浦东国际机场能源中心供冷系统的经济运行模式研究

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同济大学热能工程系刘东刘传聚陆琼文上海浦东国际机场能源中心胡稚鸿李伟业

摘要本文是对浦东国际机场能源中心供冷系统的经济运行研究工作的总结。我们分析了影响能源中心供冷系统能耗的主要因素，通过理论分析、实际运行纪录分析和实测相结合的方法，针对浦东国际机场目前的使用情况和今后的发展规划，提出了一套经济运行方案，为浦东国际机场空调系统的进一步节能工作提供理论依据，同时对国内ＤＨＣ系统的经济运行也有参考价值。 关键词制绮空尹节能经济运行

１前言 浦东国际机场位于上海东部，一期工程设计旅客流量为每年两千万人次，是目前国内客流量最多的国际机场之一。整个机场采用区域供冷供热（ＤＨＣ）的形式，机场能源中心供应航站楼２８万时和综合区３１万澎（二期增加２５万郝）；冷负荷为８２．　８ＭＷ（二期增加１９ＭＷ　），热负荷为６０．　８ＭＷ（二期增加１４．　６ＭＷ　），供应半径为２．６ｋｍ，其他的建筑由分站供应。能源中心采用以电制冷为主体，部分汽、电、热联供的方式，一期配置了４台１４ＭＷ（４０００ＲＴ），２台４．　２ＭＷ　（１２００ＲＴ）的离心式水冷冷水机组和４台蒸汽双效吸收式冷水机组；１台４０００ｋＷ的燃气轮机发电机、３台３０ｔ／ｈ，　ｌ台２０ｔ／ｈ的火管蒸汽锅炉和１台ＩＩｔ／ｈ的余热锅炉。二期增加１台１４ＭＷ　（４０００ＲＴ）　，２台４．　２ＭＷ　（１２００ＲＴ）的离心式水冷冷水机组；；１台４０００ｋＷ的燃气轮机发电机、１台３０ｔ／ｈ的火管蒸汽锅炉和Ｉ台ｌｌｔ／ｈ的余热锅炉。这样大规模的供冷系统能耗是巨大的，应浦东国际机场方面的要求，成立了以刘传聚教授为课题负责人的同济大学热能工程系浦东机场经济运行研究课题组，在此后的一年中开展了工作，主要研究如何提高能源中心的运行效率，使之能够高效运行。由于空调系统的能耗主要包括制冷主机、水输送系统、空调末端三大部分，这三者是相互关联的，如何寻求主要的影响因素，对这三方面进行优化，是我们工作的重点，本文是工作的总结。２冷水机组的经济运行模式分析 由于浦东国际机场能源中心配置的１４ＭＷ　（４０００ＲＩ）离心式水冷冷水机组是国内空调系统中所用单机容量最大的机组，对机组的性能特点和运行管理，国内没有可以借鉴的经验。为此应该对此冷水机组性能有明确的了解，以指导设备及系统的节能运行。我们结合对浦东国际机场能源中心单机容量１４ＭＷ　（４０００Ｒ　ｌ）的ＯＭ机组和单机容量为４．　２ＭＷ（１２００ＲＴ）的ＹＫ机组的验收调试工作，针对机场建筑的负荷特点，对冷水机组及空调系统

