空调循环水泵的运行工况分析与优化设计

64·设计参考暖通空调HV&AC201年第36卷第11期空调循环水泵的运行工况分析与优化设计中新苏州工业园区设计研究院张翼骥☆苏州科技学院金显明摘要分析了闭式循环水系统普遍釆用的一机一泵制与一机两泵制的运行工况。结合工程常见问题,提出了循环水泵的最优化设计。关键词管路阻抗并联等效曲线变频Operating analysis and optimal design for circulatingwater pumps of air conditioning systemsBy Zhang Yiji★ and Jin XAbstract Analyses the operating condition of one machine to one pump and one machine topump systems adopted widely in closed circulating water system. with the common problems in projpresents the optimal design of circulating pumpsKeywords pipe impedance, parallel connection, equivalent curve, variable frequencySino-Singapore Suzhou Industrial Park Design Research Institute Co, Ltd, Suzhou, Jiangsu Province, China空调水系统属于闭式循环系统,系统的总阻力化规律同样具有指导作用。运用数解法作出离心即为水泵扬程,在实用工程中循环水泵的选用多为泵特性曲线的解析式形式为机一泵制或一机两泵制(备用泵未计在内,下H= Hx- SxQ(1)同)。若制冷系统的总循环水量为Q,总阻力为HSx=H,.时,一机两泵制即按Q/2和H选用两台循环泵,低负荷时开一台,高负荷时两台泵并联工作。近年对于两台相同型号离心泵并联工作时来为了节省运行费用,出现了两台泵并联工作时其(3)中一台泵选用变频泵的设计,其意是想扩大流量的4(Q-Q)变化范围。一机一泵制即按Q和H选用一台循对于两台不同型号离心泵并联工作时环泵。设计者往往只简单地根据样本提供的数据Hb(a+Q)2-(Q+Q)2选用缺乏对离心泵运行工况的分析,致使在运行式(1)~(4)中H—一水泵扬程,m;中出现了不少问题,或者系统带着某些隐患运转,既浪费了电能又降低了水泵的使用寿命。本文将Q水泵流量,m3/h;对上述三种情况结合实际工程进行分析。Sx水泵体内虚阻抗,h2/m5;Hx虚扬程1离心泵工况的求解由于目前离心泵样本提供的特性曲线非常简H1,H2—高效区的端点扬程,m;略或者不完整,无法进行工况分析,因此利用样本Q2,Q2高效区的端点流量,m3/h提供的高效区范围内的参数得出解析式对离心水中国煤化工工程师泵进行工况分析显得十分方便。利用解析式在高效区两侧之外10%的范围内求解可以达到工程上CNMHG满意的精度,如偏离范围扩大,则精度较差,但其变收稿日期:20-0-4-28暖通空调HV&AC2006年第36卷第11期设计参考·65Q,Q”扬程为H时第1台与第22同型号离心泵并联一机两泵制的工况分析台水泵的流量,m3/h;某工程需要的参数为Q,Q—扬程为H时第1台与第空调循环水量800m3/h,水泵扬程32m,选取台水泵的流量,m3/h两台型号为IS200-150-315的水泵并联,水泵性为了适应计算机的计算,对管路特性、等效特能参数见表1。