廈門新機(jī)場分布式區(qū)域供冷輸配二級泵系統(tǒng)定壓差方案比選*

中國建筑設(shè)計研究院有限公司 曹榮光 潘云鋼 徐穩(wěn)龍 韋 航

0 引言

廈門新機(jī)場工程(如圖1所示)位于廈門市翔安區(qū)，飛行區(qū)等級為4F，規(guī)劃建設(shè)4條跑道；分期建設(shè)，本期工程建設(shè)目標(biāo)年旅客吞吐量4 500萬人次，年貨郵吞吐量70萬～80萬t，年飛機(jī)起降量37萬架次，高峰小時78架次。

本期工程采用區(qū)域供冷系統(tǒng)集中制備冷水供應(yīng)各末端用戶，制冷站位于規(guī)劃T3航站樓的東北側(cè)，設(shè)計供冷范圍為航站樓一期、交通中心(以下簡稱GTC)及停車樓、地服配套用房、非基地航辦公用房等建筑，總供冷空調(diào)面積約為47.5萬m2；采用水蓄冷系統(tǒng)，冷水設(shè)計總流量為7 600 m3/h，供回水溫度為5.0 ℃/13.2 ℃。

冷水輸送管網(wǎng)平面示意圖見圖2，從制冷站到最遠(yuǎn)端的1#泵站的管線長度約為1.16 km，末端用戶布置分散且冷水輸送距離較遠(yuǎn)，因此本項目冷水輸配系統(tǒng)采用管網(wǎng)泵+用戶泵的二級泵系統(tǒng)，冷水輸配二級泵系統(tǒng)原理圖見圖3。

注：J1～J17為供水側(cè)節(jié)點(diǎn)編號，E1～E16為供水側(cè)管段編號。圖2 冷水輸送管網(wǎng)平面示意圖

注：J18～J34為回水側(cè)節(jié)點(diǎn)編號；E17～E32為回水側(cè)管段編號；B1、B6、B7、B9、B10、B12、B15～B17為泵組編號。圖3 冷水輸配二級泵系統(tǒng)原理圖

區(qū)域供冷輸配系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)一方面是要保證各末端用戶隨時得到所需流量，另一方面要降低循環(huán)水泵能耗。由于用戶末端設(shè)備換熱具有顯著的非線性特征及水系統(tǒng)的熱惰性，溫度控制方法在控制機(jī)理上存在不穩(wěn)定性，實(shí)際應(yīng)用不多。壓差控制方法可以對用戶末端負(fù)荷的變化快速響應(yīng)，控制參數(shù)簡單明確，在國內(nèi)眾多大型項目中得到了應(yīng)用，是現(xiàn)階段工程設(shè)計中水系統(tǒng)控制普遍采用的方法[1-8]。本工程各用戶泵供冷區(qū)域包含航站樓、GTC、停車樓、配套用房及辦公用房等，受室外氣象參數(shù)變化及末端設(shè)備使用時的啟停影響，各供冷區(qū)域的冷水流量需實(shí)時進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了保持末端設(shè)備水力工況的穩(wěn)定，各末端泵站的用戶泵采用變頻泵，保持供回水壓差恒定，壓差設(shè)定值為用戶泵供冷區(qū)域內(nèi)的設(shè)計阻力值；制冷站的管網(wǎng)泵采用變頻泵，提供各用戶泵所需流量，克服輸送管網(wǎng)(管網(wǎng)泵與用戶泵間管網(wǎng))阻力[9-11]。

管網(wǎng)泵的運(yùn)行控制方式影響輸送管網(wǎng)水壓圖，進(jìn)而影響用戶泵的設(shè)備選型和運(yùn)行能耗，本文基于管網(wǎng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，定量分析廈門新機(jī)場區(qū)域供冷輸配二級泵系統(tǒng)在輸送管網(wǎng)始端(主管線第一個用戶分支處)定壓差和末端(最不利用戶處)定壓差2種不同控制方案下，管網(wǎng)泵和用戶泵全年運(yùn)行工況的變化。通過方案比選給出定壓差設(shè)計建議，供類似工程設(shè)計參考。

