工业生产用冷水机组的水系统容量设计

工业生产冷水系统水容量的设计

王南 057186796150

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。

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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TS1 TS1= 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)

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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

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的停机时间TS2

TS1=1.98 min TS2= 3min

1.98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。

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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= 3.48min TS02= 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

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