性以及效率曲线皆用解析式列出,即表11s200-150-315水泵性能管路阻力特性H=∑Q2(5)转速/(rm)流量/(m/b)扬程m效率/%轴功率管路等效特性H=KQ(6)145082效率曲线n=a+6Q+(3600(7)Q运用式(1)~(7),代入表1数据得:式(5)~(7)中∑S—管路系统总阻抗h/单台泵(Q-H)n方程H=40.18-0.552×104QK等效曲线系数,h/m5;并联泵(Q-H)+0方程a,b,c最小二乘法拟合曲线H=40.18-0.138×10-4Q(11)系数。单台泵(Q-n)。方程为了分析方便,列出管路系统总阻力∑h计7=0.041+14.120×Q算式,如下Q∑h=∑+∑+sQ+SQ03×(360(12)将式(10)~(12)绘于图1上,其中0a,ob为效(8)率特性曲线,即a上任一点的水泵效率与a点的式中等号右边第一项为沿程摩擦阻力之和,第二效率相等,b亦然,因此也称为等效曲线。根据式项为局部阻力之和第三项为制冷主机蒸发器的阻(6),这两条曲线的解析式可写为力额定流量下取8~10m,第四项为末端设备阻H=6.42×10-Q(13)力,对于风机盘管在额定流量下的阻力为2~3m。H=1.35×10-Q(14)工程上为了设计计算的简化常以单位摩擦阻力R40.18和局部阻力占摩擦阻力的百分比计算第一、二项,37于是∑h可写成285(4m2∑h=10-31R(1+a)+SQ+S式中L—水系统的管路总长度,m;R—单位摩擦阻力,mm/m,根据经济流速平均取R=40~50mm/m;—局部阻力占摩擦阻力的百分比,一般200240400460600取25%~35%;S-—以总流量计通过制冷主机蒸发器的图11s200-150-315水泵性能曲线阻抗,h2/m5;图中的管路特性曲线Q∑h反映了实际工程Sn以总流量计通过末端设备的阻抗,中空调水系统的阻力变化。该工程竖向同程管道h2/m5上一下共计200m,平面同程敷设160m,设计若以水泵的扬程表示管路系统的总阻力,其形沿程V凵中国煤化工式(9)计算所得式就是式(6)此时H=∑h∑Q2=101R,的水CNMHn+160m)×+a)+SQ+SnQ。1 000 mm/m×1.30m+10m+3m=31.72·66·设计参考暖通空调HV&AC2006年第36卷第11期从图1上看,两台泵的并联曲线(Q-H)+0与计算结果与图1查出的数据基本一致。但是,Q∑h的交点x的参数为H=32m,Q=800m3/当一台泵运转时,联立式(10)和式(15)得到z点工h,而且每台泵在高效点(H=32m,Q=400m/,况:Q=√.5H/m+0.52bm2×100=61840.18m82%)下工作,循环泵的选择正确。根据式(5)得出管路特性的解析式m3/h,H2=40.18m-0.552×10-h2/m5×(618H=0.5×10-Q(15)m3/h)2=19.1m联立式(11),(15)得到并联流量和扬程,即x同时由式(12)求出运转效率:孙=0.041+点的工况Q=√.5H/m+01381m2×1410m3×918m-640/m×100=793.6m3/h,H2=40.18m-0.138×104(618m3/h0.576。h2/m5×(793.6m3/h)2=31.5m3600s/h18m3/h19.1m则轴功率N=0s·m3)/(k×0.57102 kg. m/kJ76=55.8kW计算出的轴功率大于表1电动机铭牌功率55种调节过程不仅烦琐难以掌握,而且水泵的无功消kW,使电动机处于极限状态下运行,电动机发热乃耗很大。通过上述分析可知通常使用的同型号离至烧掉,这种现象在实际工程中遇见多次。苏州市心泵并联的一机两泵制并不是一种理想的选择。某高层建筑釆用一机两泵制,由于系统阻力估算得3工频泵与变频泵并联一机两泵制的工况分析不正确,水泵的选配不当,开1台泵和2台泵并联机两泵制的另一种配置是使其中一台泵变频都出现超电流现象,直至加入备用泵后3台泵并联运转。开一台泵时使用变频泵,当流量满足不了要同时开启方可正常运转,因此该建筑的空调水循环求时,再开启另一台工频泵使变频泵在一台泵流量泵不运行则已,一运行时,3台泵必须同时投入运与两台泵流量之间调频以满足多变流量的调节转,电能的耗损惊人,直至两年后通过切削叶轮的图1中,(Q-H)1和(Q-H)2即是(Q-H)办法才得以缓解,但仍存在遗留问题。