1 工程概況

廈門新機(jī)場冷水輸送管網(wǎng)采用枝狀管網(wǎng)敷設(shè)，供水側(cè)共有17個節(jié)點(diǎn)，編號為J1～J17；回水側(cè)共有17個節(jié)點(diǎn)，編號為J18～J34。在節(jié)點(diǎn)J1處設(shè)置1組管網(wǎng)泵，編號為B1；在節(jié)點(diǎn)J6、J7、J9、J10、J12、J15、J16、J17處共設(shè)置8組用戶泵，對應(yīng)編號分別為B6、B7、B9、B10、B12、B15、B16、B17。對于設(shè)置泵組的節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)流量為各泵組的設(shè)計流量；對于不設(shè)置水泵的節(jié)點(diǎn)，如J2等，由于無流量流出，其節(jié)點(diǎn)流量為0。各節(jié)點(diǎn)設(shè)計流量及用戶側(cè)設(shè)計壓差見表1。

表1 各節(jié)點(diǎn)/泵站設(shè)計參數(shù)

輸送管網(wǎng)供水側(cè)共有16個管段，編號為E1～E16；回水側(cè)共有16個管段，編號為E17～E32。各管段管道內(nèi)徑、管長及局部阻力系數(shù)見表2。管徑小于DN300的管道采用無縫鋼管，大于等于DN300的管道采用螺旋焊接鋼管。

表2 各管段設(shè)計參數(shù)

2 冷水輸送系統(tǒng)定壓差控制工況模擬

2.1 管網(wǎng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型

參照文獻(xiàn)[2,4]，根據(jù)圖2、3及表1、2的管網(wǎng)信息，建立管網(wǎng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。

其他參數(shù)：系統(tǒng)補(bǔ)水定壓水頭為25.5 m，定壓點(diǎn)為制冷站管網(wǎng)泵B1吸入口；用戶泵處輸送管網(wǎng)最小資用壓頭為0 m，且水泵入口靜壓頭不小于其所需的汽蝕余量；管壁粗糙度為0.5 mm。

2.2 始端定壓差工況分析

根據(jù)管網(wǎng)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果，在設(shè)計工況(100%流量)時，輸送管網(wǎng)水力最不利工況點(diǎn)為1#泵站J17節(jié)點(diǎn)，設(shè)定輸送管網(wǎng)在節(jié)點(diǎn)J17處的供回水壓差為0，則其他各節(jié)點(diǎn)的供回水壓差見表1。

在輸送管網(wǎng)始端定壓差控制模式下，為了保證末端各用戶泵在各種工況下入口資用壓頭不小于0，選定輸送管網(wǎng)第一個用戶分支處的節(jié)點(diǎn)J3作為定壓差控制點(diǎn)。根據(jù)表1的計算結(jié)果，在始端定壓差控制模式下，定壓差點(diǎn)J3處的供回水壓差設(shè)定為19.19 m。

在始端定壓差控制模式下，為了簡化分析，設(shè)定各末端用戶流量成比例變化，分別計算輸送管網(wǎng)在100%、75%、50%、25%設(shè)計流量下各節(jié)點(diǎn)的供回水壓力，結(jié)果如圖4所示。可以看出，隨著系統(tǒng)流量減小，末端各用戶泵處的資用壓頭逐漸增大。因此，為保證各空調(diào)末端隨時能夠獲得設(shè)計流量，各用戶泵的設(shè)計揚(yáng)程應(yīng)不小于表1中各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計壓差減去系統(tǒng)設(shè)計工況下輸送管網(wǎng)供回水壓差。

根據(jù)上述原則，始端(主管線第一個用戶分支J3節(jié)點(diǎn)處)定壓差控制模式下，冷水管網(wǎng)泵及用戶泵的設(shè)備選型見表3，管網(wǎng)泵及末端用戶泵的設(shè)計總功率為1 457.7 kW。

表3 始端定壓差控制模式下冷水泵選型

根據(jù)水泵選型及廠家提供的變頻泵參數(shù)[12]，在始端定壓差控制模式下，分別計算輸送管網(wǎng)在100%、75%、50%、25%設(shè)計流量下管網(wǎng)泵及各用戶泵的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)果如表4～7所示，運(yùn)行曲線見圖5～13。圖中曲線H為變頻泵工頻運(yùn)行性能曲線，曲線H(*Hz)為變頻泵運(yùn)行頻率為*Hz時的性能曲線，曲線Ep為變頻泵工頻運(yùn)行效率曲線，曲線Ep(*Hz)為變頻泵運(yùn)行頻率為*Hz時的效率曲線，曲線S為管網(wǎng)負(fù)荷側(cè)性能曲線。

