138_20_mw水冷磁体水冷系统节能优化设计

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1、20MW水冷磁体水冷系统节能优化设计中国科学院强磁场科学中心唐佳丽欧阳峥嵘刘程华中国科学院等离子体物理研究所张晓东摘要：针对水冷磁体运行产生的热负荷设计了本水冷系统，该系统在保障磁体稳定运行的前提下，进行了节能优化设计。其中自然分层水蓄冷技术的应用不仅节约占地还可增大蓄水量，而利用峰谷电价差进行夜间蓄冷的方式更可节约运行成本；利用闭式冷却塔在气温较低时取代上游冷水机组的设计也最大程度地节约了电能；此外在运行模式方面，系统可根据不同水冷磁体实验负荷进行灵活转换；在设备选择方面，均采用节能环保的产品，如制冷系数高的冷水机组，传热系数

2、较高的板式换热器等。本系统对MW级以上水冷系统设计具有较好的参考价值。关键词：水冷磁体水冷系统冷却设备优化设计前言由中国科学院强磁场科学中心承担建设的国家大科学工程——稳态强磁场实验装置可为我国的科学研究提供理想的稳态强磁场极端实验环境，满足我国多学科前沿发展对于强磁场实验条件的需求。其中，水冷磁体由于消耗大量电能而产生的热量必需由水及时带走，因此，与电源功率相匹配的满足水冷磁体和电源系统冷却要求的去离子水冷却系统是保障水冷磁体正常运行的必备条件之一。为了防止水中离子导电和水垢阻塞磁体内很小的水冷通道，水冷磁体本身须使用去离子水

3、来冷却，而冷冻水则为去离子水提供冷源。目前，该项目正在紧张的建设过程中，本着经济、高效节能并稳定可靠的原则，针对水冷磁体实验要求设计了该水冷系统，为各水冷磁体以及混合磁体稳定运行提供保障。1系统介绍本水冷系统设计不仅可满足水冷磁体20MW负荷下运行3小时，电源系统2MW负荷下运行5小时，还充分考虑了水冷磁体最大热负荷达到28MW时的运行需求。为了保证水冷磁体10℃的磁体入口水温度，必须用低于10℃的冷冻水通过板式换热器使纯水从38℃冷却到10℃。被加热的冷冻水先输送到蓄水罐，后通过两级冷水机组冷到6℃送回蓄水罐循环使用。本水冷系

4、统选用冷却塔、离心式冷水机组和蓄冷水罐作为冷冻水的冷却设备，通过合理配置，使冷冻水进入板式换热器的温度不高于8℃（由于管道漏热因素，考虑2℃温升）。另外，纯水侧设有去离子水纯化器，对循环使用的去离子水进行提纯以保证进入磁体的高纯水电阻率不低于15MΩ.cm。在不同季节、不同气温条件以及不同水冷磁体运行负荷下，采用不同的运行方案，保证水冷磁体去离子水进水温度不高于10℃。2水冷系统节能设计方案目前国内许多大型试验装置的冷却水还采用一次性使用，这种水冷模式虽然简单，但非常浪费水资源[1]。本系统无论是冷却水冷磁体的去离子水，还是冷却

5、去离子水的冷冻水都采取循环使用的模式。此外，系统无论在运行模式还是设备配置方面都尽量考虑到了节能的要求。2.1系统节能优化设计如果按最大28MW热负荷配置冷水机组，系统造价很高，为了节省系统投资，本设计选用较小规模的冷水机组，采用蓄冷方式，利用夜晚电价较低时进行蓄冷，10~12个小时生产约3500m3的6℃冷水放在蓄冷水罐内，供回水温差采用大温差的20℃，最大可能地提高单位体积水流量的载冷量。而由于冷水机组输入功率较高，为了节约电能，特选用闭式冷却塔在冬季温度较低时取代1#冷水机组。蓄水罐上部温水经闭式冷却塔降温，水温由26℃降

6、至15.5℃，再经由2#冷水机组由15.5℃降至6℃，送至蓄水罐下部。当蓄水罐充满6℃的冷冻水，充冷过程完成。白天试验过程中，与水冷磁体的去离子水换热产生的26℃温水则进入蓄水罐上部。整个水冷系统优化后的原理图如图1所示。根据市场报价，一台闭式冷却塔与冷水机组的价格相当，约人民币150万元左右，而针对本项目的选型，1#冷水机组的输入功率约550kW，而一台闭式冷却塔不足20kW，已知电费为1元/kWh，考虑合肥的实际天气，每年可运行闭式塔约100天，每天运行10小时，现对其进行经济性分析：使用冷水机组电费使用闭式冷却塔电费节约电

7、费=53万/y，比较其成本150万元，两年多的时间即可收回成本，因此从节能角度而言使用闭式冷却塔替代1#冷水机组的方案是非常合理的。图1去离子水冷却系统优化设计原理图国内很多水冷系统在设计时，都采用两罐方案（缓冲罐+蓄水罐），而单罐自然分层水蓄冷[2]是利用冷热水密度不同，自然分层的原理，它有蓄冷量大、管道数量少、不需建造地下泵房、水泵投资少、造价和运行费用低的优点。但需要注意的是自然分层水蓄冷在使用过程中会产生斜温层，这部分水是不能使用的。斜温层的稳定性和厚度是影响蓄冷效率的主要因素，如达不到设计要求，将会影响水冷磁体的正常运

8、行。为了调研分层水蓄冷系统的实际使用效果，对上海浦东国际机场T2航站楼能源中心的分层水蓄冷系统进行了实地考察。其罐体直径26m、水深22米，在供、回水温度分别为7℃和14.5℃的运行模式时，斜温层厚度约2米，为水深的9%。本项目如采用单罐方案，罐体高9米，斜温层