计算得出,变频后不同转速的特性曲线,由此可以看出,转速两年内所耗电费的1/5就足以更新水泵了。笔者降低后,特性曲线下移,而(Q-H)+1,(Q-H)o+曾经对10多个单位进行调查,一机两泵制皆存在则分别是(Q-H)与(Q-H)1和(Q-H)2并联类似问题运行单台泵时效率低轴功率大,只是还的特性曲线。没有达到电动机的额定电流,未引起重视,但是存(Q-H)+与Q-∑h相交于f点,通过f点在的隐患是不可忽视的,且电能浪费很大此类问题解决的办法之一是增加系统的局部作水平线交于(Q-H)曲线上的b点和(Q-H)1曲线上的c点。b点和c点的流量之和应等于∫点阻力改变管路特性曲线Q∑h,例如运行单台的流量(其中的误差是作图误差,下同)。b点是高泵欲使其流量为设计流量的一半,Q=400m/h,效区的端点,即再向右移动就出了高效区,且效率由式(15)算出相应的水泵扬程H=0.5h2/m3×下降很快。当变频泵扬程减小到z点扬程后并进10-4×(400m3/h)2=8m减小时,变频后的特性曲线(Q-H)3就无法如图1所示,h点参数为Q=400m2/h,H=8与(Q-H)o并联了,这是变频泵的极限转速。将m,而特性曲线(Q-H)在Q=400m3/h时的HH1=19.1m代入式(13)得s点的流量Q=172是32m,新的管路特性即应是o-h-g;HH=24m,将通过局部阻力解决,但是系统中应用m/h,则极限转速为xm=240mh×1450的阀门多为蝶阀和闸阀,要通过调节阀门克服24r/min=1039r/min,若调频后转速低于极限转m的阻力非常困难,不仅阀门的开度难以稳定,并速,中国煤化工频泵的损伤。且产生振动以及影响阀门的使用寿命,除非另接旁CNMHG作下列计算:欲使通管在旁通管上装设节流孔板才能达到目的。这水泵的输出流量为Q,=700m3/h,则其扬程为暖通空调HV&AC2006年第36卷第11期设计参考·67·H=0.5×104h2/m5×(700m3/h)2=24.5m,泵并联的功耗差值为△N=N2-N1=12.67kW。变频后的特性曲线(Q-H)2与(Q-H)并联后的般来说,变频泵控制在极限转速之内是节能特性曲线(Q-H)+2必然与Q-∑h曲线交于y的,但由于两台并联泵中往往会有一台远离高效点,并且效率曲线(Q-2)左移。根据式(1)~(7)区,则越靠近极限转速,其节能效果越差。与变频和抛物线平移的原理得到以下解析方程。泵并联工作,要控制变频泵的调速范围,不能充分(Q-H)2特性方程发挥变频器的作用,操作不当还容易发生故障,这H=26.04-0.552×10-Q(16也并非是一个好的选择Q-n2效率方程若一机两泵制的两个水泵都选用变频泵,且同=0.046+17.483×Q步进行变频调节,可以达到理想的结果,水泵将一直3600位于高效区内运行。但是由图1可知,只开启一台98.727×(。Q(17)变频泵,则仍将处于低效率下运转。因而要实现理想的结果,不论在任何调节工况下都必须两台变频将H=24.5m代人式(10)和式(12)及式泵同时开启,这与一机一泵制就没有什么两样了(16)和式(17)分别得到m点和p点工况:Qn=5334循环水泵工况的最优化分析m/h,m=0.041+14.120s/m3×533m/h3600s/h通过上述分析可知,在闭式循环系统中采用并64.03/mX(533m3/h)=0.728;Q=167m3联泵的工况存在不少问题,笔者现就一机一泵制应用变频技术的工况进行分析。