暖通空調(diào)系統(tǒng)中水泵不同組合方式的運行分析

趙金良

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人民生活水平的不斷提高,人們對生活環(huán)境舒適度的要求越來越高,暖通空調(diào)系統(tǒng)已是創(chuàng)造室內(nèi)舒適環(huán)境、保證生產(chǎn)工藝、提高工作效率和發(fā)展生產(chǎn)力的重要保證。但在營造舒適環(huán)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(diào)系統(tǒng)能耗大概占65%,其發(fā)展方向直接影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、能源的利用以及環(huán)境保護(hù)。本文對暖通空調(diào)系統(tǒng)中的常用設(shè)備——水泵在不同的組合配置方式下運行工況進(jìn)行分析,尋求一種最佳的水泵組合方式,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 水泵組合的形式及特點

1.1 水泵串聯(lián)組合

水泵串聯(lián)組合的特點:當(dāng)管路系統(tǒng)中流量小,而阻力大的情況下,單臺水泵不能提供系統(tǒng)所需揚程,就應(yīng)串聯(lián)水泵來增大揚程,水泵的型號類型通常相同。

1.2 水泵并聯(lián)組合

水泵并聯(lián)組合的特點:當(dāng)系統(tǒng)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(lián)水泵臺數(shù)以實現(xiàn)大幅度調(diào)節(jié)流量時宜采用并聯(lián)運行。依據(jù)水泵是否變頻,主要有三種并聯(lián)組合方式:1)多臺定頻泵并聯(lián)組合;2)定頻泵與變頻泵并聯(lián)組合;3)多臺變頻泵并聯(lián)組合。目前在暖通空調(diào)系統(tǒng)中水泵并聯(lián)組合方式的應(yīng)用較多,本文主要對并聯(lián)水泵方式進(jìn)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(shè)計工況點下運行,在非設(shè)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(jī)器的相似工況之間的相似關(guān)系,泵的性能參數(shù)是針對某一轉(zhuǎn)速nm來說的。當(dāng)實際運行轉(zhuǎn)速n與nm不同時具有下列關(guān)系:

1)流量關(guān)系:

2)揚程關(guān)系:

3)功率關(guān)系:

三式聯(lián)立可得綜合公式:

從上式可以看出當(dāng)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量時,水泵的功率是以3次方的關(guān)系進(jìn)行變化的。

3 運行分析

下面對水泵組合的幾種方式分別進(jìn)行分析[2]。

3.1 兩臺水泵串聯(lián)組合方式

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

當(dāng)管路曲線不與泵1和泵2聯(lián)合曲線相交時,會發(fā)生串聯(lián)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(tǒng)流量小,而阻力大的情況下串聯(lián)水泵運行才是合理的。

3.2 兩臺定頻水泵并聯(lián)組合方式

兩臺定頻水泵并聯(lián)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(tǒng)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(dāng)系統(tǒng)流量未達(dá)到設(shè)計流量時,系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)只有通過關(guān)小閥門,加大管道系統(tǒng)阻力的辦法來解決。此時管道系統(tǒng)性能曲線將變陡,由于水泵的轉(zhuǎn)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(lián)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(guān)小所產(chǎn)生的阻力,而通過關(guān)小閥門增加管道阻力來滿足系統(tǒng)低流量的需求是不經(jīng)濟(jì)的。

3.3 一臺定頻水泵與一臺變頻水泵并聯(lián)組合方式

一臺定頻水泵與一臺變頻水泵并聯(lián)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(zhuǎn)速的改變來滿足系統(tǒng)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(zhuǎn)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(guān)閉,造成水泵的空轉(zhuǎn),系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)所需流量,只有調(diào)節(jié)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(tǒng)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(lián)運行同定頻泵并聯(lián)一樣不經(jīng)濟(jì),有不必要的能量消耗,但在低流量時節(jié)省了部分能量消耗。

3.4 兩臺變頻水泵并聯(lián)組合方式[3]

兩臺變頻水泵并聯(lián)組合見圖3。

從圖3可以看出:1)當(dāng)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?nèi)~輪轉(zhuǎn)速以改變流量,滿足系統(tǒng)需要。2)當(dāng)流量增大到一定數(shù)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(tǒng)流量變化是通過水泵葉輪轉(zhuǎn)速的變化來實現(xiàn)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(zhuǎn)速變化的3次方。

4 水泵的選擇配置

管道與泵1、泵2并聯(lián)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(tǒng)性能曲線沒有相交,當(dāng)系統(tǒng)流量發(fā)生變化只需要單臺水泵運轉(zhuǎn)時,水泵會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象,產(chǎn)生噪聲,葉輪和泵殼出現(xiàn)小的坑洞。消除這種現(xiàn)象有兩種方法:1)增加管路阻力(關(guān)小閥門)。2)使兩臺水泵一直同時運轉(zhuǎn)。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(yīng)注意:1)根據(jù)規(guī)范要求滿足系統(tǒng)所需的揚程,流量要求[4]。2)應(yīng)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(fā)生氣蝕現(xiàn)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(jié)語

1)水泵的選擇配置除了要滿足系統(tǒng)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(tǒng)性能曲線來驗證是否會發(fā)生氣蝕等對水泵有害的現(xiàn)象出現(xiàn)。2)通過對幾種配置方式的分析,水泵均為變頻泵的組合節(jié)能效果最佳,一臺變頻泵,一臺定頻泵的組合節(jié)能效果居中,水泵均為定頻泵的組合節(jié)能效果最差。

[1] 蔡增基,龍?zhí)煊?流體力學(xué) 泵與風(fēng)機(jī)[M].第 4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[2] 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1993.

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

[4] GB 500109-2003,采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范[S].