華東建筑設(shè)計(jì)研究總院 沈列丞 宋 磊

1 問(wèn)題提出

文獻(xiàn)[1]給出了非解耦式區(qū)域型三級(jí)泵直供系統(tǒng)中三級(jí)泵的選型方法，并針對(duì)7個(gè)算例進(jìn)行了水泵的實(shí)際選型。從選型結(jié)果角度來(lái)看，現(xiàn)有產(chǎn)品可基本滿足各類系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于總體輸配管網(wǎng)與末端管網(wǎng)的工況均會(huì)發(fā)生變化，對(duì)此類系統(tǒng)中的三級(jí)泵而言，存在4個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和探討：

1) 所選泵組是否可以適應(yīng)輸配管網(wǎng)資用壓頭變化與末端揚(yáng)程需求變化的疊加影響？

2) 泵組可及運(yùn)行范圍是否與實(shí)際工況需求范圍相匹配？

3) 如存在實(shí)際工況需求范圍超出所選泵組可及運(yùn)行范圍，應(yīng)采取何種調(diào)控措施？

4) 采取何種運(yùn)行措施使泵組運(yùn)行于高效區(qū)？

2 研究方法

對(duì)于三級(jí)泵運(yùn)行工況的研究，筆者擬在“揚(yáng)程H-流量Q”圖上建立2個(gè)范圍：一是根據(jù)所選水泵的特性參數(shù)所構(gòu)建的泵組可及運(yùn)行范圍，二是根據(jù)該泵組在系統(tǒng)中所需適應(yīng)工況而構(gòu)建的實(shí)際工況需求范圍。通過(guò)對(duì)比這2個(gè)范圍的匹配性，進(jìn)而了解三級(jí)泵組的選型能否滿足實(shí)際運(yùn)行工況變化的需求。以算例分析為研究手段，基于文獻(xiàn)[1]中Case1、Case2、Case3、Case7四個(gè)算例的實(shí)際選型結(jié)果，針對(duì)每個(gè)算例的典型三級(jí)泵組(P1、P3、P7、P9、P13)開(kāi)展相關(guān)對(duì)比分析。在分析中擬增加水泵電動(dòng)機(jī)配置類型的對(duì)比研究，通常水泵可配置的電動(dòng)機(jī)類型分為寬頻電動(dòng)機(jī)與變頻電動(dòng)機(jī)：寬頻電動(dòng)機(jī)的變頻運(yùn)行范圍為25～50 Hz，為各大水泵生產(chǎn)商對(duì)空調(diào)循環(huán)水泵推薦的配置標(biāo)準(zhǔn)；而變頻電動(dòng)機(jī)的變頻運(yùn)行范圍為5～50 Hz，其運(yùn)行工況范圍大于寬頻電動(dòng)機(jī)，但成本較高。

2.1 泵組可及運(yùn)行范圍構(gòu)建方式

為確定泵組可及運(yùn)行范圍，需要得到水泵并聯(lián)變頻調(diào)速特性，而水泵生產(chǎn)商提供的選型軟件可提供單臺(tái)水泵某頻率下的性能曲線(如圖1所示，圖中P2為軸功率，HNPS為汽蝕余量)。

2.1.1單臺(tái)水泵額定頻率的性能曲線

對(duì)任一型號(hào)的水泵，由選型軟件可獲得一組水泵性能數(shù)據(jù)，采用最小二乘法對(duì)水泵性能曲線進(jìn)行擬合，H-Q和η-Q曲線函數(shù)可分別采用四次多項(xiàng)式和三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合：

H=a4Q4+a3Q3+a2Q2+a1Q+a0

(1)

η=b3Q3+b2Q2+b1Q+b0

(2)

式(1)、(2)中η為水泵效率；a0～a4、b0～b3為擬合系數(shù)。

2.1.2變頻泵的性能曲線

根據(jù)相似定律，不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同一臺(tái)水泵，滿足下列公式：

式(3)～(5)中Q、H、N分別為水泵在轉(zhuǎn)速n下的流量、揚(yáng)程及軸功率；Q0、H0、N0分別為水泵在額定轉(zhuǎn)速n0下的流量、揚(yáng)程及軸功率。

假設(shè)調(diào)速比k=n/n0，由式(1)、(3)、(4)可得水泵變頻運(yùn)行時(shí)的H-Q曲線函數(shù)為

(6)

水泵效率可由水泵的流量、揚(yáng)程按式(7)計(jì)算：

(7)

由式(2)、(3)、(5)可得水泵變頻運(yùn)行時(shí)的η-Q曲線函數(shù)為

(8)

2.1.3并聯(lián)水泵的性能曲線

m臺(tái)性能相同的水泵并聯(lián)，泵組總流量和總揚(yáng)程有以下關(guān)系：

Qz=mQ

(9)

