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摘要： 本文结合南京地铁空调负荷特点和相关设备容量配置，从充分利用现有资源、降低噪声、有利节能、方便运营管理等角度出发，对南京地铁南北线一期工程空调冷却水系统的优化设置提出了具体措施。
关键词： 冷却水 冷却塔 降噪 能耗分析 自动控制
一、项目背景
南京地铁南北线一期工程项目南起小行，北至迈皋桥，是南京市快速轨道交通路网的骨干线路。线路全长16.90公里，设有13座车站，其中地下车站8座、高架及地面车站5座。
本工程8座地下车站均设有空调通风系统。地下车站空调通风系统包括大系统和小系统。车站公共区空调通风系统兼排烟系统，简称大系统；设备管理用房空调通风系统兼排烟系统，简称小系统。地下车站一般为地下二层结构，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，车站冷冻机房一般布置在室内地下一层或地下二层。
本工程每座地下车站设一至两个冷冻机房，每个冷冻机房内设有两至三台水冷螺杆式冷水机组。典型冷冻机房(如：三山街站南端冷冻机房)内设有三台水冷螺杆式冷水机组，两大一小。其中，两台同型号冷水机组选用冷量与大系统的冷负荷相匹配，容量较大；另一台冷水机组选用冷量与小系统的冷负荷相匹配，容量较小。
空调循环水系统由冷冻水系统和冷却水系统组成，空调冷却水系统主要设备为冷却塔和冷却水泵，冷却塔分别就近设在室外通风良好处，循环冷却水通过冷却塔进行降温处理。
二、空调冷却水系统设计与冷却塔能耗分析
1、空调冷却水系统设计方案
当前空调工程中，机械通风冷却循环水系统被广泛采用。综合多方因素，本工程设计选用方形横流冷却塔。现以典型冷冻机房为例，空调冷却水系统设计主要有以下三种：
方案一：单机配套互相独立的冷却水循环系统(如图一)。本系统中，冷水机组、冷却塔、冷却水泵为一一对应设置，形成三个并列的冷却水循环回路，系统之间无干扰，管理方便。 （图片） 方案二：冷水机组与冷却塔对应设置，共用供、回水母管的冷却水循环系统(如图二)。本系统中，冷水机组、冷却塔、冷却水泵为一一对应选配，然后通过共用供、回水母管相连接。
方案三：冷却塔的总冷却能力与冷水机组总冷量相匹配，共用供、回水母管的冷却水循环系统(如图三)。本系统中，三台冷水机组并联设置，容量相同的三台冷却塔串成一组，然后通过共用供、回水母管相连接。（图片） 2、冷却塔能耗分析与方案选择
上述三种设计方案中，究竟何种设计方案更适用于南京地铁的工程实际，我们不妨先从能耗的角度进行分析。
由南京地铁南北线一期工程空调通风(初步)设计文件得知：
1. 根据南京地铁的客流预测，冷水机组的运行工况可分为远期(7年)、中期(10年)、近期(8年)三种状况。近期、中期高峰全线总设计计算冷负荷分别约为远期高峰全线总设计计算冷负荷的50%、67%。按照设计要求，本工程中冷水机组现已按照远期高峰全线总设计计算冷负荷(其值约为20478kW)选用。
2. 远期、中期、近期最小新风工况全线日平均冷负荷分别为：12287 kW、8191 kW、6143 kW，约为总设计计算冷负荷的60%、40%、30%。
3. 远期、中期、近期全新风工况全线日平均冷负荷分别为：5369 kW、3580 kW、2685kW，约为总设计计算冷负荷的26.2%、17.5%、13.1%。
4. 在每日5:00—23:00(列车通行时间)内，全年最小新风工况(室外空气焓：h≥70kJ/kg)为997小时、全新风工况(室外空气焓：54kJ/kg≤ h≤70kJ/kg)为1209小时。
5. 远期、中期、近期全线日平均冷负荷约为总设计计算冷负荷的41.5%、27.7%、20.7%，即在冷水机组年运行时间2206小时的大部分时间内冷水机组在部分负荷工况下运行。
作为与冷水机组配套设置的冷却塔，大部分时间是与冷水机组部分负荷运行工况相适应。假设冷却塔在标准设计工况条件下的冷却能力为100%，经测算，冷却塔在下列条件下的冷却能力见下表：
