區域型三級泵直供系統設計關鍵問題探討(2)：三級泵運行工況與調控方式

華東建筑設計研究總院 沈列丞 宋 磊

1 問題提出

文獻[1]給出了非解耦式區域型三級泵直供系統中三級泵的選型方法，并針對7個算例進行了水泵的實際選型。從選型結果角度來看，現有產品可基本滿足各類系統設計需求，但在實際運行中，由于總體輸配管網與末端管網的工況均會發生變化，對此類系統中的三級泵而言，存在4個問題需要進一步研究和探討：

1) 所選泵組是否可以適應輸配管網資用壓頭變化與末端揚程需求變化的疊加影響？

2) 泵組可及運行范圍是否與實際工況需求范圍相匹配？

3) 如存在實際工況需求范圍超出所選泵組可及運行范圍，應采取何種調控措施？

4) 采取何種運行措施使泵組運行于高效區？

2 研究方法

對于三級泵運行工況的研究，筆者擬在“揚程H-流量Q”圖上建立2個范圍：一是根據所選水泵的特性參數所構建的泵組可及運行范圍，二是根據該泵組在系統中所需適應工況而構建的實際工況需求范圍。通過對比這2個范圍的匹配性，進而了解三級泵組的選型能否滿足實際運行工況變化的需求。以算例分析為研究手段，基于文獻[1]中Case1、Case2、Case3、Case7四個算例的實際選型結果，針對每個算例的典型三級泵組(P1、P3、P7、P9、P13)開展相關對比分析。在分析中擬增加水泵電動機配置類型的對比研究，通常水泵可配置的電動機類型分為寬頻電動機與變頻電動機：寬頻電動機的變頻運行范圍為25～50 Hz，為各大水泵生產商對空調循環水泵推薦的配置標準；而變頻電動機的變頻運行范圍為5～50 Hz，其運行工況范圍大于寬頻電動機，但成本較高。

2.1 泵組可及運行范圍構建方式

為確定泵組可及運行范圍，需要得到水泵并聯變頻調速特性，而水泵生產商提供的選型軟件可提供單臺水泵某頻率下的性能曲線(如圖1所示，圖中P2為軸功率，HNPS為汽蝕余量)。

2.1.1單臺水泵額定頻率的性能曲線

對任一型號的水泵，由選型軟件可獲得一組水泵性能數據，采用最小二乘法對水泵性能曲線進行擬合，H-Q和η-Q曲線函數可分別采用四次多項式和三次多項式進行擬合：

H=a4Q4+a3Q3+a2Q2+a1Q+a0

(1)

η=b3Q3+b2Q2+b1Q+b0

(2)

式(1)、(2)中η為水泵效率；a0～a4、b0～b3為擬合系數。

2.1.2變頻泵的性能曲線

根據相似定律，不同轉速運行的同一臺水泵，滿足下列公式：

式(3)～(5)中Q、H、N分別為水泵在轉速n下的流量、揚程及軸功率；Q0、H0、N0分別為水泵在額定轉速n0下的流量、揚程及軸功率。

假設調速比k=n/n0，由式(1)、(3)、(4)可得水泵變頻運行時的H-Q曲線函數為

(6)

水泵效率可由水泵的流量、揚程按式(7)計算：

(7)

由式(2)、(3)、(5)可得水泵變頻運行時的η-Q曲線函數為

(8)

2.1.3并聯水泵的性能曲線

m臺性能相同的水泵并聯，泵組總流量和總揚程有以下關系：

Qz=mQ

(9)

Hz=H

(10)

ηz=η

(11)

式(9)～(11)中Qz、Hz、ηz分別為并聯水泵組的總流量、總揚程及總效率。

由式(1)、(9)、(10)可得m臺性能相同的水泵并聯時的Hz-Qz曲線函數為

(12)

由式(2)、(9)、(11)可得m臺性能相同的水泵并聯時的ηz-Qz曲線函數為

(13)

2.1.4泵并聯變頻調速的性能曲線

綜上，水泵并聯變頻調速性能曲線函數如下：

2.1.5舉例

以Case1中的三級泵組P9為例，利用選型軟件可以獲得該用戶單臺水泵的一組性能數據點，如表1所示。

表1 Case1中P9泵組的單臺水泵性能數據點

由式(1)、(2)擬合得到水泵曲線如圖2所示，曲線函數系數及擬合優度R2如表2所示。

表2 性能曲線函數系數及擬合優度

根據單臺水泵額定頻率下的性能曲線，即可根據上述計算方法得到一組多臺水泵并聯變頻調速時的性能曲線，圖3給出了Case1中P9泵組在配置寬頻電動機與變頻電動機的前提下所得到的泵組可及運行范圍。