Hz=H

(10)

ηz=η

(11)

式(9)～(11)中Qz、Hz、ηz分別為并聯(lián)水泵組的總流量、總揚(yáng)程及總效率。

由式(1)、(9)、(10)可得m臺(tái)性能相同的水泵并聯(lián)時(shí)的Hz-Qz曲線函數(shù)為

(12)

由式(2)、(9)、(11)可得m臺(tái)性能相同的水泵并聯(lián)時(shí)的ηz-Qz曲線函數(shù)為

(13)

2.1.4泵并聯(lián)變頻調(diào)速的性能曲線

綜上，水泵并聯(lián)變頻調(diào)速性能曲線函數(shù)如下：

2.1.5舉例

以Case1中的三級(jí)泵組P9為例，利用選型軟件可以獲得該用戶單臺(tái)水泵的一組性能數(shù)據(jù)點(diǎn)，如表1所示。

表1 Case1中P9泵組的單臺(tái)水泵性能數(shù)據(jù)點(diǎn)

由式(1)、(2)擬合得到水泵曲線如圖2所示，曲線函數(shù)系數(shù)及擬合優(yōu)度R2如表2所示。

表2 性能曲線函數(shù)系數(shù)及擬合優(yōu)度

根據(jù)單臺(tái)水泵額定頻率下的性能曲線，即可根據(jù)上述計(jì)算方法得到一組多臺(tái)水泵并聯(lián)變頻調(diào)速時(shí)的性能曲線，圖3給出了Case1中P9泵組在配置寬頻電動(dòng)機(jī)與變頻電動(dòng)機(jī)的前提下所得到的泵組可及運(yùn)行范圍。

2.2 實(shí)際工況需求范圍構(gòu)建方式

參照文獻(xiàn)[1]中相關(guān)內(nèi)容，非解耦式區(qū)域型三級(jí)泵系統(tǒng)中，實(shí)際工況運(yùn)行時(shí)三級(jí)泵揚(yáng)程需求為

H=Ht-Ha

(16)

式中Ht為用戶側(cè)支路揚(yáng)程需求，m；Ha為區(qū)域輸配管網(wǎng)資用壓頭，m。

因此為獲得三級(jí)泵揚(yáng)程需求范圍，可分別求解Ht和Ha的范圍。

2.2.1用戶側(cè)支路揚(yáng)程需求計(jì)算

Ht=Δpt+Hp

(17)

式中 Δpt為三級(jí)泵用戶側(cè)壓差設(shè)定值，m；Hp為用戶側(cè)管路阻力損失，m。

當(dāng)用戶側(cè)實(shí)際運(yùn)行流量一定時(shí)，流量分配越靠近用戶側(cè)近端，Hp越小，Ht也越小；流量分配越靠近用戶側(cè)遠(yuǎn)端，Hp越大，Ht也越大。

以某用戶側(cè)為例，圖4給出了該用戶不同流量需求下的Ht范圍。

圖4 某用戶側(cè)在不同流量需求下的Ht范圍

2.2.2區(qū)域輸配管網(wǎng)資用壓頭

區(qū)域輸配管網(wǎng)資用壓頭計(jì)算方法與文獻(xiàn)[1]中相關(guān)內(nèi)容相似，區(qū)別在于本文采用實(shí)際運(yùn)行工況流量參數(shù)計(jì)算資用壓頭，限于篇幅，相關(guān)計(jì)算過(guò)程從略。以用戶9為例，Case1、Case2、Case3、Case7中實(shí)際運(yùn)行工況下區(qū)域輸配管網(wǎng)資用壓頭范圍如圖5所示。