表4 始端定壓差控制模式下100%設(shè)計流量水泵工況

表5 始端定壓差控制模式下75%設(shè)計流量水泵工況

表6 始端定壓差控制模式下50%設(shè)計流量水泵工況

表7 始端定壓差控制模式下25%設(shè)計流量水泵工況

圖5 始端定壓差下變頻泵B1運(yùn)行曲線

圖6 始端定壓差下變頻泵B6運(yùn)行曲線

圖7 始端定壓差下變頻泵B7運(yùn)行曲線

圖8 始端定壓差下變頻泵B9運(yùn)行曲線

圖9 始端定壓差下變頻泵B10運(yùn)行曲線

圖10 始端定壓差下變頻泵B12運(yùn)行曲線

圖11 始端定壓差下變頻泵B15運(yùn)行曲線

圖13 始端定壓差下變頻泵B17運(yùn)行曲線

2.3 末端定壓差工況分析

在輸送管網(wǎng)末端定壓差控制模式下，為了保證末端各用戶泵在各種工況下的入口資用壓頭不小于0，只需保證管網(wǎng)水力最不利工況點(diǎn)的供回水壓差為0即可。為了簡化分析，設(shè)定各末端用戶流量成比例變化，分別計算輸送管網(wǎng)在100%、75%、50%、25%設(shè)計流量下各節(jié)點(diǎn)的供回水壓力，結(jié)果如圖14所示。可以看出，隨著系統(tǒng)流量減小，由于管網(wǎng)壓降與流量呈二次冪關(guān)系，末端各用戶泵處的資用壓頭逐漸減小，在系統(tǒng)小流量下，各用戶泵的入口資用壓頭趨近0。因此，為保證各空調(diào)末端隨時能夠獲得設(shè)計流量，各用戶泵的設(shè)計揚(yáng)程應(yīng)不小于表1中系統(tǒng)設(shè)計工況下用戶側(cè)設(shè)計壓差。

根據(jù)上述原則，末端(最不利用戶處)定壓差控制模式下，冷水管網(wǎng)泵及用戶泵的設(shè)備選型見表8，管網(wǎng)泵及末端用戶泵的設(shè)計總功率為1 619.2 kW。

表8 末端定壓差控制模式下冷水泵選型

根據(jù)水泵選型及廠家提供的變頻泵參數(shù)[12]，在末端定壓差控制模式下，分別計算輸送管網(wǎng)在100%、75%、50%、25%設(shè)計流量下管網(wǎng)泵及各用戶泵的運(yùn)行參數(shù)，結(jié)果如表9～12所示，運(yùn)行曲線見圖15～23。

圖15 末端定壓差下變頻泵B1運(yùn)行曲線

表9 末端定壓差控制模式下100%設(shè)計流量水泵工況

3 定壓差設(shè)計方案比選

3.1 水泵電動機(jī)容量

根據(jù)表3和表8的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本工程輸配系統(tǒng)中的管網(wǎng)泵和用戶泵的配電功率之和，始端定壓差控制模式下為1 457.6 kW，末端定壓差控制模式下為1 619.2 kW，前者比后者低161.6 kW，即低11.1%。這是由于始端定壓差控制模式下，各用戶泵揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)100%設(shè)計流量下的輸送管網(wǎng)水壓圖進(jìn)行設(shè)備選型，利用了一部分用戶泵入口的資用壓頭，泵的揚(yáng)程較小，電動機(jī)容量較小；而在末端定壓差控制模式下，各用戶泵揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)小流量下的輸送管網(wǎng)水壓圖進(jìn)行設(shè)備選型，此時用戶泵入口的資用壓頭很小(工程上按0考慮)，泵的揚(yáng)程較大，電動機(jī)容量較大。

