然規格變大，但初投資有所降低。同時，方案三為選用有效的水處理設備提供了有利條件（冷卻水流量大，水處理設備數量少）。
三、空調冷卻水系統的自動控制
為使冷水機組在一定的負荷范圍內穩定運行，必須使進入冷凝器的冷卻水溫度穩定。對螺桿式冷水機組（排氣冷卻），如出現冷凝壓力過低，會引起回油不暢或潤滑不暢；出現冷凝壓力過高，會引起電機局部過載發熱被燒毀。常見的冷卻水溫度調節如下：
1. 由冷卻塔出水溫度控制風機的啟停，該系統既能自動調節出水溫度，又能減少蒸發損失和飄水損失。
2. 冷卻塔供、回水用三通閥調節，保證供冷水機組的冷卻水混合溫度，同時能控制風機的啟停。
根據本工程的特點，結合方案三，建議在冷卻塔供、回水母管間設置三通閥，由冷卻塔出水總管內冷卻水出水溫度的設定信號來控制各臺冷卻塔雙速風機的啟停，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. 冷卻塔出水總管內冷卻水出水溫度的設定值必須科學合理，既要有利于提高冷水機組能效比和機組的安全運轉，又要有利于充分發揮冷卻塔的自然冷卻能力、降低噪聲、節約能耗。
2. 冷卻塔的布水裝置應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。
