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文档简介
1、.工业生产冷水系统水容量的设计王南0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: 本文详细表达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以下几个因素有关: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
2、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。- 7 - / 7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
3、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
4、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).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
5、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188
6、5l 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
7、,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 =175
8、kw,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”,
9、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
10、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适宜?假定三机头冷水机组的运行逻辑是,当温度下降后
11、,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%,
12、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,卸载速度来不与,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
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