138_20_mw水冷磁體水冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設計

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1、20MW水冷磁體水冷系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設計中國科學院強磁場科學中心唐佳麗歐陽崢嶸劉程華中國科學院等離子體物理研究所張曉東摘要：針對水冷磁體運行產(chǎn)生的熱負荷設計了本水冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)在保障磁體穩(wěn)定運行的前提下，進行了節(jié)能優(yōu)化設計。其中自然分層水蓄冷技術的應用不僅節(jié)約占地還可增大蓄水量，而利用峰谷電價差進行夜間蓄冷的方式更可節(jié)約運行成本；利用閉式冷卻塔在氣溫較低時取代上游冷水機組的設計也最大程度地節(jié)約了電能；此外在運行模式方面，系統(tǒng)可根據(jù)不同水冷磁體實驗負荷進行靈活轉(zhuǎn)換；在設備選擇方面，均采用節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)品，如制冷系數(shù)高的冷水機組，傳熱系數(shù)

2、較高的板式換熱器等。本系統(tǒng)對MW級以上水冷系統(tǒng)設計具有較好的參考價值。關鍵詞：水冷磁體水冷系統(tǒng)冷卻設備優(yōu)化設計前言由中國科學院強磁場科學中心承擔建設的國家大科學工程——穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置可為我國的科學研究提供理想的穩(wěn)態(tài)強磁場極端實驗環(huán)境，滿足我國多學科前沿發(fā)展對于強磁場實驗條件的需求。其中，水冷磁體由于消耗大量電能而產(chǎn)生的熱量必需由水及時帶走，因此，與電源功率相匹配的滿足水冷磁體和電源系統(tǒng)冷卻要求的去離子水冷卻系統(tǒng)是保障水冷磁體正常運行的必備條件之一。為了防止水中離子導電和水垢阻塞磁體內(nèi)很小的水冷通道，水冷磁體本身須使用去離子水

3、來冷卻，而冷凍水則為去離子水提供冷源。目前，該項目正在緊張的建設過程中，本著經(jīng)濟、高效節(jié)能并穩(wěn)定可靠的原則，針對水冷磁體實驗要求設計了該水冷系統(tǒng)，為各水冷磁體以及混合磁體穩(wěn)定運行提供保障。1系統(tǒng)介紹本水冷系統(tǒng)設計不僅可滿足水冷磁體20MW負荷下運行3小時，電源系統(tǒng)2MW負荷下運行5小時，還充分考慮了水冷磁體最大熱負荷達到28MW時的運行需求。為了保證水冷磁體10℃的磁體入口水溫度，必須用低于10℃的冷凍水通過板式換熱器使純水從38℃冷卻到10℃。被加熱的冷凍水先輸送到蓄水罐，后通過兩級冷水機組冷到6℃送回蓄水罐循環(huán)使用。本水冷系

4、統(tǒng)選用冷卻塔、離心式冷水機組和蓄冷水罐作為冷凍水的冷卻設備，通過合理配置，使冷凍水進入板式換熱器的溫度不高于8℃（由于管道漏熱因素，考慮2℃溫升）。另外，純水側(cè)設有去離子水純化器，對循環(huán)使用的去離子水進行提純以保證進入磁體的高純水電阻率不低于15MΩ.cm。在不同季節(jié)、不同氣溫條件以及不同水冷磁體運行負荷下，采用不同的運行方案，保證水冷磁體去離子水進水溫度不高于10℃。2水冷系統(tǒng)節(jié)能設計方案目前國內(nèi)許多大型試驗裝置的冷卻水還采用一次性使用，這種水冷模式雖然簡單，但非常浪費水資源[1]。本系統(tǒng)無論是冷卻水冷磁體的去離子水，還是冷卻

5、去離子水的冷凍水都采取循環(huán)使用的模式。此外，系統(tǒng)無論在運行模式還是設備配置方面都盡量考慮到了節(jié)能的要求。2.1系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設計如果按最大28MW熱負荷配置冷水機組，系統(tǒng)造價很高，為了節(jié)省系統(tǒng)投資，本設計選用較小規(guī)模的冷水機組，采用蓄冷方式，利用夜晚電價較低時進行蓄冷，10~12個小時生產(chǎn)約3500m3的6℃冷水放在蓄冷水罐內(nèi)，供回水溫差采用大溫差的20℃，最大可能地提高單位體積水流量的載冷量。而由于冷水機組輸入功率較高，為了節(jié)約電能，特選用閉式冷卻塔在冬季溫度較低時取代1#冷水機組。蓄水罐上部溫水經(jīng)閉式冷卻塔降溫，水溫由26℃降

6、至15.5℃，再經(jīng)由2#冷水機組由15.5℃降至6℃，送至蓄水罐下部。當蓄水罐充滿6℃的冷凍水，充冷過程完成。白天試驗過程中，與水冷磁體的去離子水換熱產(chǎn)生的26℃溫水則進入蓄水罐上部。整個水冷系統(tǒng)優(yōu)化后的原理圖如圖1所示。根據(jù)市場報價，一臺閉式冷卻塔與冷水機組的價格相當，約人民幣150萬元左右，而針對本項目的選型，1#冷水機組的輸入功率約550kW，而一臺閉式冷卻塔不足20kW，已知電費為1元/kWh，考慮合肥的實際天氣，每年可運行閉式塔約100天，每天運行10小時，現(xiàn)對其進行經(jīng)濟性分析：使用冷水機組電費使用閉式冷卻塔電費節(jié)約電

7、費=53萬/y，比較其成本150萬元，兩年多的時間即可收回成本，因此從節(jié)能角度而言使用閉式冷卻塔替代1#冷水機組的方案是非常合理的。圖1去離子水冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計原理圖國內(nèi)很多水冷系統(tǒng)在設計時，都采用兩罐方案（緩沖罐+蓄水罐），而單罐自然分層水蓄冷[2]是利用冷熱水密度不同，自然分層的原理，它有蓄冷量大、管道數(shù)量少、不需建造地下泵房、水泵投資少、造價和運行費用低的優(yōu)點。但需要注意的是自然分層水蓄冷在使用過程中會產(chǎn)生斜溫層，這部分水是不能使用的。斜溫層的穩(wěn)定性和厚度是影響蓄冷效率的主要因素，如達不到設計要求，將會影響水冷磁體的正常運

8、行。為了調(diào)研分層水蓄冷系統(tǒng)的實際使用效果，對上海浦東國際機場T2航站樓能源中心的分層水蓄冷系統(tǒng)進行了實地考察。其罐體直徑26m、水深22米，在供、回水溫度分別為7℃和14.5℃的運行模式時，斜溫層厚度約2米，為水深的9%。本項目如采用單罐方案，罐體高9米，斜溫層