某大型水电站中央空调系统节能优化研究

孙 娜，汪高翔，岳守俊

（1.中国长江电力股份有限公司三峡电厂，湖北 宜昌 443133； 2.中国长江电力股份有限公司中国三峡国际电力运营有限公司，湖北 宜昌 443133）

空调作为最常用的降温、升温系统，在为生活带来方便之余同样带来了环境温度上升、能耗损失严重等问题。某大型水电站中央空调系统规模和耗能十分巨大，为整个水电站内的厂房、机房、单元控制室、保护室等重要场所提供调温作用，但整个系统已投运15年之久，带来了制冷效果降低、能耗加大等不良现状，为促进水电站内空调系统经济合理运行，本文将对该电站内现有空调系统提出优化方案。

1 水电站内原中央空调系统介绍

（1）中央空调系统主要负责对上游副厂房67.0 m高程的励磁变压器、75.3 m高程的单元控制室以及安Ⅱ段、安Ⅲ段上游副厂房各层进行空气调节[1]。

（2）中央空调系统水冷系统方式[2-3]：冷冻水系统是一个闭式系统，冷源是5台风冷热泵式冷(热)水机组，4用1备，其中4台布置在安Ⅱ段的上游副厂房屋顶，1台布置在14号机组段右端头的上游副厂房屋顶。

（3）在上游副厂房67.0 m高程的每台励磁变压器附近、75.3 m高程的每个单元控制室内以及82.0 m高程安Ⅲ段保护盘室内各布置2台吊顶式或立式明装柜式风机盘管机组，这些柜式风机盘管机组对其所在部位的室内空气进行处理后，再送入室内，消除室内冷(热)负荷。

（4）安Ⅱ段82.0 m高程、89.25 m高程；安Ⅲ段82.0 m高程、87.8 m高程上游副厂房的载波机室、各类办公室、电气试验室以及7号机组段上游副厂房75.3 m高程的电梯机房等房间内布置柜式风机盘管机组和卧式暗装风机盘管，处理室内空气。

中央空调系统主机布置在左岸电站安Ⅰ段厂房顶108 m，末端设备（即空调区域）分布在安Ⅱ段、安Ⅰ段及安Ⅰ扩建段各层办公间内。中央空调系统末端设备额定冷量、水量及空调区域如表1所示。

表1 中央空调系统末端设备额定冷量、水量及空调区域

办公区域及设备区域负荷见表2。

表2 中央空调区域负荷分布表

2 存在的主要问题

该电站中央空调系统于2003年投运，至今已运行15年有余，中央空调系统原理图如图1所示，设备均已接近报废年限，目前存在较多问题及隐患，且能耗较大，浪费大量厂用电能源。

（1）空调主机、水泵不受监控；

（2）水系统管网老化，存在漏水隐患；

（3）监控系统上位机老旧，不能升级，且不满足网络安全要求；

（4）监控系统部分机组段通信数据显示不全，抗干扰能力不强；

（5）空调系统运行参数仅能在上位机查看，无法在线查看及趋势分析，智能化程度较低;

（6）电源电站中央空调系统没有纳入左岸电站监控系统；

（7）重压区域分体空调不具备断电重启功能。

图1 中央空调系统原理图

3 改进优化设计原则

本着可靠、经济、适用的原则，在原有的基础上进行技术改造，尽可能的节省项目投资、提升设备可靠性和智能化水平、减少后期的运行维护成本；对现有中央通风空调系统及其监控系统进行合理化改造设计，达到安全可靠、技术先进、经济合理和维护方便的目的[4]。

根据该电站所处地理位置，编制本项目室外空气气象参数，如表3所示。

表3 室外空气气象参数

按照厂房各部位的功能，工作场所的重要性及工作人员、机电设备的运行需要，依据国家及行业有关规范，确定厂房各部位的室内空气设计参数，见表4。

表4 室内空气设计参数

4 中央空调系统改造设计方案

根据电站内空调系统实际情况，提出两种设计方案，由于中央空调主机、水泵等老化严重，此次改造考虑采用水冷机组方案和风冷冷水机组方案进行必选更换，两种方案的主要设计情况如下所述。