表10 末端定壓差控制模式下75%設(shè)計流量水泵工況

表11 末端定壓差控制模式下50%設(shè)計流量水泵工況

圖16 末端定壓差下變頻泵B6運(yùn)行曲線

圖17 末端定壓差下變頻泵B7運(yùn)行曲線

圖18 末端定壓差下變頻泵B9運(yùn)行曲線

圖19 末端定壓差下變頻泵B10運(yùn)行曲線

圖20 末端定壓差下變頻泵B12運(yùn)行曲線

圖21 末端定壓差下變頻泵B15運(yùn)行曲線

圖22 末端定壓差下變頻泵B16運(yùn)行曲線

圖23 末端定壓差下變頻泵B17運(yùn)行曲線

綜上，始端定壓差控制模式下，水泵投資較小。

3.2 運(yùn)行能耗

根據(jù)表4～7及表9～12的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，始端定壓差模式下，各用戶泵在運(yùn)行流量減小時揚(yáng)程也減小，水泵效率較高；末端定壓差模式下，除最不利用戶外，其他用戶泵在運(yùn)行流量減小時揚(yáng)程增大，水泵效率較低。由于變頻泵的運(yùn)行效率較高，輸配系統(tǒng)在始端定壓差下各流量工況的運(yùn)行功率均低于末端定壓差下功率，如表13所示。

表12 末端定壓差控制模式下25%設(shè)計流量水泵工況

表13 輸配系統(tǒng)年耗電量

對于管網(wǎng)泵，在末端定壓差下25%設(shè)計流量工況，系統(tǒng)揚(yáng)程僅需1.8 m(見表12)，工況點(diǎn)已嚴(yán)重偏離單臺水泵的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，必須額外附加阻力提高運(yùn)行揚(yáng)程，本文按揚(yáng)程7.2 m核算相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)。末端定壓差模式下，應(yīng)特別關(guān)注大流量管網(wǎng)泵在低揚(yáng)程工況下的穩(wěn)定運(yùn)行問題。

本項目制冷系統(tǒng)運(yùn)行時間為4月15日至11月15日，共計214 d，每天運(yùn)行16 h。簡單按100%設(shè)計流量運(yùn)行14 d、75%設(shè)計流量運(yùn)行60 d、50%設(shè)計流量運(yùn)行90 d、25%設(shè)計流量運(yùn)行50 d計算全年耗電量，計算結(jié)果見表13。輸配系統(tǒng)年耗電量，始端定壓差下為189.98萬kW·h，比末端定壓差低29.60萬kW·h，即低15.6%。

3.3 控制方案

始端定壓差下輸配系統(tǒng)各變頻泵的運(yùn)行工況，如圖5～13所示，在“臺數(shù)控制+變頻調(diào)速”運(yùn)行策略下，隨著系統(tǒng)流量的減小，變頻泵的運(yùn)行頻率降低，“流量-頻率”對應(yīng)關(guān)系統(tǒng)一，控制較穩(wěn)定。

末端定壓差下輸配系統(tǒng)各變頻泵的運(yùn)行工況，如圖15～23所示，在“臺數(shù)控制+變頻調(diào)速”運(yùn)行策略下，隨著系統(tǒng)流量的減小，變頻泵的運(yùn)行頻率時高時低，“流量-頻率”對應(yīng)關(guān)系不統(tǒng)一，控制不穩(wěn)定。例如：對于系統(tǒng)近端的用戶泵B7，隨著流量增加，其運(yùn)行頻率先增大后減小；而對于系統(tǒng)遠(yuǎn)端的用戶泵B16，隨著流量增加，其運(yùn)行頻率先增大后減小，然后再增大。這種“流量-頻率”對應(yīng)關(guān)系的不統(tǒng)一易造成控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1) 該工程始端定壓差方案具有投資小、運(yùn)行費(fèi)低及運(yùn)行控制相對簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)，建議采用。相比末端定壓差方案，始端定壓差方案的循環(huán)泵電動機(jī)容量低11.1%，年運(yùn)行電耗低15.6%，管網(wǎng)泵和用戶泵的全年運(yùn)行效率較高。

2) 區(qū)域供冷輸配二級泵系統(tǒng)，采用始端定壓控制模式時，定壓點(diǎn)后的各用戶泵揚(yáng)程=用戶側(cè)設(shè)計壓降值-設(shè)計流量下各用戶泵入口處的資用壓頭值，不能簡單按用戶側(cè)設(shè)計壓降值選型；每個分區(qū)的用戶泵不宜少于2臺，采用“臺數(shù)控制+變頻調(diào)速”運(yùn)行策略，提高小流量下的運(yùn)行效率。

3) 區(qū)域供冷輸配系統(tǒng)設(shè)計，應(yīng)綜合用戶末端的水溫、流量、水阻力及負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，合理確定系統(tǒng)形式、控制方式和水泵選型，定量分析各負(fù)荷工況下的水泵運(yùn)行工況，經(jīng)方案比選后確定最佳設(shè)計方案。