一機(jī)一泵組合的冷卻水泵工作區(qū)與變頻運(yùn)行分析

曠金國(guó) 王朝暉 羅曙光 陳盛階 葉 圳

(深圳市前海能源科技發(fā)展有限公司,深圳)

0 引言

空調(diào)冷卻水泵與制冷機(jī)的連接有多種形式,Taylor對(duì)3種典型的連接形式進(jìn)行了對(duì)比分析[1]。一機(jī)一泵組合并聯(lián)形式常見(jiàn)于區(qū)域供冷系統(tǒng),即單臺(tái)制冷機(jī)與單臺(tái)水泵組合成一個(gè)冷卻水支路,不同冷卻水支路并聯(lián)接入冷卻水立管。相較于多泵并聯(lián)形式,采用一機(jī)一泵組合并聯(lián)形式的好處包括:各臺(tái)制冷機(jī)可以選擇不同型號(hào);可以避免單個(gè)制冷機(jī)支路高壓降導(dǎo)致所有并聯(lián)水泵機(jī)械能損耗增加;可以通過(guò)減小冷卻水流量提高冷凝器出水溫度,在低環(huán)境溫度時(shí)保證制冷劑最小壓比;在優(yōu)化控制策略條件下,可各自變頻運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)最高的全年系統(tǒng)能效。

冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程包括管路水力學(xué)過(guò)程與多個(gè)熱工過(guò)程。管路水力學(xué)過(guò)程是一個(gè)獨(dú)立過(guò)程,只與管路阻力特性和水泵特性有關(guān);而熱工過(guò)程則從屬于管路水力流動(dòng),需基于設(shè)備和系統(tǒng)的能量平衡和質(zhì)量平衡進(jìn)行分析。能量和質(zhì)量平衡分析的前提條件是管路流量分布,但是大多數(shù)能量和質(zhì)量平衡分析往往忽略了管路水力學(xué)分析的前提。

國(guó)內(nèi)對(duì)冷卻水系統(tǒng)的控制分析都是基于能量平衡和質(zhì)量平衡,包括多個(gè)文獻(xiàn)提出的制冷機(jī)、冷卻塔、冷卻水泵運(yùn)行過(guò)程最小總能耗控制方法[2-3],以及實(shí)際運(yùn)行中普遍采用的冷卻水溫差控制方法[4-6],均是通過(guò)評(píng)估能量與質(zhì)量平衡是否滿(mǎn)足設(shè)定要求,反饋到控制系統(tǒng)后調(diào)節(jié)水泵頻率。根據(jù)熱工參數(shù)結(jié)果反過(guò)來(lái)控制水力參數(shù)與水力平衡,造成了流量影響因素的本末倒置,很難達(dá)到預(yù)期效果。

Taylor建議加裝冷卻水流量計(jì)測(cè)量流量并反饋流量信號(hào),通過(guò)調(diào)節(jié)水泵頻率直接控制流量或者水力平衡,同時(shí)還擬合了用于控制水泵流量的流量設(shè)定值與制冷機(jī)負(fù)荷率的線(xiàn)性關(guān)系[7]。

對(duì)于一機(jī)一泵組合的冷卻水支路,每臺(tái)水泵運(yùn)行頻率不僅取決于該支路的設(shè)定流量,還受到其他支路水力現(xiàn)象的耦合影響,從而造成變頻調(diào)節(jié)水泵流量的復(fù)雜性。

文獻(xiàn)[8]對(duì)區(qū)域供冷系統(tǒng)外管網(wǎng)提出了冷水輸配水泵工作區(qū)的概念,文獻(xiàn)[9]建立了冷水輸配水泵工作區(qū)的計(jì)算模型,并預(yù)測(cè)了較復(fù)雜管路水泵在不同運(yùn)行工況下?lián)P程的上下限范圍。根據(jù)水泵變頻特性,鎖定冷水輸配水泵頻率調(diào)節(jié)范圍,將流量控制與其他過(guò)程控制解耦,可以簡(jiǎn)化水泵變頻調(diào)節(jié)流量的控制策略,并提高控制穩(wěn)定性。