（1）方案1：水冷冷水机组方案

对原中央空调系统办公区域与设备区域的中央空调系统分开设计，重新设计选型主机。拆除2号、安Ⅰ扩建中央空调系统原6台（安Ⅱ段上副屋顶布置4台，14号机组段上副屋顶布置1台，安Ⅰ段扩建的上游副厂房屋顶布置1台）风冷热泵式冷（热）水机组（每台制冷量602.4 kW，制热量662.6 kW），采用6台水冷机组替换。其中4台为水冷螺杆冷水机组，为原2号中央空调系统设备区域提供冷源，每台机组制冷量均为500 kW，冷冻水量为86.1 m3/h，冷却水量为107.7 m3/h。2台为水源热泵螺杆冷（热）水机组，为原中央空调系统办公区域提供冷（热）源，每台机组制冷量均为375 kW，制热量379 kW，冷冻水量为64.6 m3/h，冷却水量为78.5 m3/h。6台水冷机组布置在14号机组段（或安Ⅱ段）上游82.0 m高程厂坝平台。

拆除原机组内置水泵（扬程20～25 m，流量100～120 m3/h），改造后的中央空调系统设备区域的冷源设备采用5台管道离心式水泵作为冷冻水泵，4用1备，单台水泵参数：流量100 m3/h，扬程35 m，每台水泵进水口处设置电子水除垢过滤器，布置在14号机组段（或安Ⅱ段）上游82.0 m高程厂坝平台4台水冷机组附近。改造后的中央空调系统办公区域的冷（热）源设备采用3台管道离心式变频水泵作为冷冻水泵，2用1备，单台水泵参数：流量75 m3/h，扬程35 m，每台水泵进水口处设置电子水除垢过滤器，也布置在14号机组段（或安Ⅱ段）上游82.0 m高程厂坝平台4台水冷机组附近。

冷却水源取上游厂坝平台中心轴线为20+092.30处排水渠内的水。增加6台自控自吸式水泵，4用2备，每台水泵进水口处设置电子水除垢过滤器。其中3台自控自吸式水泵作为中央空调系统设备区域2台水冷螺杆冷水机组的冷却水泵，2用1备，单台水泵参数：流量320 m3/h，扬程30 m；另外3台自控自吸式水泵作为2号中央空调系统办公区域2台水源热泵机组的冷却水泵，2用1备，单台水泵参数：流量90 m3/h，扬程30 m。6台冷却水泵（4用2备）布置在1号机组段上游82.0 m厂坝平台左侧靠近安Ⅱ段适当位置。

保留中央空调设备区域与办公区域主供回水管道之间的隔断阀（手动阀），中央空调机组夏季可轮流给办公区域供冷运行，同时，中央空调为设备区域机组备用单元控制室及励磁变室等厂房重要设备区域供冷。

（2）方案2：风冷冷水机组方案

对原中央空调系统办公区域与设备区域的中央空调系统分开设计，重新设计选型主机。拆除2号、安Ⅰ扩建中央空调系统原6台（安Ⅱ段上副屋顶布置4台，14号机组段上副屋顶布置1台，安Ⅰ段扩建的上游副厂房屋顶布置1台）风冷热泵式冷（热）水机组（每台制冷量602.4 kW，制热量662.6 kW），采用6台风冷机组替换。其中4台为风冷磁悬浮冷水机组，为原中央空调系统设备区域提供冷源，每台机组制冷量均为500 kW，冷冻水量为86.1 m3/h，机组主机不少于2个模块，机组的主控制模块一用一备。2台为风冷热泵冷（热）水机组，为原中央空调系统办公区域提供冷（热）源，每台机组制冷量均为375 kW，制热量379 kW，冷冻水量为64.6 m3/h，机组主机不少于2个模块，机组的主控制模块一用一备。