选取S300-32型双h,=0.046+1.483m×167mA-982吸水泵,其参数列于表2表28300-32水泵性能s/m×(167m/h0.644转速/(r/min)流量/(m3/h)扬程/m效率/%功率/kW轴功率电动机功率水泵在m点和p点的轴功率及两台泵的总功率N1为:32533m3/h×24.5m同理,根据高效区内的参数作出水泵特性Q102kg,m0.728=4.81H和效率的解析式167m3/hH=46.6-0.23×10Q(18)×24.5kW,N,s·m102kg·m/kJ×0.6447=-0.74+15.72×Q60017.28kW,N1=Nm+Np=66.09kW倘若使(Q-H)+0与Q-∑h的交点流量达到38.442×(QQ=700m3/h时(这需要增加阻力改变Q-∑h的如图2所示,只要选择泵时让管路特性曲线特性),(Q-H)的参数应为Q=350m3/h,H40.18m-0.552h2/m5×10-4×(350m3/h2)=33.42m,其效率及轴功率为7=0041+41.120/m×30600h4.035m5×(350m/h)2=0.809o350 m/Z33.42m7(Kg102kg·m/kJ×0.80938 kW中国煤化工两台泵总功率N2=39.38kW×2=78.76kWCNMHG 800 1000因此,相同型号工频水泵并联和变频泵与工频图28300-32水泵性能曲线68·设计参考暖通空调HV&AC2006年第36卷第11期Q-∑h落在高效区aa和b之间并与水泵的特性改为两台制冷机,每台主机过水量为4m0/h,满曲线QH相交例如g点即为所选泵的工况点。负荷时的循环水量仍为80m3/h,这里牵涉到并联立式(15)和式(18)得到g点的参数:Q4=79联阻力计算的问题,若两台主机在额定过水量下的m3/h,Hk=31.9m,代人式(19)得vk=0.869,这阻力都为10m,则总水量通过并联的两台主机的与图2所示数据基本一致。阻力亦为10m,并可计算出通过并联主机的阻抗:根据水泵的相似律知此时管路特性曲线S=10m2=10×10H/mQ-∑h的g段亦称等效曲线。当采用变频技术当流量在400~800m3/h之间变化,水泵沿改变电动机转数调节流量时,曲线(Q-H)下降。g曲线变频运行。若所需流量到达400m3/h时,如果将流量调节为Q=700m2/h时,泵的特性曲此时的工况点为k点(见图2),系统阻力为∑h=线为(Q-H)1,工况点为h。同理将流量调节为0.5×10h2/m5×(40m3/h)2=8m,该流量通Q=400m3/h时,工况点为k。两种工况下电动机的转速分别为(700/799)×1450r/min=1270r/过两台并联主机的阻力为△h=S×400=10min及(400/799)×1450r/min=726r/min。并10h2/m5×(400m2/h)2=2.5m可计算出流量Q=700m3/h时,扬程H=0.5但是在实际操作中,当流量达到400m3/h时,104h2/m5×(700m3/h)2=24.5m,其轴功率为了节能应该停开两台制冷机中的一台,变为一台700m3/hN=36(s:m)/(kgb×24.5m主机运行,阻力仍为10m,新的工况点应在k点阻=53.75kW力加上(10-2.5m处,即s点(Q=400m3/h,H这比上述两种工况的功耗分别节省△N=15.5m),流量在0~400m3/h之间变化时,水泵沿σs曲线变频调节运行。从图2可见,由于变频66.0kW-53.75kW=12.34kW,△N=78.76kW后效率曲线向左移动,毋庸置疑,无论沿og,还是53.75kW=25.01kW。全年运转的平均负荷大沿os曲线变频调节,其工况都落在高效区内,能量约为设计计算负荷的60%采用变频技术理论上全的节省是可观的。同理对于一个系统采用两台以年将节省的能量可达到10%-(60%)=784%,上的主机运行时,也可采用同样的分析方法。因可见,一机一泵制在调节负荷方面的节能优势而,一个系统一泵制才是最优化的运转选择很明显。但这里要明确指出,空调系统在选用一台个系统一泵制应设置备用泵,这不仅减少了制冷机时,上述讨论正确无误。