同理,冷卻水泵也有工作區(qū),即對(duì)于1臺(tái)冷卻水泵,在同一流量時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的水泵揚(yáng)程。對(duì)于一機(jī)一泵組合的冷卻水管路連接方式,不同水泵支路間的水力學(xué)現(xiàn)象互相影響,造成同一水泵流量對(duì)應(yīng)不同水泵揚(yáng)程。

本文在文獻(xiàn)[8]冷水泵工作區(qū)概念與分析方法的基礎(chǔ)上,提出一機(jī)一泵組合的冷卻水泵工作區(qū)概念,并基于冷卻水泵工作區(qū)模型,對(duì)一機(jī)一泵組合的冷卻水泵變頻運(yùn)行進(jìn)行分析,同時(shí)根據(jù)水泵工作區(qū)對(duì)冷卻水泵選型進(jìn)行分析。

1 一機(jī)一泵組合冷卻水泵工作區(qū)模型

深圳前海區(qū)域供冷系統(tǒng)10號(hào)制冷站1期冷卻水系統(tǒng)采用了一機(jī)一泵組合的連接形式,如圖1所示。圖中3臺(tái)水泵分別與3臺(tái)雙工況制冷機(jī)連接成水泵支路,通過(guò)集管連接到冷卻水立管總管,再與冷卻塔連接。1期冷卻水系統(tǒng)制冷機(jī)包括1臺(tái)9 144 kW與2臺(tái)單臺(tái)7 737 kW雙工況制冷機(jī),分別與B1～B3水泵連接。3臺(tái)制冷機(jī)設(shè)計(jì)工況制冷量為7 737 kW,實(shí)際工程分2個(gè)標(biāo)段采購(gòu):第1個(gè)標(biāo)段選擇了比設(shè)計(jì)工況大1 407 kW的投標(biāo)機(jī)型,即1臺(tái)額定制冷量為9 144 kW的制冷機(jī),冷卻水流量為1 924 m3/h;第2個(gè)標(biāo)段采購(gòu)了2臺(tái)額定制冷量為7 737 kW的制冷機(jī),冷卻水流量為1 585 m3/h。3臺(tái)冷卻水泵在第1個(gè)標(biāo)段同時(shí)采購(gòu),采用了流量為1 585 m3/h的設(shè)計(jì)工況選型。由于設(shè)計(jì)揚(yáng)程偏大,實(shí)踐表明,該冷卻水泵選型也適用于設(shè)計(jì)流量1 924 m3/h。3組冷卻塔也均采購(gòu)了流量為1 585 m3/h的設(shè)計(jì)工況塔型。系統(tǒng)建成后增加了水泵變頻功能。

注:C1～C9為冷卻塔支路編號(hào)。圖1 一機(jī)一泵組合冷卻水系統(tǒng)軸測(cè)圖

以B3水泵為基礎(chǔ),對(duì)圖1中B3水泵(65)出水口到水泵進(jìn)水口的所有部件進(jìn)行了編號(hào),合計(jì)64個(gè)部件、62個(gè)連接這些部件的管道,以及124個(gè)管道節(jié)點(diǎn)。管道節(jié)點(diǎn)指每個(gè)部件的進(jìn)出口,用I代表進(jìn)口,O代表出口,比如I2與O2分別表示第2個(gè)部件的進(jìn)口節(jié)點(diǎn)與出口節(jié)點(diǎn)。冷卻塔(40)相當(dāng)于噴頭到集水盤(pán)的連接通道。

本文對(duì)一機(jī)一泵組合并聯(lián)形式進(jìn)行水力學(xué)分析,以圖1中B3水泵為基礎(chǔ)建立水力學(xué)模型。B3水泵的揚(yáng)程為

ΔHead3=HI1-HO64

(1)