6台风冷机组布置在原5台风冷热泵式冷（热）水机组位置，安Ⅱ段上副屋顶布置4台风冷冷水机组，安Ⅰ段扩建的上游副厂房屋顶布置2台风冷热泵冷（热）水机组。拆除原机组内置水泵（扬程20～25 m，流量100～120 m3/h），改造后的中央空调系统设备区域的冷源设备采用5台管道离心式水泵作为冷冻水泵，4用1备，单台水泵参数：流量100 m3/h，扬程35 m，每台水泵进水口处设置电子水除垢过滤器，布置在安Ⅱ段上副屋顶布置的2台风冷冷水机组附近。改造后的中央空调系统办公区域的冷（热）源设备采用3台管道离心式水泵作为冷冻水泵，2用1备，单台水泵参数：流量75 m3/h，扬程35 m，每台水泵进水口处设置电子水除垢过滤器。

保留中央空调设备区域与办公区域主供回水管道之间的隔断阀（手动阀），中央空调机组夏季可轮流给办公区域供冷运行，同时，中央空调为设备区域机组备用单元控制室及励磁变室等厂房重要设备区域供冷。

5 设计方案的性能及实施可行性分析

（1）在上述设计方案1中，冷却水供水系统是一个开式系统：冷却水泵抽取上游厂坝平台中心轴线为20+092.30处排水渠内的水，送入水冷冷水机组使用后，再通过排水管送至82.0 m高程厂坝平台适当地点排放。这样的运行方式将冷水机组的冷却方式由风冷改成了水冷，提高了冷水机组的能效比，但由于增加了一套开式的冷却水系统，冷却水系统管道布置稍复杂，其电冷源综合制冷性能系数[4]SCOP在4.5～4.8之间(SCOP为名义制冷量与冷源系统的总耗电量之比，冷源系统的总耗电量按主机耗电量、冷却水泵耗电量之和计算)。几种主要类型的水冷冷水机组性能参数见表5。

水冷冷水机组价格较高，另外冷却水系统内增加的6台自控自吸式管道式变频水泵、6台电子水除垢过滤器以及管材、保温材料、电缆布线、施工等，总共约需增加费用100万元。冷冻水系统的供、回水管道要通过82.0 m高程厂坝平台与布置在安Ⅱ段上副屋顶的主供回水管道连接，只能通过在82.0 m高程厂坝平台大面积开挖敷设或架空敷设，这两种方式实施起来都有一定的困难。

（2）方案2采用风冷机组，布置于2号、安Ⅰ扩建中央空调原拆除场地，充分利用原有空间布置设备，管道连接实施简单。冷水机组采用风冷型式，能效比稍低，其名义工况下的制冷性能系数COP即为电冷源综合制冷性能系数SCOP，在3.1～3.4之间。如考虑采用风冷磁悬浮机组，造价较普通风冷冷水机组提高，SCOP（COP）值提高至3.4～3.6。几种主要类型的风冷冷水机组性能参数见表6。

表5 水冷冷水机组性能参数表

表6 风冷冷水机组性能参数表

（3）方案1和方案2的节能分析

中央空调主机的运行情况是4台500 kW主机备用单控室、励磁变室，全年365 d备用；2台500 kW主机供办公区域，运行时间：5月15日至9月30号（视实际情况调整，变化不大），共计138 d；冬季工况：11月15日至第二年的3月15日（视实际情况调整，变化不大），共计120 d。考虑到冷水机组的制冷量有一定的裕度，而且运行时段内室外气温及厂内设备的发热量会发生周期性的变化，运行天数按60%计，运行时间为：

方案2办公区域年度能耗为：110.3×1 987.2× 2＋110.5×1 728×2=82.03万kW·h。风冷主机SCOP值取较低值3.0，水冷主机SCOP值取较高值5.0，方案1比方案二年度最高节能量为82.03-82.03×3÷5=31.81万kW·h。

6 总结

本文针对此大型电站空调系统存在的问题，结合电站所处环境及站内设备环境要求，提出两套空调系统优化方案。方案1能效比较高，但初投资高，设备布置在上游厂坝平台，电缆布线、冷冻水供回水管如何过厂坝平台到上副屋顶，均有待解决，困难较多。方案2实施简单，改造工程量小，造价较低，但能效比稍低，此能耗比从长远来看无法与投资价值差相比。经对比分析，水冷空调主机年度节能效果有限，而且采购成本高，配套设备多，改造工程量大，设计推荐方案2。