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(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

當(dāng)前，我國(guó)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(wèn)題[1].根據(jù)《2015年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，我國(guó)能源利用水平和能源消費(fèi)特點(diǎn)仍存在高能耗、低效率、嚴(yán)重浪費(fèi)等現(xiàn)象，因此應(yīng)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(shí)，輸電效率為43.12%[2].工程人員往往按照設(shè)計(jì)條件，通過(guò)插值法進(jìn)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(guò)大，導(dǎo)致耗電量偏大的現(xiàn)象[3].在實(shí)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(xué)者進(jìn)行了研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的左行濤[4]、王昭俊[5]分別利用最小二乘法，對(duì)循環(huán)水泵的性能曲線進(jìn)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(yùn)行的數(shù)學(xué)模型.東北電力大學(xué)于坤[6]提出了在給定流量小于單臺(tái)循環(huán)水泵能夠提供最大流量時(shí)，兩臺(tái)并聯(lián)水泵可能有的多種運(yùn)行方案.北方交通大學(xué)于潔[7]對(duì)采暖循環(huán)水泵的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，由曲線反映出水泵的真正運(yùn)行狀況，并分析和比較了使用單臺(tái)水泵、兩臺(tái)水泵并聯(lián)或三臺(tái)水泵并聯(lián)三種不同情況下的水力工況.

文獻(xiàn)[8]所述，針對(duì)我國(guó)內(nèi)地和香港特別行政區(qū)共39座建筑進(jìn)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(jiàn)，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(guò)大幾乎是冷凍水系統(tǒng)的一個(gè)通病[9].本文針對(duì)目前管網(wǎng)變頻改造存在的上述問(wèn)題，通過(guò)最小二乘法對(duì)水泵性能曲線進(jìn)行擬合，分析不同負(fù)荷率下水泵運(yùn)行特性，探討其最佳運(yùn)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(shè)備，合理選擇水泵型號(hào)是管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，在進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，需要重點(diǎn)考慮水泵的耗電量.本文主要采用最小二乘法進(jìn)行水泵性能曲線的擬合，計(jì)算出兩臺(tái)、三臺(tái)、四臺(tái)水泵的公式，生成相應(yīng)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(lái)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(cè)為例，從型號(hào)為350×250CNHC5110的水泵Q-H性能曲線上得到的8 組查詢(xún)點(diǎn)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(yáng)程，mH2O.

實(shí)際工程中常采用多臺(tái)水泵聯(lián)合的運(yùn)行方式，并聯(lián)水泵組的Q-H 曲線，只要保持各臺(tái)水泵Q-H 曲線上縱坐標(biāo)相等，各點(diǎn)的橫坐標(biāo)相加，便可得到其并聯(lián)水泵的特性曲線，因此，兩臺(tái)、三臺(tái)、四臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)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(dòng)機(jī)和水泵組成.系統(tǒng)的綜合效率η為變頻器、電動(dòng)機(jī)、水泵三者效率的乘積，計(jì)算公式為：

(5)

公式中：η為綜合效率；ηvfd為電動(dòng)機(jī)效率；ηm為變頻器效率；ηp為水泵效率；a為水泵并聯(lián)臺(tái)數(shù).

在變頻情況下假定各個(gè)電機(jī)變化規(guī)律一致，電動(dòng)機(jī)效率，變頻器效率計(jì)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(yùn)行條件下，水泵在全相似工況下運(yùn)行，其流量、揚(yáng)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(duì)不同負(fù)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(dāng)變頻泵的負(fù)荷率低于30%時(shí)，隨著變頻器，交流電動(dòng)機(jī)頻率的急劇下降，變頻水泵的綜合效率也下降，長(zhǎng)期低速運(yùn)行容易導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒壞，嚴(yán)重縮短水泵的使用期限，因此在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)保持高負(fù)荷率運(yùn)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(fù)荷下的綜合效率