式中 ΔHead3為B3水泵的揚(yáng)程,m;H為節(jié)點(diǎn)處的總水頭,m;下標(biāo)I1、O64為節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]的計(jì)算結(jié)果,集管節(jié)點(diǎn)O13到節(jié)點(diǎn)I15管段的阻力及分水總管節(jié)點(diǎn)O55到節(jié)點(diǎn)I57管段的阻力可以忽略不計(jì),于是式(1)簡(jiǎn)化為

ΔHead3=(HI1-HO13)+(HI15-HO15)+

(HO15-HI55)+(HI55-HO55)+(HI57-HO64)

(2)

根據(jù)每個(gè)管段的流量及影響阻力系數(shù)的變量,各管段的壓降可以表示為

(3)

HI15-HO15=k15(Q1+Q2+Q3)2

(4)

HO15-HI55=kO15_I55(Q1+Q2+Q3)2+h0

(5)

HI55-HO55=k55(Q1+Q2+Q3)2

(6)

(7)

式(3)～(7)中Q1～Q3分別為B1～B3水泵的流量,m3/h;k為管段、管件的阻抗,h2/m5,下標(biāo)表示管段、管件編號(hào);h0為冷卻塔揚(yáng)程,m。

各個(gè)管段的阻抗可以分別表示為

(8)

(9)

(10)

從式(3)～(7)可以看出,冷卻水泵支路的壓降(見(jiàn)式(3)、(7))是B3水泵流量的函數(shù);對(duì)向匯流三通15和背向分流三通55的壓降(見(jiàn)式(4)、(6))是B1～B3水泵流量的函數(shù);總管和冷卻塔的壓降(見(jiàn)式(5))是B1～B3水泵總流量的函數(shù)。以上公式中的局部阻力系數(shù)均可以通過(guò)文獻(xiàn)[10-11]獲得。

對(duì)于同一臺(tái)水泵,比如B3水泵,在水泵支路流量Q3相同時(shí),式(4)～(6)中總管流量可能對(duì)應(yīng)不同的Q1+Q2+Q3及不同的分流比q,根據(jù)式(2)～(7),得到不同的水泵揚(yáng)程。當(dāng)B3水泵按照支路流量Q3運(yùn)行,其他水泵(B1和B2)停機(jī),即總管流量Q1+Q2+Q3=Q3時(shí),式(4)～(6)的計(jì)算結(jié)果均為最小值,水泵揚(yáng)程為對(duì)應(yīng)水泵支路流量Q3的最小揚(yáng)程;當(dāng)B3水泵按照支路流量Q3運(yùn)行,B1和B2水泵均按照最大設(shè)計(jì)流量(Q1s、Q2s)運(yùn)行,即總管流量Q1+Q2+Q3=Q1s+Q2s+Q3時(shí),式(4)～(6)的計(jì)算結(jié)果均為最大值,水泵揚(yáng)程為對(duì)應(yīng)水泵支路流量Q3的最大揚(yáng)程。最小揚(yáng)程和最大揚(yáng)程即為水泵的揚(yáng)程上下限,不同流量的揚(yáng)程上下限構(gòu)成水泵工作區(qū)。本文對(duì)冷卻水泵工作區(qū)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 變頻運(yùn)行分析

2.1 水泵工作區(qū)

冷凝器冷卻水最小運(yùn)行流量一般為設(shè)計(jì)流量的40%～70%,冷卻塔最小運(yùn)行流量為設(shè)計(jì)流量的25%～33%[7]。本文假設(shè)冷凝器冷卻水的運(yùn)行流量變化范圍為冷凝器設(shè)計(jì)流量的50%～100%,冷卻塔的運(yùn)行流量變化范圍為冷卻塔設(shè)計(jì)流量的25%～100%。