ｇｏ子咔三、空调与控制类１８９

的节能运行提出了建议 ２．１从主机的全性能曲线可以看出，在约８０％的部分负荷时，冷水机组的效率最高；可见使冷水机组处在约８０％的部分负荷状态是主机节能的有效途径。对于１：程设计人员，可以在空调系统的方案设计阶段充分考虑建筑的空调负荷，变以满足设计工况为主的静态负荷设计为全年动态负荷设计，合理配置机组。对于运行管理人员，在分析总结机组运行记录后，尽量使机组能够处于最优的部分负荷运行状态。 ２．２冷却水温的降低有利于制冷机组的节能运行，但是这样又会增大冷却塔的负担，从而使其能耗增加，应尽量使机组在冷却塔与主机的能耗之和在最小的工况下运行。从测试结果可以看出，在３０℃以下，制冷机组的冷却水进口水温对机组能耗影响不大；当水温为３０．２℃时，其能耗指标比３１．６℃时减少８．４４６，比３２．７℃减少１２．４。可见将冷却水温确定在约３０℃时，对于提高冷水机组的能耗指标是较为有利的。 ２．３冷冻水温的高低直接影响空调系统的供冷品质，寻求合理的冷冻水温不但要考虑冷水机组的性能，而且要兼顾空调末端设备的换热性能。降低水温对于空调箱中表冷器的换热是有利的：对表冷器传热系数Ｋ值的改善影响不大，主要是通过增大冷冻水与空气的温差来体现的；但是降低水温会使冷水机组的制冷量降低，能耗指标增加，这是不利的。从测试的结果可以看出将空调的冷冻水温设定在约７．５℃是较为合理的，不但可以确保合理的水一空气传热温差，也可以使冷水机组的运行较为经济，这与平常要求的空调冷冻水温度设定在７．０℃是较为吻合的。 ２．４浦东国际机场候机楼现在不是２４小时连续工作的，并且为其服务的综合区也是间歇工作的，对于能源中心的冷水书丝巨来说会出现两个负荷高峰：一是出现在早晨开机时需要额外负担建筑的蓄热负荷，二是出现在下午需要负担室外气温和太阳辐射综合作用带来的建筑围护结构的最大空调冷负荷。在处理第．个负荷高峰时，应尽量减少围护结构的得热及室内设备得热，所以结合机场航班的情况确定合适的开机时间是非常重要的。目前将开机时间确定在凌晨六点是较为合理的，此时室外的空气干球和湿球温度较低，太阳辐射得热也较小，室内由于灯具和电梯等设备不运行也可大大减少设备的发热；干球温度较低对减少围护结构的得热有利，而湿球温度较低则对冷却塔的工作有利。从测试的结果可以看出降低冷却水温能提高主机的ＯＯＰ值，对于制冷主机的节能到良有利的。第二个高峰负荷是书山王的不利运行工况。 ２．５目前机场的客流量远没有达到２０００万人次／年的设计值，如果考虑送客人数，机场还会增加１５００万人次／年，假设每人在机场平均停留ｌｈ，机场每天工作１６ｈ，则考虑人数增加所带来的人员发热负荷及新风负荷共是３５７Ｒ丁，与目前正常使用所需要的１２０００ＲＴ相比，增加约３４６。所以预计达到设计旅客流量后的空调主机负荷基本可以维持不变。 ２．６主机是空调系统的必要组成部分，主机的节能要结合冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、空调箱、风机等设备来综合考虑，在共同运行的所有设备之间寻求最佳的配置，而不能孤立地考虑单个设备的节能运行。对于大型空调系统，在有可能的情况下，尽量采用｝）ＨＣ的形式，选用大型的空调制冷机组，不但可以减少主机设备的初投资，节省建筑面积，而且可以有效节约空调系统的能耗，主机的调试测试工作已充分证明大型空调制冷机组的优越性。可以采用多种能源驱动的方式，以确保工程实际运行的可靠性和经济性。此外空调系统的节能运行应有自动控制系统的配合，提前进行能耗预测是确保空调系统积极节能的有效手段，因此发展ＣＨ〕技术，利用标准年的气象资料，结合空调建筑的负荷特点，参照已有的运

ｓｏ　４ｆ１９０三、空调与控制类行纪录，进行全年的能耗动态模拟是非常有必要的。３水泵的经济运行模式分析 水泵是冷量输送系统中的主要动力设备，其能耗可达整个空调系统能耗的四分之一左右，因此水泵的节能也是系统节能工作的主要内容。目前在实际工程中，水泵的参数往往与实际情况相差较大，主要原因有以下几点：一是设计时留的裕量较大，尤其是水泵的扬程偏大，这样在实际运行时工作点发生偏移，流量和功率都增加，一般是通过管路中的阀门进行调整；二是水泵设备本身提供的参数不准，使得实际运行工作点与设计工作点不符，这使空调水系统失去平衡；三是实际的使用情况与原来设计的情况不同，有些用户可能没有使用空调系统，出现实际负荷小于设计负荷的情况，这也使得空调水系统的运行与设计出现偏差。 ３．１水系统的阻力特性 为了解浦东国际机场的冷冻水系统的管路特性，我们对能源中心供冷水系统进行了三次综合测试，获得了系统实际运行的第一手资料，探明了现有水泵能耗与管路阻力情况。在此基础上提出了水泵的节能运行模式。 ３．１．１水管路系统的阻抗 对于管径为ｄ、流量为Ｑ的管路系统，管路的压降可表达为： Ｈ　＝　ＳＱ２ 其中的５为管路阻抗：

Ｓ＝ 对于给定的系统，管径ｄ和管长１已经确定，Ｓ只是随着ａ和妥而变化，当流动处于阻力平方区时，Ａ只与相对粗糙度有关，因此在管材已定的情况下，Ａ可认为是常数，－Ｙ￥只与管道局部阻力构件有关（阀门及其开度、三通、变径、末端设备等）。 测试所得到的管路的压降为： Ｈ＝９．６０３１　ｘ　１０一６Ｑ２； 其中Ｑ为流量，矽／６；　Ｈ为管路压降，ｋＰａｏ