2.2.3實(shí)際工況需求范圍合成

結(jié)合用戶側(cè)支路揚(yáng)程需求與區(qū)域輸配管網(wǎng)資用壓頭，利用式(16)可合成實(shí)際工況需求范圍。以用戶9為例，Case1、Case2、Case3、Case7下的實(shí)際工況需求范圍如圖6所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)前文計(jì)算方法，在H-Q圖上獲得各算例下各三級(jí)泵組的泵組可及運(yùn)行范圍和實(shí)際工況需求范圍。圖7～10分別給出了Case1、Case2、Case3、Case7下P1、P7、P9、P13泵組在寬頻電動(dòng)機(jī)配置和變頻電動(dòng)機(jī)配置下的運(yùn)行工況。圖中泵組可及運(yùn)行范圍由單臺(tái)泵獨(dú)立運(yùn)行、2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行和3臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行三部分組成，三部分相互重疊(說(shuō)明水泵并聯(lián)運(yùn)行所及的范圍是連續(xù)的)，在該范圍內(nèi)存在著一條效率曲線，曲線的左側(cè)區(qū)域?yàn)樵摫蒙a(chǎn)商不推薦的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)水泵運(yùn)行不穩(wěn)定、發(fā)熱及低流量汽蝕等問(wèn)題，故將此區(qū)域稱為“不穩(wěn)定區(qū)”；泵組在整個(gè)輸配管網(wǎng)中，在同一運(yùn)行流量下存在最大揚(yáng)程需求與最小揚(yáng)程需求，而最大揚(yáng)程需求線與最小揚(yáng)程需求線所圍合的范圍就是該泵組的實(shí)際工況需求范圍。當(dāng)泵組可及運(yùn)行范圍可涵蓋實(shí)際工況需求范圍時(shí)，說(shuō)明該泵組的選型可以完全滿足該用戶的實(shí)際運(yùn)行需求。當(dāng)實(shí)際工況需求范圍超出泵組可及運(yùn)行范圍時(shí)，說(shuō)明無(wú)法僅通過(guò)泵組調(diào)節(jié)的手段(如頻率調(diào)節(jié)、臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié))來(lái)滿足實(shí)際工況的需求，需利用其他調(diào)控手段實(shí)現(xiàn)或會(huì)產(chǎn)生偏離設(shè)定要求的情況。

通過(guò)分析，可得到如下結(jié)論：

1) 對(duì)于Case1和Case2(壓差控制點(diǎn)位于前端)而言，三級(jí)泵距二級(jí)泵的壓差控制點(diǎn)越遠(yuǎn)，三級(jí)泵的實(shí)際工況需求范圍就越大。

2) 各算例中部分三級(jí)泵存在“壓差偏離”區(qū)(如圖11中黃色填充區(qū)域)，即該部分實(shí)際工況需求范圍無(wú)法被泵組可及運(yùn)行范圍所覆蓋，在這些部分的工況范圍內(nèi)，為保證用戶側(cè)需求，要開(kāi)啟三級(jí)泵，但此時(shí)三級(jí)泵在最低頻率下運(yùn)行，其所能提供的揚(yáng)程高于需求，在此類情況下，用戶側(cè)末端會(huì)產(chǎn)生超流現(xiàn)象，其控制閥門(mén)關(guān)小，用戶側(cè)實(shí)際的控制壓差值上升。如圖11中當(dāng)三級(jí)泵組的實(shí)際運(yùn)行流量為Q，需求揚(yáng)程為H1時(shí)，泵組開(kāi)啟并運(yùn)行在最小頻率，此時(shí)的泵組最小揚(yáng)程為H2，用戶側(cè)實(shí)際控制壓差值從Δpy上升為Δpy+(H2-H1)。可見(jiàn)，該運(yùn)行范圍內(nèi)存在較大節(jié)流損失，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能性差。因此在水泵選型過(guò)程中，應(yīng)予以權(quán)衡，盡可能使泵組可及運(yùn)行范圍涵蓋此類區(qū)域。

3) 對(duì)于Case3和Case7(壓差控制點(diǎn)位于末端)而言，部分用戶側(cè)三級(jí)泵在部分工況下存在揚(yáng)程需求為負(fù)值的情況，此類情況下區(qū)域管網(wǎng)的資用壓頭對(duì)于用戶側(cè)而言為“正貢獻(xiàn)”，且資用壓頭值已大于用戶側(cè)阻力，該區(qū)域可稱為“停泵旁通區(qū)”。如圖12所示，在“停泵旁通區(qū)”內(nèi)三級(jí)泵應(yīng)停止運(yùn)行，關(guān)閉閥門(mén)V1，同時(shí)打開(kāi)旁通管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組V2，該閥門(mén)的開(kāi)度按用戶側(cè)末端壓差設(shè)定值為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)該閥組的節(jié)流作用使輸配管網(wǎng)資用壓頭正好滿足末端的運(yùn)行需求。揚(yáng)程需求負(fù)值的絕對(duì)值ΔH即為旁通管上節(jié)流設(shè)施所需克服的資用壓頭，V2閥組的選擇應(yīng)依據(jù)ΔH和旁通流量進(jìn)行匹配，旁通管上宜設(shè)置止回閥，避免出現(xiàn)三級(jí)泵運(yùn)行工況下V2關(guān)閉不嚴(yán)出現(xiàn)逆流的情況?！巴１门酝▍^(qū)”的范圍越大，說(shuō)明需要通過(guò)閥門(mén)節(jié)流來(lái)滿足實(shí)際運(yùn)行的需求越大，二級(jí)泵能耗損失就越大。