對(duì)于圖1中B3水泵來(lái)說(shuō),可以分為4種運(yùn)行模式,如表1所示,每種運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)1個(gè)水泵工作區(qū)。對(duì)于一機(jī)一泵組合的冷卻水系統(tǒng),不同水泵支路之間水力現(xiàn)象相互耦合,體現(xiàn)在總管流量Q1+Q2+Q3的變化。對(duì)于同一個(gè)支路流量Q3,根據(jù)制冷總負(fù)荷確定不同制冷機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)與各制冷機(jī)負(fù)荷率,因此總管流量Q1+Q2+Q3可能不同,這也就是表1中4種模式的區(qū)別。鑒于制冷機(jī)、冷卻水泵、冷卻塔等主要設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的選型與實(shí)際采購(gòu)選型存在偏差,本文將已采購(gòu)設(shè)備的選型參數(shù)作為設(shè)備額定參數(shù)。實(shí)際系統(tǒng)B1水泵支路冷凝器冷卻水最大流量取9 144 kW制冷機(jī)額定冷卻水流量,即1 924 m3/h,B2和B3水泵支路冷凝器冷卻水最大流量取7 737 kW制冷機(jī)額定冷卻水流量,即1 585 m3/h;本節(jié)中B1～B3水泵流量只考慮運(yùn)行流量,根據(jù)冷凝器冷卻水需求確定;3組冷卻塔的額定流量均取對(duì)應(yīng)7 737 kW制冷機(jī)的額定冷卻水流量,與冷卻塔的設(shè)計(jì)流量一致,通過(guò)所有冷卻塔的最小運(yùn)行流量為1 585.00 m3/h×3×25%=1 188.75 m3/h,該流量適用于單臺(tái)水泵運(yùn)行模式,相當(dāng)于7 737 kW制冷機(jī)額定冷卻水流量1 585 m3/h的75%。

表1 水泵運(yùn)行模式

表1中B3水泵支路流量Q3為變量,總管流量的最小流量中B1、B2水泵流量按照其對(duì)應(yīng)支路冷凝器額定流量的50%計(jì)算,總管流量的最大流量中B1、B2水泵流量按照其對(duì)應(yīng)支路冷凝器額定流量計(jì)算。

圖2顯示了B3水泵不同運(yùn)行模式下的工作區(qū)。需要說(shuō)明的是,圖2中總管流量對(duì)B3水泵的影響體現(xiàn)在同一流量時(shí)不同的揚(yáng)程上下限。對(duì)于模式1,由于沒(méi)有其他水泵的影響,支路與總管的流量均為B3水泵的流量,水泵揚(yáng)程上下限重合,因此水泵工作區(qū)是一條曲線(xiàn),最小流量為B3水泵支路冷凝器額定流量的75%,相當(dāng)于冷卻塔設(shè)計(jì)流量的25%。

圖2 B3水泵在不同運(yùn)行模式下的工作區(qū)

模式2與模式3的水泵工作區(qū)幾乎重合,模式2與模式3的區(qū)別是B1水泵支路與B2水泵支路的冷凝器額定流量不同,在總管最大流量時(shí)相差1 924.0 m3/h-1 585.0 m3/h=339.0 m3/h,總管最小流量時(shí)相差962.0 m3/h-792.5 m3/h=169.5 m3/h,說(shuō)明B2水泵和B1水泵支路的2個(gè)冷凝器額定流量的差別不足以對(duì)B3水泵工作區(qū)造成明顯影響,同一B3水泵流量時(shí),隨著總管流量增大,水泵揚(yáng)程上下限差值從0.5 m增加到1.0 m。模式3比模式2的揚(yáng)程上下限差值稍大,主要是B1水泵對(duì)應(yīng)冷凝器最大運(yùn)行流量大于B2水泵對(duì)應(yīng)冷凝器最大運(yùn)行流量,導(dǎo)致總管流量略有增大,形成較大的總管壓降。