３．１．２ ＯＭ机组的阻抗 ＯＭ冷水机组是能源中心供冷的主要设备，它的阻力特性影响供冷系统的水泵运行工况，根据测试数据整理出ＯＭ机组的阻抗为３．８１９３　ｘ　１０－６０ ３．１．３水泵的扬程计算 冷冻水系统的阻抗包括水管路系统的阻抗与冷水机组的阻抗两部分，对冷冻水系统的阻抗乘以１．２的系数后得到其扬程。

冷冻水系统流．和扬程表１ＯＭ冷水机组流量（砰而）扬程（－Ｈ０）单台运行工况一，７５７一｝

两台并联运行工况Ｉ ３２６；一｝

三台并联运行工况｛３８．０

而每台５０ＯＳ９８Ｂ冷冻水泵的额定扬程为７５．　３ｍ，由此可见实际运行与设计参数之间存

夕Ｖ３ｂ三、空调与控制类１９１

在较大的差异。目前主要是通过阀门调节来使之正常工作，大量的能量消耗在阀门上是极为不合理的。针对这种情况，我们经过分析，提出了下列方案。 ３．２水泵节能运行方案 ３．２．１水泵叶轮切削方案 切削叶轮是离心水泵的一种独特调节方式，叶轮直径切小后，叶轮出口处的参数发生变化，对水泵的性能产生影响，使得Ｑ－Ｈ性能曲线下降，可以达到调节流量的目的。叶轮切削后由于叶片出口的宽度改变，严格上不属于相似理论的范畴，但是当叶片的切削比例不大时，可以认为出口安装角和水力效率不变，切削前后速度三角形相似。水泵的叶轮切削之后，其效率会有所下降，但是此时不必完全通过阀门来进行调节，这样可以节省损耗在阀门上的能量，可以控制切削量使后者的优势更为明显。我们通过分析水泵的性能曲线及参考现有的运行纪录，可以将５台水泵切削后的回收周期控制在约４个月。 考虑到此供冷系统今后会增加新的用户，结合目前实际使用与设计的水泵扬程相差较大的情况，我们与机场运行管理的人员商．ｍ，提出向生产厂家购买按照要求切削好的叶轮，以满足目前的实际需要；原有的叶轮经处理后留在仓库中，确保当系统的用户增加后水泵可以恢复到原有的性能水平。 ３．２．２水泵变频方案 变频技术通过均匀改变电机定子供电频率达到平滑改变电机同步转速的作用，从而改变水泵的Ｑ－Ｈ性能曲线来调节工作点，此时水泵出口的阀门可以全开，大大减少消耗在阀门上的能量。根据有关资料，国内目前已经生产直接串联无输人、无输出变压器电压型高压大功率变频器，并且已经开始应用，其技术指标可以满足本系统中水泵的要求。根据不同的使用情况我们提出了三种不同的变频方案。 方案一是根据浦东国际机场能源中心的目前的实际运行情况，水泵最大运行台数为３台，在现有５００Ｓ９８Ｂ水泵中选择３台均安装变频器。方案二是考虑由于２台ＯＭ机组并联运行时间为８１０ｈ／年，约占全年供冷运行时间的２７％，故在２台５００Ｓ９８Ｂ水泵上安装变频器。方案三是在水泵叶轮切削的基础上，在３台５００Ｓ９８Ｂ水泵上安装变频器。以下通过对这三种方案的节能计算，进行了经济性分析，得到以下结论：方案一投资金额最大需２５２万元（人民币，下同），方案二投资金额最小为１６８万元；方案一和方案三年节省电费相同，均为６１１，５３０元，均大于方案二５２２，８１９元；方案一回收周期最长需要４．１年，方案二为３．２年，方案三为３．４年。综合比较方案三为最佳方案。４变冷冻水温的经济运行模式 空调系统末端设备的设计是按照设计工况（即最大的负荷情况）来考虑的，但是实际的空调负荷是随着室外气象条件的改变而变化，大部分时间处在部分负荷下，尤其是对于机场航站楼这样主要受围护结构的影响的建筑。考虑空调系统的经济运行必须结合气象条件、主机和输送系统等来综合考虑，此处我们是研究随室外气象条件变化而改变冷冻水的送水温度，以达到满意的空调效果。 ４．１空调实际运行情况 根据能源中心２０００年度运行记录，４－－１１月供冷量统计见图１，冷冻水供水温度见表２０