2.2 實際工況需求范圍構建方式

參照文獻[1]中相關內容，非解耦式區域型三級泵系統中，實際工況運行時三級泵揚程需求為

H=Ht-Ha

(16)

式中Ht為用戶側支路揚程需求，m；Ha為區域輸配管網資用壓頭，m。

因此為獲得三級泵揚程需求范圍，可分別求解Ht和Ha的范圍。

2.2.1用戶側支路揚程需求計算

Ht=Δpt+Hp

(17)

式中 Δpt為三級泵用戶側壓差設定值，m；Hp為用戶側管路阻力損失，m。

當用戶側實際運行流量一定時，流量分配越靠近用戶側近端，Hp越小，Ht也越小；流量分配越靠近用戶側遠端，Hp越大，Ht也越大。

以某用戶側為例，圖4給出了該用戶不同流量需求下的Ht范圍。

圖4 某用戶側在不同流量需求下的Ht范圍

2.2.2區域輸配管網資用壓頭

區域輸配管網資用壓頭計算方法與文獻[1]中相關內容相似，區別在于本文采用實際運行工況流量參數計算資用壓頭，限于篇幅，相關計算過程從略。以用戶9為例，Case1、Case2、Case3、Case7中實際運行工況下區域輸配管網資用壓頭范圍如圖5所示。

2.2.3實際工況需求范圍合成

結合用戶側支路揚程需求與區域輸配管網資用壓頭，利用式(16)可合成實際工況需求范圍。以用戶9為例，Case1、Case2、Case3、Case7下的實際工況需求范圍如圖6所示。

3 計算結果分析

根據前文計算方法，在H-Q圖上獲得各算例下各三級泵組的泵組可及運行范圍和實際工況需求范圍。圖7～10分別給出了Case1、Case2、Case3、Case7下P1、P7、P9、P13泵組在寬頻電動機配置和變頻電動機配置下的運行工況。圖中泵組可及運行范圍由單臺泵獨立運行、2臺泵并聯運行和3臺泵并聯運行三部分組成，三部分相互重疊(說明水泵并聯運行所及的范圍是連續的)，在該范圍內存在著一條效率曲線，曲線的左側區域為該泵生產商不推薦的長時間運行區域，在該區域內運行時易出現水泵運行不穩定、發熱及低流量汽蝕等問題，故將此區域稱為“不穩定區”；泵組在整個輸配管網中，在同一運行流量下存在最大揚程需求與最小揚程需求，而最大揚程需求線與最小揚程需求線所圍合的范圍就是該泵組的實際工況需求范圍。當泵組可及運行范圍可涵蓋實際工況需求范圍時，說明該泵組的選型可以完全滿足該用戶的實際運行需求。當實際工況需求范圍超出泵組可及運行范圍時，說明無法僅通過泵組調節的手段(如頻率調節、臺數調節)來滿足實際工況的需求，需利用其他調控手段實現或會產生偏離設定要求的情況。

通過分析，可得到如下結論：

1) 對于Case1和Case2(壓差控制點位于前端)而言，三級泵距二級泵的壓差控制點越遠，三級泵的實際工況需求范圍就越大。

2) 各算例中部分三級泵存在“壓差偏離”區(如圖11中黃色填充區域)，即該部分實際工況需求范圍無法被泵組可及運行范圍所覆蓋，在這些部分的工況范圍內，為保證用戶側需求，要開啟三級泵，但此時三級泵在最低頻率下運行，其所能提供的揚程高于需求，在此類情況下，用戶側末端會產生超流現象，其控制閥門關小，用戶側實際的控制壓差值上升。如圖11中當三級泵組的實際運行流量為Q，需求揚程為H1時，泵組開啟并運行在最小頻率，此時的泵組最小揚程為H2，用戶側實際控制壓差值從Δpy上升為Δpy+(H2-H1)。可見，該運行范圍內存在較大節流損失，系統運行節能性差。因此在水泵選型過程中，應予以權衡，盡可能使泵組可及運行范圍涵蓋此類區域。