模式4有最大的水泵揚(yáng)程上下限差值,變化范圍為2.0～2.4 m。當(dāng)3臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行,且B1、B2水泵運(yùn)行流量為對(duì)應(yīng)冷凝器冷卻水設(shè)計(jì)流量的50%時(shí),總管流量接近模式2和模式3另一臺(tái)水泵的最大流量,因此模式4的水泵工作區(qū)下限接近模式2和模式3的工作區(qū)上限;當(dāng)B1、B2水泵運(yùn)行流量為對(duì)應(yīng)冷凝器冷卻水設(shè)計(jì)流量的100%時(shí),對(duì)于B3水泵任一流量,總管流量可達(dá)到對(duì)應(yīng)此流量的最大運(yùn)行流量,如表1中所示,總管壓降也達(dá)到對(duì)應(yīng)此流量的最大上限。

水泵工作區(qū)范圍越大,說(shuō)明水泵運(yùn)行中需要調(diào)節(jié)的范圍也越大。圖2中4種模式的水泵工作區(qū)形成了完整的B3水泵工作區(qū),包括了該水泵所有可能的合理運(yùn)行工況及3臺(tái)水泵各自運(yùn)行流量的合理組合。如果水泵運(yùn)行工況點(diǎn)不在此范圍,則說(shuō)明水泵運(yùn)行策略需要調(diào)整。

另外,當(dāng)水泵運(yùn)行模式切換時(shí),比如由模式1切換到模式2,增加運(yùn)行1臺(tái)B2水泵,或者同一模式,比如模式2增加B2水泵運(yùn)行流量時(shí),根據(jù)圖2所示水泵工作區(qū),如果要維持B3水泵的運(yùn)行流量,則都要求B3水泵提高運(yùn)行揚(yáng)程,否則會(huì)出現(xiàn)B3水泵流量減小即所謂的搶水現(xiàn)象。水泵支路間搶水的本質(zhì)就是總管流量變化引起總管壓降變化,導(dǎo)致整個(gè)管路壓降的變化。

需要說(shuō)明的是,水泵工作區(qū)是根據(jù)管路水力特性和各個(gè)冷凝器冷卻水運(yùn)行流量工況劃定的揚(yáng)程-流量區(qū)域,與水泵的特性曲線(xiàn)無(wú)關(guān)。

圖3顯示了對(duì)應(yīng)圖2水泵工作區(qū)的水泵有效功率范圍。水泵有效功率為水泵流量與揚(yáng)程的乘積,根據(jù)圖2可以直接得到圖3。不考慮水泵能效,水泵工作區(qū)范圍內(nèi)水泵有效功率輸出呈現(xiàn)為一個(gè)有效功率區(qū)。從水泵最小流量到最大流量,有效功率上下限從20～26 kW變化到71～87 kW,在較大的B3水泵流量時(shí),另外2臺(tái)水泵的不同運(yùn)行參數(shù)導(dǎo)致B3水泵有效功率輸出需求有16 kW的變化。水泵有效功率范圍也與水泵特性曲線(xiàn)及水泵效率無(wú)關(guān)。

圖3 B3水泵在不同運(yùn)行模式下的有效功率范圍

考慮水泵效率后,水泵在各個(gè)運(yùn)行工況均應(yīng)運(yùn)行在高效區(qū),否則水泵電動(dòng)機(jī)功率可能遠(yuǎn)高于圖3中的有效功率。這就要求合理選擇水泵的變頻特性,對(duì)于不同流量,變頻水泵高效區(qū)應(yīng)覆蓋圖2中的水泵工作區(qū),本文第2.3節(jié)將進(jìn)一步討論。

2.2 水泵變頻運(yùn)行控制

圖2中水泵工作區(qū)表明,對(duì)于B3水泵的同一流量,不同的水泵工作揚(yáng)程對(duì)應(yīng)不同的頻率,不同流量對(duì)應(yīng)的頻率形成水泵頻率工作區(qū)。需要說(shuō)明的是,水泵的揚(yáng)程-流量工作區(qū)取決于管路的幾何形狀或管路水力特性,而水泵頻率工作區(qū)不僅取決于管路水力特性,還取決于水泵特性。不同的水泵特性得到不同的水泵頻率工作區(qū)。