| 序号 | 运 行 条 件 | 冷却能力 | | 1 | 标准设计工况，冷却塔的冷却水量恒定为标准设计工况条件下的冷却水量 | 风机高速运转 | 100% | | 2 | 风机低速运转 | 62% | | 3 | 风机停转 | 22% | | 4 | 标准设计工况，冷却塔的冷却水量恒定为标准设计工况条件下冷却水量的50% | 风机高速运转 | 131% | | 5 | 风机低速运转 | 100% | | 6 | 风机停转 | 48% | | 7 | 标准设计工况，冷却塔的冷却水量恒定为标准设计工况条件下冷却水量的三分之一 | 风机高速运转 | 146% | | 8 | 风机低速运转 | 119% | | 9 | 风机停转 | 66% |
假设冷却塔的经济寿命为20年(即远期2年、中期10年、近期8年)、在年运行时间2206小时内均为满负荷运转、冷却塔耗电比为0.035kW/(m3/h)、电价为0.6元/ kW.h，则冷却塔在经济寿命期内的电耗为：6632(标准设计工况条件下的冷却水总量)×0.035×2206×20=10241134(kW.h)；冷却塔在经济寿命期内的运行电费为：10241134×0.6=6144680(元)。鉴于地铁车站日客流量不断变化，空调设备在其大部分寿命期内处于部分负荷运行状态。
对于方案一和方案二，冷却塔与对应冷水机组配套使用，由冷却塔的冷却能力测算结果可知：当冷水机组部分负荷超过22%时，对应冷却塔风机必须运转。为方便计算，假设各时期的冷却塔风机电耗与各时期的全线日平均冷负荷成正比，则冷却塔在经济寿命期内的电耗为：(6632×0.035×2206)×(20.7%×8＋27.7%×10＋41.5%×2)=2691370(kW.h)；冷却塔在经济寿命期内的运行电费为：2691370×0.6=1614822(元)。
对于方案三，由于冷却塔远期、中期、近期全线日平均冷负荷约为总设计计算冷量的41.5%、27.7%、20.7%，在绝大部分时间内是一台冷水机组处于部分负荷状态运行，而此时与冷水机组配套使用的一组冷却塔在冷却塔风机停转的状态下，其热力性能达48%—66%。尤其在中期和近期，冷却塔风机几乎无电耗, 假设远期冷却塔电耗与方案一等同，则冷却塔在经济寿命期内的电耗为：6632×0.035×2206×41.5%×2=425007(kW.h)；冷却塔在经济寿命期内的运行电费为：425007×0.6=255004(元)。
综上所述，若采用方案三，可比方案一和方案二节约冷却塔在经济寿命期内的运行电费约136万元，约占冷却塔初投资的75.6%(136÷180=0.756)，故选用方案三对节能有利。另外，方案三与方案一相比还具有如下主要优势：
⑴、在近期和中期，方案三中冷却塔的自然冷却能力得到充分发挥，风机停转时，冷却塔噪音较低(仅有淋水声)，对环保有利。相对而言，方案三中运动部件的运转时间短(如：出现突发客流，冷负荷较大时)，故冷却塔维修保养费用较少。
⑵、方案三中，三台冷却塔并联成一组，外表更美观且备用性好。
⑶、方案三中，三台冷却塔的集水盘型号相同且相互沟通，水力失衡的可能性较小。
⑷、配套水处理设备费用减少。全线采用方案一需34台/套水处理设备，而方案三只12台/套水处理设备，虽然规格变大，但初投资有所降低。同时，方案三为选用有效的水处理设备提供了有利条件(冷却水流量大，水处理设备数量少)。
三、空调冷却水系统的自动控制
为使冷水机组在一定的负荷范围内稳定运行，必须使进入冷凝器的冷却水温度稳定。对螺杆式冷水机组(排气冷却)，如出现冷凝压力过低，会引起回油不畅或润滑不畅；出现冷凝压力过高，会引起电机局部过载发热被烧毁。常见的冷却水温度调节如下：
由冷却塔出水温度控制风机的启停，该系统既能自动调节出水温度，又能减少蒸发损失和飘水损失。
冷却塔供、回水用三通阀调节，保证供冷水机组的冷却水混合温度，同时能控制风机的启停。
根据本工程的特点，结合方案三，建议在冷却塔供、回水母管间设置三通阀，由冷却塔出水总管内冷却水出水温度的设定信号来控制各台冷却塔双速风机的启停，同时控制三通阀的启闭，防止冷却水温过低。
四、有待进一步探讨的问题
综上所述，方案三的顺利实施还需解决好下列两个问题：
冷却塔出水总管内冷却水出水温度的设定值必须科学合理，既要有利于提高冷水机组能效比和机组的安全运转，又要有利于充分发挥冷却塔的自然冷却能力、降低噪声、节约能耗。
冷却塔的布水装置应兼顾冷却水流量较小时的布水效果，必须采取切实有效的措施，力求冷却塔在小流量时达到理想的冷却能力。
7/6/2005
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