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循环水泵选择设计中相关问题的分析

更新时间:15-09-29

随着经济的持续发展和人们对居住环境舒适性要求的提高,中央空调在商业和民用建筑中应用越来越普及,但由于诸多原因其电耗在建筑总能耗中所占比例也越来越大。在大型公共建筑供暖空调电力消耗中,60~70%由输送和分配冷量热量的风机水泵所消耗。目前建筑系统中风机水泵的电力消耗占我国城镇建筑运行电耗的10%以上。造成水泵能耗过高的主要原因之一是:设计与设备选择时无准确的设计与选择方法,使水泵性能与管网不匹配。因此,水泵的合理选择和匹配,是供暖及空调水系统正常运行和节能的关键。本文对暖通空调中水泵选型设计的相关问题进行了探讨。
2 循环水泵性能曲线的选择
图1. 驼峰型水泵性能曲线
供暖与空调的循环水泵主要是为冷热媒的循环流动提供动力,但随着室外温度变化系统所需要的循环水泵的流量可能会相差很大。这就要求在水泵的选型设计中要考虑多方面的因素。供暖、空调系统中的水泵总是与特定的管路相连,工作状态点由水泵的性能曲线与管路的特性曲线共同决定。循环水泵的工作特性曲线有平坦型、陡降型和驼峰型三种。根据用途、管路特性、流量变化的不同,应选择不同特性的水泵。

图2.水泵特性曲线对扬程的影响
对于水泵的性能曲线为驼峰型的(如图1. 驼峰型水泵性能曲线所示)。水泵的性能曲线与管网的性能曲线可能有a和b两个交点,而b工况点为不稳定工作点。因此在实际使用中,应尽量避免使系统工作在水泵性能曲线的左支,工作点应选在曲线的下降段,以保证运转工况的稳定。对于供暖与空调的水系统采用量调节的情况,系统内水流量变化较大时,建议尽可能避免选用驼峰型水泵,以防进入非稳定工作区(曲线的左支,上升段),引起流量调节的失灵。

性能曲线平坦的水泵其最大优点是:水泵在较大的流量范围内都能在较高的效率区间内运行,节能效果明显。可满足采暖或空调水系统流量变化时,泵的扬程变化小的特点,使系统运行时,具有良好的水力稳定性,降低水力失调的程度。当系统选用单台水泵或者两台但为一用一备时,则应选用性能曲线较为平坦的水泵(如图2水泵特性曲线对扬程的影响所示)。两台水泵的流量和扬程特性曲线分别为Ⅰ变为Ⅱ,当泵的流量发生变化时,假设管路特性曲线由原来的1变为2,从图中可以看出性能曲线比较平坦的水泵Ⅱ的扬程变化为∆h2,性能曲线比较陡的水泵Ⅰ的扬程变化为∆h1,由图中可以看出∆h1>∆h2。显然从管网的水力稳定性来看选泵Ⅱ优于选泵Ⅰ。
当供暖与空调系统所需的流量及流量的变化量较大,单台水泵的流量或调节量不能达到设计要 图3.水泵性能对并联流量增量的影响
图4.两台性能相同的水泵的并联
求时,可以采用水泵并联运行的方式(如图3.水泵性能对并联流量增量的影响所示)。泵Ⅰ的特性曲线为Ⅰ,较陡,两台并联后的特性曲线为Ⅲ;泵Ⅱ的特性曲线为Ⅱ,较平坦,两台并联后的特性曲线为Ⅳ;管路特性曲线为r。显而易见,泵Ⅰ并联后的流量增量δq1 大于泵Ⅱ并联后的流量增量δq2。因此泵的特性曲线越陡(比转数越大) ,流量增量δq 越大,越适宜于并联工作;反之,泵的特性曲线越平坦(比转数越小),流量增量δq 越小,越不适宜于并联工作。如果选型时不考虑水泵的特性曲线,将会引起并联后流量增量不大,不能通过并联使流量大幅度地提高,也不能通过运行台数的增减有效地调节流量。

