暖通空调系统中水泵不同组合方式的运行分析

赵金良

随着国民经济的快速发展,人民生活水平的不断提高,人们对生活环境舒适度的要求越来越高,暖通空调系统已是创造室内舒适环境、保证生产工艺、提高工作效率和发展生产力的重要保证。但在营造舒适环境的同时,也消耗了大量的能源,目前我国建筑能耗中采暖空调系统能耗大概占65%,其发展方向直接影响到国民经济的发展、能源的利用以及环境保护。本文对暖通空调系统中的常用设备——水泵在不同的组合配置方式下运行工况进行分析,寻求一种最佳的水泵组合方式,达到节能降耗的目的。

1 水泵组合的形式及特点

1.1 水泵串联组合

水泵串联组合的特点:当管路系统中流量小,而阻力大的情况下,单台水泵不能提供系统所需扬程,就应串联水泵来增大扬程,水泵的型号类型通常相同。

1.2 水泵并联组合

水泵并联组合的特点:当系统中要求的流量很大。一台水泵其流量不够时,或需靠增开或停开并联水泵台数以实现大幅度调节流量时宜采用并联运行。依据水泵是否变频,主要有三种并联组合方式:1)多台定频泵并联组合;2)定频泵与变频泵并联组合;3)多台变频泵并联组合。目前在暖通空调系统中水泵并联组合方式的应用较多,本文主要对并联水泵方式进行分析。

2 水泵的基本原理

在实际运行过程中水泵并不总在设计工况点下运行,在非设计工况点下运行时它遵守泵的相似律原理。泵的相似律[1]表明同一系列相似机器的相似工况之间的相似关系,泵的性能参数是针对某一转速nm来说的。当实际运行转速n与nm不同时具有下列关系:

1)流量关系:

2)扬程关系:

3)功率关系:

三式联立可得综合公式:

从上式可以看出当水泵进行转速调节流量时,水泵的功率是以3次方的关系进行变化的。

3 运行分析

下面对水泵组合的几种方式分别进行分析[2]。

3.1 两台水泵串联组合方式

两台水泵串联运行时,联合性能曲线是在同一流量下进行各单台水泵的扬程叠加而成的。

当管路曲线不与泵1和泵2联合曲线相交时,会发生串联后的全压,与单台水泵相比相同或者小于,同时流量也有所减少,功率消耗却增加。所以只有在管路系统流量小,而阻力大的情况下串联水泵运行才是合理的。

3.2 两台定频水泵并联组合方式

两台定频水泵并联组合见图1。

从图1可以看出:1)在低流量时只开启一台水泵,便可满足系统流量的需要。2)在高于一台水泵流量时要同时开启两台水泵。当系统流量未达到设计流量时,系统流量的调节只有通过关小阀门,加大管道系统阻力的办法来解决。此时管道系统性能曲线将变陡,由于水泵的转速并没有改变,所以水泵性能曲线也没有变化,但两条曲线的交点将上移,水泵将在低流量、高扬程的工况点运行。

可见定频泵并联时,流量在一定范围变化时水泵所消耗的功率中有一部分是用来克服阀门关小所产生的阻力,而通过关小阀门增加管道阻力来满足系统低流量的需求是不经济的。

3.3 一台定频水泵与一台变频水泵并联组合方式

一台定频水泵与一台变频水泵并联组合见图2。

从图2可以看出:1)在低于定频泵与管道性能曲线交点的流量范围下只开启变频泵,通过水泵转速的改变来满足系统流量的需求。2)在高于交点流量时同时开启两台泵,首先为了使定频泵与变频泵可以同时运行,变频泵要在高转速的工况下运行来获得与定频泵一样的出口压力,否则其中扬程较低的一台水泵的止回阀将关闭,造成水泵的空转,系统出现问题。由相似律定理可知此时变频泵消耗的功率要增加变大。其次变频泵与定频泵出口压力相等,此时流量必定大于系统所需流量,只有调节阀门开度变小,增大管道阻力,使管路性能曲线变陡,才能得到系统所需流量。另外随着流量的变大,定频泵运行工况点将按着它自身的性能曲线变化,流量变小,压头变高,消耗的功率变大。

可见定频泵与变频泵并联运行同定频泵并联一样不经济,有不必要的能量消耗,但在低流量时节省了部分能量消耗。

3.4 两台变频水泵并联组合方式[3]

两台变频水泵并联组合见图3。

从图3可以看出:1)当在低流量的情况下,只开启一台变频泵,变频泵在变频控制器的控制下改变叶轮转速以改变流量,满足系统需要。2)当流量增大到一定数值后,两台水泵同时开启,由于两台水泵在变频控制器的控制下做相同的变化,运行工况始终相同,而且系统流量变化是通过水泵叶轮转速的变化来实现的,由相似律可以看出水泵所消耗的功率大大降低,因为水泵的功耗变化是叶轮转速变化的3次方。

4 水泵的选择配置

管道与泵1、泵2并联运行见图4。

从图4可以看出:单台泵的性能曲线与管路系统性能曲线没有相交,当系统流量发生变化只需要单台水泵运转时,水泵会发生气蚀现象,产生噪声,叶轮和泵壳出现小的坑洞。消除这种现象有两种方法:1)增加管路阻力(关小阀门)。2)使两台水泵一直同时运转。两种方法都只会使水泵消耗的功率增加。图中所选水泵不合适。

因此选择水泵时应注意:1)根据规范要求满足系统所需的扬程,流量要求[4]。2)应使单台水泵的性能曲线与管路性能曲线有交点,而且交点不要离水泵性能曲线末端太近,这样就不会发生气蚀现象。3)水泵要有良好的相互备用性,水泵的型号、尺寸要一样。

5 结语

1)水泵的选择配置除了要满足系统所需流量、扬程的要求外,还要通过水泵的性能曲线、管道系统性能曲线来验证是否会发生气蚀等对水泵有害的现象出现。2)通过对几种配置方式的分析,水泵均为变频泵的组合节能效果最佳,一台变频泵,一台定频泵的组合节能效果居中,水泵均为定频泵的组合节能效果最差。

[1] 蔡增基,龙天渝.流体力学 泵与风机[M].第 4版.北京:中国建筑工业出版社,1999.

[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[3] 樊培荣,束国权.空调循环水泵变流量控制多泵同时变频调节的重要意义[J].制冷与空调(四川),2005(1):65-67.

[4] GB 500109-2003,采暖通风与空气调节设计规范[S].