3) 對于Case3和Case7(壓差控制點位于末端)而言，部分用戶側三級泵在部分工況下存在揚程需求為負值的情況，此類情況下區域管網的資用壓頭對于用戶側而言為“正貢獻”，且資用壓頭值已大于用戶側阻力，該區域可稱為“停泵旁通區”。如圖12所示，在“停泵旁通區”內三級泵應停止運行，關閉閥門V1，同時打開旁通管上的電動調節閥組V2，該閥門的開度按用戶側末端壓差設定值為目標進行調節，通過該閥組的節流作用使輸配管網資用壓頭正好滿足末端的運行需求。揚程需求負值的絕對值ΔH即為旁通管上節流設施所需克服的資用壓頭，V2閥組的選擇應依據ΔH和旁通流量進行匹配，旁通管上宜設置止回閥，避免出現三級泵運行工況下V2關閉不嚴出現逆流的情況。“停泵旁通區”的范圍越大，說明需要通過閥門節流來滿足實際運行的需求越大，二級泵能耗損失就越大。

圖11 實際運行壓差偏離示意圖

圖12 “停泵旁通區”的調控措施與運行模式示意圖

4) 與配置寬頻電動機的水泵相比，變頻電動機的應用可使泵組可及運行范圍增大，即擴大了泵組在低揚程區域運行的范圍。從各算例來看，由于受到輸配管網資用壓頭變化與末端揚程需求變化的疊加影響，各三級泵組均存在小揚程下運行的實際工況需求，對于配置變頻電動機的水泵，能較大程度上減少“壓差偏離”的工況范圍，因此對于非解耦式區域型三級泵直供系統，其三級泵建議采用配置變頻電動機的水泵。

5) 各算例及其各末端均存在“不穩定區”，無法通過泵組選型完全避免，但應在選泵過程中綜合考慮，盡可能選擇推薦運行工作范圍較寬的水泵。

6) Case3中的P13泵組所在位置為該系統中唯一的二級泵壓差控制點所在的位置，該處的管網資用壓頭無變化，故該泵組的實際工況需求范圍僅受末端運行需求的影響；而在Case7中，由于P13泵組所在位置雖是二級泵壓差控制點所在的位置，但并不唯一，因此在某些工況下該壓差控制點并不作為二級泵的實際(最不利)控制壓差點，因此P13泵組處的管網資用壓頭變化仍較大，該泵組的實際工況需求范圍要大于Case3中的情況。

4 泵組節能優化運行策略

非解耦式區域型三級泵直供系統中三級泵組運行工況范圍大，為減少泵組位于低效區工作的情況，需對泵組的節能優化運行提出要求。

以前文Case1中的三級泵組P1、P7和P13為例(泵組配置變頻電動機)，圖13給出了該系統中三級泵組的運行優化策略，按圖可以得到在不同運行工況需求下，以泵組運行效率最高為目標的水泵運行最優臺數。

圖中存在“過渡區”，即在該區域內增(減)1臺水泵后，泵組的運行效率差異不大，為提高系統的穩定性，在此區域內泵組可根據前一工況的運行臺數來確定此時需投入的臺數。結合圖13可得以下結論：

1) 本算例中，三級泵組由3臺水泵組成，單臺水泵的設計流量為300 m3/h，從滿足運行工況且使泵組能處于高效運行角度出發，泵組的臺數變化并不是以流量300、600、900 m3/h為界限進行加減機。

2) 由于采用變頻+臺數控制的運行方式，三級泵組在運行3臺或2臺的工況下，均基本能保證水泵在高效區運行(從本算例看，可滿足≥70%的要求)，當1臺泵運行時，為了應對小流量工況，水泵可能會在低效率的工況下運行，甚至出現運行不穩定現象。

綜上，對于非解耦式區域型三級泵直供系統中的用戶側三級泵組運行控制策略，應引入水泵運行效率因素進行優化運行分析，以實現高效運行的目的。

5 結語

本文以文獻[1]為基礎，對非解耦式區域型三級泵直供系統中三級泵的實際運行工況進行了分析研究，通過構建泵組可及運行范圍與實際工況需求范圍，對4類壓差控制方式下的各典型三級泵組的運行狀態進行了分析。基于泵組可及運行范圍情況，實際工況需求范圍可被劃分為“不穩定區”“正常運行”“壓差偏離”與“停泵旁通”4類區域，提出了相應的運行調控方式，并探討了基于泵組效率的臺數優化運行控制策略。