暖通空調系統中水泵不同組合方式的運行分析

趙金良

隨著國民經濟的快速發展,人民生活水平的不斷提高,人們對生活環境舒適度的要求越來越高,暖通空調系統已是創造室內舒適環境、保證生產工藝、提高工作效率和發展生產力的重要保證。但在營造舒適環境的同時,也消耗了大量的能源,目前我國建筑能耗中采暖空調系統能耗大概占65%,其發展方向直接影響到國民經濟的發展、能源的利用以及環境保護。本文對暖通空調系統中的常用設備——水泵在不同的組合配置方式下運行工況進行分析,尋求一種最佳的水泵組合方式,達到節能降耗的目的。

1 水泵組合的形式及特點

1.1 水泵串聯組合

水泵串聯組合的特點:當管路系統中流量小,而阻力大的情況下,單臺水泵不能提供系統所需揚程,就應串聯水泵來增大揚程,水泵的型號類型通常相同。

1.2 水泵并聯組合

水泵并聯組合的特點:當系統中要求的流量很大。一臺水泵其流量不夠時,或需靠增開或停開并聯水泵臺數以實現大幅度調節流量時宜采用并聯運行。依據水泵是否變頻,主要有三種并聯組合方式:1)多臺定頻泵并聯組合;2)定頻泵與變頻泵并聯組合;3)多臺變頻泵并聯組合。目前在暖通空調系統中水泵并聯組合方式的應用較多,本文主要對并聯水泵方式進行分析。

2 水泵的基本原理

在實際運行過程中水泵并不總在設計工況點下運行,在非設計工況點下運行時它遵守泵的相似律原理。泵的相似律[1]表明同一系列相似機器的相似工況之間的相似關系,泵的性能參數是針對某一轉速nm來說的。當實際運行轉速n與nm不同時具有下列關系:

1)流量關系:

2)揚程關系:

3)功率關系:

三式聯立可得綜合公式:

從上式可以看出當水泵進行轉速調節流量時,水泵的功率是以3次方的關系進行變化的。

3 運行分析

下面對水泵組合的幾種方式分別進行分析[2]。

3.1 兩臺水泵串聯組合方式

兩臺水泵串聯運行時,聯合性能曲線是在同一流量下進行各單臺水泵的揚程疊加而成的。

當管路曲線不與泵1和泵2聯合曲線相交時,會發生串聯后的全壓,與單臺水泵相比相同或者小于,同時流量也有所減少,功率消耗卻增加。所以只有在管路系統流量小,而阻力大的情況下串聯水泵運行才是合理的。

3.2 兩臺定頻水泵并聯組合方式

兩臺定頻水泵并聯組合見圖1。

從圖1可以看出:1)在低流量時只開啟一臺水泵,便可滿足系統流量的需要。2)在高于一臺水泵流量時要同時開啟兩臺水泵。當系統流量未達到設計流量時,系統流量的調節只有通過關小閥門,加大管道系統阻力的辦法來解決。此時管道系統性能曲線將變陡,由于水泵的轉速并沒有改變,所以水泵性能曲線也沒有變化,但兩條曲線的交點將上移,水泵將在低流量、高揚程的工況點運行。

可見定頻泵并聯時,流量在一定范圍變化時水泵所消耗的功率中有一部分是用來克服閥門關小所產生的阻力,而通過關小閥門增加管道阻力來滿足系統低流量的需求是不經濟的。

3.3 一臺定頻水泵與一臺變頻水泵并聯組合方式

一臺定頻水泵與一臺變頻水泵并聯組合見圖2。

從圖2可以看出:1)在低于定頻泵與管道性能曲線交點的流量范圍下只開啟變頻泵,通過水泵轉速的改變來滿足系統流量的需求。2)在高于交點流量時同時開啟兩臺泵,首先為了使定頻泵與變頻泵可以同時運行,變頻泵要在高轉速的工況下運行來獲得與定頻泵一樣的出口壓力,否則其中揚程較低的一臺水泵的止回閥將關閉,造成水泵的空轉,系統出現問題。由相似律定理可知此時變頻泵消耗的功率要增加變大。其次變頻泵與定頻泵出口壓力相等,此時流量必定大于系統所需流量,只有調節閥門開度變小,增大管道阻力,使管路性能曲線變陡,才能得到系統所需流量。另外隨著流量的變大,定頻泵運行工況點將按著它自身的性能曲線變化,流量變小,壓頭變高,消耗的功率變大。

可見定頻泵與變頻泵并聯運行同定頻泵并聯一樣不經濟,有不必要的能量消耗,但在低流量時節省了部分能量消耗。

3.4 兩臺變頻水泵并聯組合方式[3]

兩臺變頻水泵并聯組合見圖3。

從圖3可以看出:1)當在低流量的情況下,只開啟一臺變頻泵,變頻泵在變頻控制器的控制下改變葉輪轉速以改變流量,滿足系統需要。2)當流量增大到一定數值后,兩臺水泵同時開啟,由于兩臺水泵在變頻控制器的控制下做相同的變化,運行工況始終相同,而且系統流量變化是通過水泵葉輪轉速的變化來實現的,由相似律可以看出水泵所消耗的功率大大降低,因為水泵的功耗變化是葉輪轉速變化的3次方。

4 水泵的選擇配置

管道與泵1、泵2并聯運行見圖4。

從圖4可以看出:單臺泵的性能曲線與管路系統性能曲線沒有相交,當系統流量發生變化只需要單臺水泵運轉時,水泵會發生氣蝕現象,產生噪聲,葉輪和泵殼出現小的坑洞。消除這種現象有兩種方法:1)增加管路阻力(關小閥門)。2)使兩臺水泵一直同時運轉。兩種方法都只會使水泵消耗的功率增加。圖中所選水泵不合適。

因此選擇水泵時應注意:1)根據規范要求滿足系統所需的揚程,流量要求[4]。2)應使單臺水泵的性能曲線與管路性能曲線有交點,而且交點不要離水泵性能曲線末端太近,這樣就不會發生氣蝕現象。3)水泵要有良好的相互備用性,水泵的型號、尺寸要一樣。

5 結語

1)水泵的選擇配置除了要滿足系統所需流量、揚程的要求外,還要通過水泵的性能曲線、管道系統性能曲線來驗證是否會發生氣蝕等對水泵有害的現象出現。2)通過對幾種配置方式的分析,水泵均為變頻泵的組合節能效果最佳,一臺變頻泵,一臺定頻泵的組合節能效果居中,水泵均為定頻泵的組合節能效果最差。

[1] 蔡增基,龍天渝.流體力學 泵與風機[M].第 4版.北京:中國建筑工業出版社,1999.

[2] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1993.

[3] 樊培榮,束國權.空調循環水泵變流量控制多泵同時變頻調節的重要意義[J].制冷與空調(四川),2005(1):65-67.

[4] GB 500109-2003,采暖通風與空氣調節設計規范[S].