區(qū)域集中供冷系統(tǒng)水泵節(jié)能運行分析

唐 偉，李 睿，吳 爽，金 旭，楊 迪，劉忠彥，洪文鵬

(1.珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519015；2.東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

當前，我國面臨著氣候變化、環(huán)境惡化、能源消耗增加等一系列生態(tài)問題[1].根據(jù)《2015年中國統(tǒng)計年鑒》，我國能源利用水平和能源消費特點仍存在高能耗、低效率、嚴重浪費等現(xiàn)象，因此應提高能源利用效率，節(jié)省能源.以2013年為例，平均每天用電量為1.485億千瓦時，輸電效率為43.12%[2].工程人員往往按照設計條件，通過插值法進行水泵的選型，但普遍存在循環(huán)水泵容量偏大，致使循環(huán)流量與壓力過大，導致耗電量偏大的現(xiàn)象[3].在實際工程中為了滿足用戶流量的需求，常采用水泵聯(lián)合工作的方式，諸多學者進行了研究.哈爾濱工業(yè)大學的左行濤[4]、王昭俊[5]分別利用最小二乘法，對循環(huán)水泵的性能曲線進行擬合，得出循環(huán)水泵的性能曲線回歸方程，及水泵并聯(lián)運行的數(shù)學模型.東北電力大學于坤[6]提出了在給定流量小于單臺循環(huán)水泵能夠提供最大流量時，兩臺并聯(lián)水泵可能有的多種運行方案.北方交通大學于潔[7]對采暖循環(huán)水泵的性能數(shù)據(jù)進行曲線擬合，由曲線反映出水泵的真正運行狀況，并分析和比較了使用單臺水泵、兩臺水泵并聯(lián)或三臺水泵并聯(lián)三種不同情況下的水力工況.

文獻[8]所述，針對我國內(nèi)地和香港特別行政區(qū)共39座建筑進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)冷凍水泵全年能耗與中央空調(diào)制冷站全年能耗之比大多集中在10%～20%之間.由此可見，冷凍水泵能耗是空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要組成部分，且冷凍水泵的選型過大幾乎是冷凍水系統(tǒng)的一個通病[9].本文針對目前管網(wǎng)變頻改造存在的上述問題，通過最小二乘法對水泵性能曲線進行擬合，分析不同負荷率下水泵運行特性，探討其最佳運行方式及最優(yōu)節(jié)能方式.

1 水泵擬合曲線

水泵是管網(wǎng)系統(tǒng)中的主要設備，合理選擇水泵型號是管網(wǎng)設計中的重要環(huán)節(jié)，在進行管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟性分析時，需要重點考慮水泵的耗電量.本文主要采用最小二乘法進行水泵性能曲線的擬合，計算出兩臺、三臺、四臺水泵的公式，生成相應的性能曲線，為后續(xù)管網(wǎng)節(jié)能分析做鋪墊.

表1 水泵 Q-H 曲線數(shù)據(jù)

水泵的Q-H性能曲線目前常采用二次回歸方程來描述.根據(jù)珠海橫琴某公司所提供的資料，以橫琴供冷管網(wǎng)西側為例，從型號為350×250CNHC5110的水泵Q-H性能曲線上得到的8 組查詢點的數(shù)據(jù)，如表1所示，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合出了Q-H 曲線二次回歸方程如下所示：

H=(-1×10-5)Q2-0.001 1Q+45，

(1)

公式中：Q為水泵流量，m3/h；H為水泵揚程，mH2O.

實際工程中常采用多臺水泵聯(lián)合的運行方式，并聯(lián)水泵組的Q-H 曲線，只要保持各臺水泵Q-H 曲線上縱坐標相等，各點的橫坐標相加，便可得到其并聯(lián)水泵的特性曲線，因此，兩臺、三臺、四臺水泵并聯(lián)運行的公式為

H=(-2.5×10-6)Q2-0.000 55Q+45，

(2)

H=(-1.1×10-6)Q2-0.000 36Q+45，

(3)

H=(-6.25×10-7)Q2-0.000 275Q+45.

(4)

2 水泵變頻控制原理

水泵變頻水泵系統(tǒng)通常由變頻器、電動機和水泵組成.系統(tǒng)的綜合效率η為變頻器、電動機、水泵三者效率的乘積，計算公式為：

(5)

公式中：η為綜合效率；ηvfd為電動機效率；ηm為變頻器效率；ηp為水泵效率；a為水泵并聯(lián)臺數(shù).

在變頻情況下假定各個電機變化規(guī)律一致，電動機效率，變頻器效率計算公式[10-11]為

ηm=0.94187(1-e-9.04x)，

(6)

ηvfd=0.506 7+1.283x+1.42x2+0.584 2x3，

(7)

變速運行條件下，水泵在全相似工況下運行，其流量、揚程與轉(zhuǎn)速滿足相似律，即

(8)

公式中：Q為額定轉(zhuǎn)速下的水泵流量，m3/s；Qi為某轉(zhuǎn)速下的水泵流量，m3/s；n為額定轉(zhuǎn)速，r/min；ni為某轉(zhuǎn)速，r/min.

變頻器的總輸出功率為

(9)

公式中：g為水的比重，N/m3；N為水泵的輸出功率 (即有效功率)，kW.