圖11 實(shí)際運(yùn)行壓差偏離示意圖

圖12 “停泵旁通區(qū)”的調(diào)控措施與運(yùn)行模式示意圖

4) 與配置寬頻電動(dòng)機(jī)的水泵相比，變頻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用可使泵組可及運(yùn)行范圍增大，即擴(kuò)大了泵組在低揚(yáng)程區(qū)域運(yùn)行的范圍。從各算例來(lái)看，由于受到輸配管網(wǎng)資用壓頭變化與末端揚(yáng)程需求變化的疊加影響，各三級(jí)泵組均存在小揚(yáng)程下運(yùn)行的實(shí)際工況需求，對(duì)于配置變頻電動(dòng)機(jī)的水泵，能較大程度上減少“壓差偏離”的工況范圍，因此對(duì)于非解耦式區(qū)域型三級(jí)泵直供系統(tǒng)，其三級(jí)泵建議采用配置變頻電動(dòng)機(jī)的水泵。

5) 各算例及其各末端均存在“不穩(wěn)定區(qū)”，無(wú)法通過(guò)泵組選型完全避免，但應(yīng)在選泵過(guò)程中綜合考慮，盡可能選擇推薦運(yùn)行工作范圍較寬的水泵。

6) Case3中的P13泵組所在位置為該系統(tǒng)中唯一的二級(jí)泵壓差控制點(diǎn)所在的位置，該處的管網(wǎng)資用壓頭無(wú)變化，故該泵組的實(shí)際工況需求范圍僅受末端運(yùn)行需求的影響；而在Case7中，由于P13泵組所在位置雖是二級(jí)泵壓差控制點(diǎn)所在的位置，但并不唯一，因此在某些工況下該壓差控制點(diǎn)并不作為二級(jí)泵的實(shí)際(最不利)控制壓差點(diǎn)，因此P13泵組處的管網(wǎng)資用壓頭變化仍較大，該泵組的實(shí)際工況需求范圍要大于Case3中的情況。

4 泵組節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行策略

非解耦式區(qū)域型三級(jí)泵直供系統(tǒng)中三級(jí)泵組運(yùn)行工況范圍大，為減少泵組位于低效區(qū)工作的情況，需對(duì)泵組的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行提出要求。

以前文Case1中的三級(jí)泵組P1、P7和P13為例(泵組配置變頻電動(dòng)機(jī))，圖13給出了該系統(tǒng)中三級(jí)泵組的運(yùn)行優(yōu)化策略，按圖可以得到在不同運(yùn)行工況需求下，以泵組運(yùn)行效率最高為目標(biāo)的水泵運(yùn)行最優(yōu)臺(tái)數(shù)。

圖中存在“過(guò)渡區(qū)”，即在該區(qū)域內(nèi)增(減)1臺(tái)水泵后，泵組的運(yùn)行效率差異不大，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在此區(qū)域內(nèi)泵組可根據(jù)前一工況的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)確定此時(shí)需投入的臺(tái)數(shù)。結(jié)合圖13可得以下結(jié)論：

1) 本算例中，三級(jí)泵組由3臺(tái)水泵組成，單臺(tái)水泵的設(shè)計(jì)流量為300 m3/h，從滿足運(yùn)行工況且使泵組能處于高效運(yùn)行角度出發(fā)，泵組的臺(tái)數(shù)變化并不是以流量300、600、900 m3/h為界限進(jìn)行加減機(jī)。

2) 由于采用變頻+臺(tái)數(shù)控制的運(yùn)行方式，三級(jí)泵組在運(yùn)行3臺(tái)或2臺(tái)的工況下，均基本能保證水泵在高效區(qū)運(yùn)行(從本算例看，可滿足≥70%的要求)，當(dāng)1臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)，為了應(yīng)對(duì)小流量工況，水泵可能會(huì)在低效率的工況下運(yùn)行，甚至出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象。

綜上，對(duì)于非解耦式區(qū)域型三級(jí)泵直供系統(tǒng)中的用戶側(cè)三級(jí)泵組運(yùn)行控制策略，應(yīng)引入水泵運(yùn)行效率因素進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行分析，以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以文獻(xiàn)[1]為基礎(chǔ)，對(duì)非解耦式區(qū)域型三級(jí)泵直供系統(tǒng)中三級(jí)泵的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行了分析研究，通過(guò)構(gòu)建泵組可及運(yùn)行范圍與實(shí)際工況需求范圍，對(duì)4類壓差控制方式下的各典型三級(jí)泵組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析?；诒媒M可及運(yùn)行范圍情況，實(shí)際工況需求范圍可被劃分為“不穩(wěn)定區(qū)”“正常運(yùn)行”“壓差偏離”與“停泵旁通”4類區(qū)域，提出了相應(yīng)的運(yùn)行調(diào)控方式，并探討了基于泵組效率的臺(tái)數(shù)優(yōu)化運(yùn)行控制策略。