3 循環(huán)水泵能耗計(jì)算和節(jié)能分析

本項(xiàng)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(wàn)m2，冷站分為南、北、西三側(cè)進(jìn)行供冷，其中南側(cè)供冷面積為17.94萬(wàn)m2，循環(huán)水泵選用型號(hào)為350×250CNHC5110，設(shè)計(jì)流量為920 m3/h，揚(yáng)程40 mH2O；北側(cè)供冷面積為22.38萬(wàn)m2，循環(huán)水泵選用型號(hào)為350×250CNHC5220，設(shè)計(jì)流量為1340 m3/h，揚(yáng)程為45 mH2O；西側(cè)供冷面積為9.55萬(wàn)m2，循環(huán)水泵選用型號(hào)為350×250CNHC5110，設(shè)計(jì)流量為890 m3/h，揚(yáng)程為35 mH2O.設(shè)計(jì)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(shí)線為管網(wǎng)分布，紫色區(qū)域?yàn)楣芫W(wǎng)南側(cè)用戶，藍(lán)色區(qū)域?yàn)楣芫W(wǎng)北側(cè)用戶，黃色區(qū)域?yàn)楣芫W(wǎng)西側(cè)用戶.

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

以西側(cè)管網(wǎng)為例，對(duì)其水泵運(yùn)行情況進(jìn)行分析：

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

不同負(fù)荷率下水泵運(yùn)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(fù)荷率下降而下降，對(duì)于單臺(tái)水泵、二臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行、三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行工況，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷率下降到60%，水泵的綜合效率開(kāi)始急速下降；而對(duì)于四臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行工況，其綜合效率一直相對(duì)較低，且平穩(wěn)下降.在相同的系統(tǒng)負(fù)荷率下，單臺(tái)水泵的運(yùn)行效率比二臺(tái)并聯(lián)水泵的運(yùn)行效率平均高 15.74%，比三臺(tái)并聯(lián)水泵的運(yùn)行效率平均高 25.58%，比四臺(tái)并聯(lián)水泵的運(yùn)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(diǎn)為水泵運(yùn)行的工況點(diǎn).其中圖3(a)的管網(wǎng)負(fù)荷率為65%，圖(b)的管網(wǎng)負(fù)荷率為35%.

在管網(wǎng)負(fù)荷率為65%時(shí)，單臺(tái)水泵運(yùn)行和二臺(tái)水泵并聯(lián)不能滿足系統(tǒng)所需負(fù)荷.當(dāng)三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的83.3%；當(dāng)四臺(tái)水泵并聯(lián)時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的74.6%.根據(jù)公式(9)計(jì)算可得，三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行總功率為 365.22 kW，四臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的總功率為1 543.38 kW，三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的總功率明顯低于四臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的總功率.

在管網(wǎng)負(fù)荷率為35%時(shí)，單臺(tái)水泵運(yùn)行不能滿足系統(tǒng)所需負(fù)荷.當(dāng)二臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的69.7%；當(dāng)三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的53.5%；當(dāng)四臺(tái)水泵并聯(lián)時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的47.9%.根據(jù)公式(9)計(jì)算可得，兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行功率為 86.92 k W；三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的總功率為 186.18 k W，三臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的總功率為 1189.42 k W，采用兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行總功率明顯低于三臺(tái)、四臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的總功率.

4 結(jié) 論

在供冷系統(tǒng)中，當(dāng)冷用戶增加時(shí)，原有的冷源供給能量不足，為了滿足用戶日益增大的冷負(fù)荷需求，可以通過(guò)更換成更大的冷水機(jī)組或者并聯(lián)其他的冷水機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)供需平衡.當(dāng)目標(biāo)流量一定時(shí)，系統(tǒng)初始工況對(duì)能耗影響較大.在分析變頻泵節(jié)能率時(shí)，需要明確節(jié)能率的計(jì)算基點(diǎn)，確定最優(yōu)運(yùn)行方案.

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