針對不同負荷率，代入上述公式，可得變頻水泵的綜合效率如表2所示.從表2可看出：當變頻泵的負荷率低于30%時，隨著變頻器，交流電動機頻率的急劇下降，變頻水泵的綜合效率也下降，長期低速運行容易導致電動機燒壞，嚴重縮短水泵的使用期限，因此在系統(tǒng)運行時，應保持高負荷率運行，其綜合效率也越高，更有利于節(jié)能.

表2 變頻水泵部分負荷下的綜合效率

3 循環(huán)水泵能耗計算和節(jié)能分析

本項目位于珠海市橫琴新區(qū)，橫琴新區(qū)3#站總供冷面積為49.88萬m2，冷站分為南、北、西三側進行供冷，其中南側供冷面積為17.94萬m2，循環(huán)水泵選用型號為350×250CNHC5110，設計流量為920 m3/h，揚程40 mH2O；北側供冷面積為22.38萬m2，循環(huán)水泵選用型號為350×250CNHC5220，設計流量為1340 m3/h，揚程為45 mH2O；西側供冷面積為9.55萬m2，循環(huán)水泵選用型號為350×250CNHC5110，設計流量為890 m3/h，揚程為35 mH2O.設計工況下管路特性曲線方程可表示為

H=SQ2=8×10-6Q2.

(10)

橫琴3#冷站供冷系統(tǒng)平面圖如圖1所示.圖1中紅色實線為管網(wǎng)分布，紫色區(qū)域為管網(wǎng)南側用戶，藍色區(qū)域為管網(wǎng)北側用戶，黃色區(qū)域為管網(wǎng)西側用戶.

圖1 橫琴3#站供冷管網(wǎng)平面圖圖2 不同負荷率下水泵運行綜合效率

以西側管網(wǎng)為例，對其水泵運行情況進行分析：

根據(jù)式(5)，分別計算單臺水泵與多臺水泵并聯(lián)運行的綜合效率.其中典型變頻器效率ηvfd和典型電機效率ηm均由表2查得.

不同負荷率下水泵運行綜合效率，如圖2所示.由圖2可知，綜合效率隨系統(tǒng)的負荷率下降而下降，對于單臺水泵、二臺水泵并聯(lián)運行、三臺水泵并聯(lián)運行工況，當系統(tǒng)的負荷率下降到60%，水泵的綜合效率開始急速下降；而對于四臺水泵并聯(lián)運行工況，其綜合效率一直相對較低，且平穩(wěn)下降.在相同的系統(tǒng)負荷率下，單臺水泵的運行效率比二臺并聯(lián)水泵的運行效率平均高 15.74%，比三臺并聯(lián)水泵的運行效率平均高 25.58%，比四臺并聯(lián)水泵的運行效率平均高44.33%.

根據(jù)文中的擬合的水泵性能公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)繪制水泵性能曲線如圖 3所示，水泵性能曲線與管網(wǎng)特性曲線相交的點為水泵運行的工況點.其中圖3(a)的管網(wǎng)負荷率為65%，圖(b)的管網(wǎng)負荷率為35%.

在管網(wǎng)負荷率為65%時，單臺水泵運行和二臺水泵并聯(lián)不能滿足系統(tǒng)所需負荷.當三臺水泵并聯(lián)運行時，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的83.3%；當四臺水泵并聯(lián)時，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的74.6%.根據(jù)公式(9)計算可得，三臺水泵并聯(lián)運行總功率為 365.22 kW，四臺水泵并聯(lián)運行的總功率為1 543.38 kW，三臺水泵并聯(lián)運行的總功率明顯低于四臺水泵并聯(lián)運行的總功率.

在管網(wǎng)負荷率為35%時，單臺水泵運行不能滿足系統(tǒng)所需負荷.當二臺水泵并聯(lián)運行時，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的69.7%；當三臺水泵并聯(lián)運行時，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的53.5%；當四臺水泵并聯(lián)時，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的47.9%.根據(jù)公式(9)計算可得，兩臺水泵并聯(lián)運行功率為 86.92 k W；三臺水泵并聯(lián)運行的總功率為 186.18 k W，三臺水泵并聯(lián)運行的總功率為 1189.42 k W，采用兩臺水泵并聯(lián)運行總功率明顯低于三臺、四臺水泵并聯(lián)運行的總功率.

4 結 論

在供冷系統(tǒng)中，當冷用戶增加時，原有的冷源供給能量不足，為了滿足用戶日益增大的冷負荷需求，可以通過更換成更大的冷水機組或者并聯(lián)其他的冷水機組來實現(xiàn)供需平衡.當目標流量一定時，系統(tǒng)初始工況對能耗影響較大.在分析變頻泵節(jié)能率時，需要明確節(jié)能率的計算基點，確定最優(yōu)運行方案.

因此，本文分析不同負荷率下，管網(wǎng)水泵運行情況，探究最優(yōu)運行方式，結果表明：水泵變頻綜合效率隨著負荷率的降低而降低；在相同的負荷率、滿足流量的前提下，并聯(lián)水泵臺數(shù)越少其綜合效率越高.當系統(tǒng)計算流量小于三臺水泵的額定流量時，采用三臺水泵變頻比采用四臺水泵并聯(lián)變頻運行要節(jié)能，當系統(tǒng)計算流量小于兩臺水泵的額定流量時，采用兩臺水泵變頻比采用三、四臺水泵并聯(lián)變頻運行要節(jié)能.