圖4顯示了深圳前海10號(hào)制冷站冷卻水泵的選型特性曲線(xiàn),包括了不同頻率時(shí)水泵的揚(yáng)程-流量關(guān)系。將圖3中模式4的水泵工作區(qū)放入圖4中相應(yīng)位置,可以得到水泵工作區(qū)不同流量時(shí)上限揚(yáng)程和下限揚(yáng)程與水泵變頻特性曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)。將不同水泵流量對(duì)應(yīng)的上下限頻率組合,就可以得到水泵頻率工作區(qū)范圍,如圖5所示。

注:1 000 Hzmax為流量1 000 m3/h對(duì)應(yīng)的上限頻率,1 000 Hzmin為流量1 000 m3/h對(duì)應(yīng)的下限頻率;1 500 Hzmax為流量1 500 m3/h對(duì)應(yīng)的上限頻率,1 500 Hzmin為流量1 500 m3/h對(duì)應(yīng)的下限頻率。圖4 水泵工作頻率區(qū)

圖5 B3水泵運(yùn)行頻率工作區(qū)

深圳前海10號(hào)制冷站原始水泵為定頻泵,且選型偏大,變頻改造后,設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的最大水泵揚(yáng)程減小。從圖5可以看出,根據(jù)圖2所示的水泵流量-揚(yáng)程工作區(qū),結(jié)合水泵的變頻特性,可以直接得到相應(yīng)的水泵頻率工作區(qū)。鎖定各種運(yùn)行模式下水泵任意流量對(duì)應(yīng)的工作頻率上下限后,可以大大縮小水泵變頻控制時(shí)的頻率搜索范圍,從而提高控制穩(wěn)定性,簡(jiǎn)化控制策略。

本文提出冷卻水泵工作區(qū)模型的意義在于通過(guò)冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型得到某一工況需要的水泵流量,從而根據(jù)冷卻水流量與制冷機(jī)負(fù)荷率的關(guān)系,通過(guò)設(shè)定水泵運(yùn)行頻率范圍,精確控制水泵流量,實(shí)現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型預(yù)期的節(jié)能效果[7]。

冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型可以通過(guò)仿真模擬獲得,也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所有可能運(yùn)行工況后尋優(yōu)獲得。冷卻水流量表測(cè)量數(shù)據(jù)可以作為調(diào)頻反饋信號(hào)。

根據(jù)引言所述,一機(jī)一泵組合形式可以設(shè)置不同型號(hào)制冷機(jī)。深圳前海10號(hào)制冷站1期第1個(gè)標(biāo)段實(shí)際采購(gòu)的雙工況制冷機(jī)容量為9 144 kW,比設(shè)計(jì)容量7 737 kW多了1 407 kW,因此B1水泵對(duì)應(yīng)冷凝器的冷卻水流量也比1期第2個(gè)標(biāo)段的冷凝器流量大。這2個(gè)標(biāo)段采購(gòu)了同樣型號(hào)的水泵,但是B1水泵的工作區(qū)不同于B2、B3水泵的工作區(qū)。圖6顯示了B1水泵的運(yùn)行頻率工作區(qū)。由于B2、B3水泵對(duì)應(yīng)的冷凝器冷卻水設(shè)計(jì)流量一致,因此B1水泵的運(yùn)行模式有3種:B1水泵獨(dú)立運(yùn)行(模式1)、B1水泵運(yùn)行+B2(或B3)水泵運(yùn)行(模式2)、B1+B2+B3水泵同時(shí)運(yùn)行(模式3)。在模式2時(shí),總管的最大流量為Q1+1 585.0 m3/h,最小流量為Q1+792.5 m3/h;在模式3時(shí),總管的最大流量為Q1+1 585.0 m3/h×2,最小流量為Q1+792.5 m3/h×2。圖6表明,與圖5中B3水泵運(yùn)行頻率工作區(qū)不同,B1水泵同一流量時(shí)的運(yùn)行頻率范圍較窄,主要是因?yàn)锽1水泵對(duì)應(yīng)的冷凝器冷卻水設(shè)計(jì)流量較大,而B(niǎo)2、B3水泵對(duì)應(yīng)的冷凝器冷卻水設(shè)計(jì)流量較小,共享管路壓降對(duì)B1水泵運(yùn)行揚(yáng)程影響不大。