倘若为了调节制冷机房的占用面积,同时管理也比较方便机的供冷量,一个系统采用两台或两台以上制冷机以上分析与结论符合离心泵相似律的理论基时,一机一泵制就要选用两台或两台以上的水泵,开础。最后笔者讨论一下变频器应用的技术问题台制冷机一台水泵运行,开多台制冷机多台水泵从理论上讲,变频范围可以做到从50Hz变到0运行,对于一个系统而言,这又成了水泵并联运行,Hz,但是在低频率下运行,诸如电动机的安全性将同样存在前述并联情况的弊病。因此最优化的方能耗性能等问题应通过实验验证。现将某公司提案将不是一机一泵制,而应该是一个系统一泵制。供的在风机、水泵等控制系统中应用变频器的数据对于一个系统中多台制冷机采用一台水泵进列于表3步分析如下。表3水泵应用变频器调节的性能图3所示为一个系统两台制冷机选择一台循流量比率/%变频频率/Hz额定轴功率的电功率总损耗/%效率/%环泵的原理图。为了便于比较,将第2章中的例子百分率/%y冷水机组11m50452冷水机组400m/h下中国煤化工CNMHG 2.5图3采用两机一泵制系统的原理图暖通空调H&AC206年第3卷第11期设计参考·69表3是以额定数值为10%的相对百分率来3m/-3.442m×(63mA)=0.84,表示的。例如流量为额定流量60%时,额定轴功s/h率的百分率为Q63623m3/h×100%=25.0%,而总损耗N=36(m)/(kg,h×37.6mkJ×0.84=76kW。占额定总功率的百分率为25.0%-0.63×100%=3.4%。o-s-w是一台主机运行时的管路特性曲线。变频器在低频率下运行,除了控制系统存在当变频调节沿os进行时,应用表3的数据所进行定量的损耗使效率下降外,不会发生任何故障。而的数值计算结果列于表5(此时额定流量参见w点变频器的损耗与所节省的电能相比很小。应用表参数)。表5沿as曲线变频计算的数据3数据对图2系统变频运转进行的数值计算如下。买际流量/实际流量的变颊频率/电入功率总损耗厂当流量在800~400m3/h区间调频运转时,此(m/h)比率/% Hz kwkw时两台制冷机全开,计算结果列于表4(额定流量400.0参见g点参数)。l1.4表4沿g曲线变频计算的数据249.2206.81.9871.17554.0实际流量/实际流量的变频频率/电输入功率/总损耗/效率/由表4及表5可见,水泵的变频调节在一个系比率/%86.26.292.6统一泵制中的节能效果非常明显。尽管在实践中63.24.9923水泵的转速下降后不能完全遵照理论上的相似律,00000也050544.8效率有少量降低,但其节能效果是明显的。在具体30.43.090.3设计中采用多机一泵制还需要一个过程,这个过程20.04001202.083即是深化认识和不断进行理论研究的实践过程当关闭一台制冷主机,根据s点的参数可以参考文献得出曲线os的解析式,H=0.97×10-4Q,与式[1]姜乃昌,陈锦章.水泵与水泵房[M].北京:中国建筑工业出版社,1986(18)联立得到s点的工况相似点(v点)的参数(见[2]袁慰平计算方法与实习[M南京:东南大学出版社,2000图2):Q0.23h2/m3+0.97m3×100=[3]中国市政工程西北设计院给排水设计手册(11册)623m/h,H=0.97×10h/m3×(623m/h)2=[4]金显明,离心泵工况调节的数解法[门.苏州城建环37.6m,由式(19)得=-0.74+15.72/m2×保学院学报,1988(2)接第73页)[6]赵军,王华军密集型桩埋换热器管群周围土壤换热较分析,验证了塔式设计方法的适用性,表明该方特性的数值模拟[J].暖通空调2006,36(2):11-14法具有一定的工程指导意义。[7] Cary J W, Campbell G S, Papendick R I. 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