3、水泵并联设计的误区
    对于并联水泵的运行有以下两个误区。(1)简单的认为相同型号的水泵并联工作时,总流量成倍增加。(如图4.两台性能相同的水泵的并联所示),Ⅰ为单台水泵的性能曲线,Ⅱ为两台泵Ⅰ并联运行时的性能曲线,1与2为管网的特性曲线。当管网特性曲线为1时,若管网中只有一台水泵工作,工作点在c点,流量为qc;当两台并联时得,qa=2qb,很显然,2qc>qa,因此并联水泵的流量并非成倍增加,如果在选择水泵时误认为其流量成倍增加,将可能导致总流量不能满足要求。另由图中容易看出,当管网的性能曲线为2时,并联后的流量与扬程增加甚小,从节能的观点看,管网性能曲线陡的并不适宜于水泵的并联。(2)实际水泵并联的选型计算中不考虑或者对水泵性能曲线走向考虑不够充分。(如图4所示),泵Ⅰ的特性曲线为Ⅰ,较陡,两台并联后的特性曲线为Ⅲ;泵Ⅱ的特性曲线为Ⅱ,较平坦,两台并联后的特性曲线为Ⅳ;管路特性曲线为r。显而易见,泵Ⅰ并联后的流量增量δq1 大于泵Ⅱ并联后的流量增量δq2。因此泵的特性曲线越陡(比转数越大) ,流量增量δq 越大,越适宜于并联工作;反之,泵的特性曲线越平坦(比转数越小),流量增量δq 越小,越不适宜于并联工作。如果选型时不考虑水泵的特性曲线,将会引起并联后流量增量不大,不能通过并联使流量大幅度地提高,也不能通过运行台数的增减有效地调节流量。
另水泵按并联工况选型,若并联运行时单台泵工作在合理的流量范围内(如图4所示),如果停掉一台泵而不对管路进行调整的话,水泵的实际流量为qc,即单台运行时其流量大于并联运行时的流量(额定流量),甚至出现流量严重超载,水泵所需功率大大增加,电机有烧毁的可能。因此,水泵并联选型时不能仅考虑并联工况,应对单台水泵运行工况进行校核。也可以采取以下措施:
水泵的运行管理人员应在停掉一台机后,将水泵出口阀关小一些,即增大管路的阻抗,使管路特性曲线由1变为2,如果是三台或三台以上的水泵并联,阀门关的应更小一些,使管路特性曲线更陡,让水泵工作在额定流量下。进口水泵所配置的电动机相对于国产水泵普遍小一些,一旦流量大于额定流量,极易损坏电动机。因此,对于水泵运行管理人员来说,了解水泵的特性并正确操作是非常重要的。当然,关小阀门的开度,增加了管道的阻力,甚至阀门造成的压降能够占水泵总扬程的一半以上,水泵的电耗有50%多消耗在了阀门上而不是用来克服管道的阻力,造成了很严重的能量浪费,并没有达到节能的目的。为了易于操作,在满足使用要求的条件下并联水泵的台数不宜太多。
因此,在选定水泵时,除了满足最基本的流量要求及仔细的水力计算外,尽管还要考虑一些影响因素,但绝不是使用所谓的“安全系数”,在满足前提下计算不可太过于保守。
4、冬夏季循环水泵的选择
图5.冬夏管网特性曲线图
相当一部分空调系统是全年运行的,冬季供应热水夏季供应冷水。有些工程在设计过程中只是一味的追求降低所谓的初投资或者因其他原因,没有将冬夏季循环水泵分开设置,而是共用循环水泵,管道采用双管制。但实际是绝大多数建筑物冬季热负荷比夏季冷负荷小,且空调水系统供回水温差夏季一般取5℃,冬季取10℃,管路采用双管制。因此冬季空调循环水流量将是夏季的1/3~1/2,理论上讲冬季水泵的扬程为夏季的1/9~1/4。如用同一组定速泵在冬季则只能通过关小阀门的方法来增加管道的阻力以使系统正常运行,使管道的特性曲线由夏季的Ⅰ变为冬季的Ⅱ(如右图5冬夏管网特性曲线图所示),这必然浪费大量的电能,也提高了对运行管理人员的要求。为节约能源,可考虑设计两组水泵分别供冬夏季使用,利用阀门切换。冬季选用小流量,低扬程的循环水泵,可节省运行费用,也可采用调速泵的运行方式。有的文献提出可根据冬夏季的工况不同而采用直径不等的两套叶轮运行以解决冬夏季水泵的不同要求。

5 结论
5.1 在水泵的选择设计中,应注意水泵的性能曲线及管网的特性曲线对于水泵串并联的影响,水泵扬程的选取应避免随意加大扬程。
5.2根据循环水泵流量变化的特点,在夏季与冬季水量变化很大时,采用分设循环水泵方案,以节约能源,保证系统可靠高效运行。
5.3应加强对于现水泵运行管理人员的培训和再教育,使其真正掌握水泵运行管理的相关操作。

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