圖6 B1水泵運(yùn)行頻率工作區(qū)

綜合圖5和圖6可知,本文提出的水泵工作區(qū)模型可以對(duì)任一水泵支路的變頻控制進(jìn)行分析。

3 變頻水泵選型校核

傳統(tǒng)水泵選型設(shè)計(jì)是選擇設(shè)計(jì)流量下的設(shè)計(jì)揚(yáng)程。根據(jù)圖2所得的水泵工作區(qū),水泵在工作區(qū)范圍內(nèi)都能夠運(yùn)行在高效區(qū)間。因此在水泵選型階段,除了額定工況的選型,還要校核在水泵工作區(qū)范圍內(nèi)變頻后是否都能滿(mǎn)足高效運(yùn)行,比如所有工況水泵效率大于80%,這樣能保證水泵軸功率不超過(guò)圖3中水泵有效功率除以80%得到的功率范圍。

正如前文所述,水泵工作區(qū)取決于管路幾何形狀,而水泵高效區(qū)取決于水泵特性,將水泵工作區(qū)與水泵高效區(qū)疊加,重疊區(qū)域可以稱(chēng)為適合于被研究管路系統(tǒng)的水泵高效工作區(qū)。本文建議水泵校核時(shí)水泵高效區(qū)完全覆蓋水泵工作區(qū),這樣水泵工作區(qū)也就是水泵高效工作區(qū)。

圖7顯示了B3水泵的變頻選型結(jié)果。選型過(guò)程中,需要校核水泵幾個(gè)典型流量時(shí)上下限頻率運(yùn)行范圍內(nèi)的水泵效率是否均在高效區(qū)。對(duì)于4種水泵工作模式,水泵運(yùn)行在60%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí),水泵運(yùn)行效率都不應(yīng)低于80%。水泵變頻時(shí)的效率可以由生產(chǎn)廠(chǎng)家提供,圖7中的水泵效率點(diǎn)僅作為參考示意。

圖7 B3水泵的變頻選型結(jié)果

另一方面,理論上,根據(jù)相似定律,從已知水泵轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的效率可以得到不同轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的效率,計(jì)算式如下[12]:

(11)

式中η為水泵效率;n為水泵轉(zhuǎn)速;上標(biāo)′表示已知轉(zhuǎn)速與效率。

在選型得到水泵工頻時(shí)的流量-效率分布后,也可以根據(jù)式(11)計(jì)算不同頻率時(shí)對(duì)應(yīng)的水泵效率,從而校核水泵在工作區(qū)是否滿(mǎn)足高效運(yùn)行的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一機(jī)一泵組合的冷卻水系統(tǒng)水力計(jì)算模型,包括共享的總管+冷卻塔壓降模型,以及各水泵支路的壓降模型;計(jì)算得到了冷卻水泵在不同模式運(yùn)行時(shí)的水泵工作區(qū),確定了改變水泵支路流量時(shí)水泵運(yùn)行揚(yáng)程的上限與下限,同時(shí)結(jié)合水泵變頻特性曲線(xiàn),得到了改變水泵支路流量時(shí)水泵的運(yùn)行頻率范圍。利用該模型可以簡(jiǎn)化水泵變頻運(yùn)行控制策略,根據(jù)水泵工作區(qū),結(jié)合變頻水泵選型特性曲線(xiàn)和效率曲線(xiàn),可以校核水泵在所有運(yùn)行工況時(shí)是否運(yùn)行在高效區(qū),對(duì)冷卻水泵變頻運(yùn)行和選型校核有指導(dǎo)意義。該模型不僅可用于區(qū)域供冷各個(gè)水力系統(tǒng)的分析,也可用于其他管路水力學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行分析優(yōu)化。