区域集中供冷系统水泵节能运行分析

唐 伟，李 睿，吴 爽，金 旭，杨 迪，刘忠彦，洪文鹏

(1.珠海横琴能源发展有限公司，广东 珠海 519015；2.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

当前，我国面临着气候变化、环境恶化、能源消耗增加等一系列生态问题[1].根据《2015年中国统计年鉴》，我国能源利用水平和能源消费特点仍存在高能耗、低效率、严重浪费等现象，因此应提高能源利用效率，节省能源.以2013年为例，平均每天用电量为1.485亿千瓦时，输电效率为43.12%[2].工程人员往往按照设计条件，通过插值法进行水泵的选型，但普遍存在循环水泵容量偏大，致使循环流量与压力过大，导致耗电量偏大的现象[3].在实际工程中为了满足用户流量的需求，常采用水泵联合工作的方式，诸多学者进行了研究.哈尔滨工业大学的左行涛[4]、王昭俊[5]分别利用最小二乘法，对循环水泵的性能曲线进行拟合，得出循环水泵的性能曲线回归方程，及水泵并联运行的数学模型.东北电力大学于坤[6]提出了在给定流量小于单台循环水泵能够提供最大流量时，两台并联水泵可能有的多种运行方案.北方交通大学于洁[7]对采暖循环水泵的性能数据进行曲线拟合，由曲线反映出水泵的真正运行状况，并分析和比较了使用单台水泵、两台水泵并联或三台水泵并联三种不同情况下的水力工况.

文献[8]所述，针对我国内地和香港特别行政区共39座建筑进行了调研，发现冷冻水泵全年能耗与中央空调制冷站全年能耗之比大多集中在10%～20%之间.由此可见，冷冻水泵能耗是空调系统能耗的重要组成部分，且冷冻水泵的选型过大几乎是冷冻水系统的一个通病[9].本文针对目前管网变频改造存在的上述问题，通过最小二乘法对水泵性能曲线进行拟合，分析不同负荷率下水泵运行特性，探讨其最佳运行方式及最优节能方式.

1 水泵拟合曲线

水泵是管网系统中的主要设备，合理选择水泵型号是管网设计中的重要环节，在进行管网系统经济性分析时，需要重点考虑水泵的耗电量.本文主要采用最小二乘法进行水泵性能曲线的拟合，计算出两台、三台、四台水泵的公式，生成相应的性能曲线，为后续管网节能分析做铺垫.

表1 水泵 Q-H 曲线数据

水泵的Q-H性能曲线目前常采用二次回归方程来描述.根据珠海横琴某公司所提供的资料，以横琴供冷管网西侧为例，从型号为350×250CNHC5110的水泵Q-H性能曲线上得到的8 组查询点的数据，如表1所示，并根据这些数据拟合出了Q-H 曲线二次回归方程如下所示：

H=(-1×10-5)Q2-0.001 1Q+45，

(1)

公式中：Q为水泵流量，m3/h；H为水泵扬程，mH2O.

实际工程中常采用多台水泵联合的运行方式，并联水泵组的Q-H 曲线，只要保持各台水泵Q-H 曲线上纵坐标相等，各点的横坐标相加，便可得到其并联水泵的特性曲线，因此，两台、三台、四台水泵并联运行的公式为

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 水泵变频控制原理

水泵变频水泵系统通常由变频器、电动机和水泵组成.系统的综合效率η为变频器、电动机、水泵三者效率的乘积，计算公式为：

(5)

公式中：η为综合效率；ηvfd为电动机效率；ηm为变频器效率；ηp为水泵效率；a为水泵并联台数.

在变频情况下假定各个电机变化规律一致，电动机效率，变频器效率计算公式[10-11]为

ηm=0.94187(1-e-9.04x)，

(6)

ηvfd=0.506 7+1.283x+1.42x2+0.584 2x3，

(7)

变速运行条件下，水泵在全相似工况下运行，其流量、扬程与转速满足相似律，即

(8)

公式中：Q为额定转速下的水泵流量，m3/s；Qi为某转速下的水泵流量，m3/s；n为额定转速，r/min；ni为某转速，r/min.

变频器的总输出功率为

(9)

公式中：g为水的比重，N/m3；N为水泵的输出功率 (即有效功率)，kW.

针对不同负荷率，代入上述公式，可得变频水泵的综合效率如表2所示.从表2可看出：当变频泵的负荷率低于30%时，随着变频器，交流电动机频率的急剧下降，变频水泵的综合效率也下降，长期低速运行容易导致电动机烧坏，严重缩短水泵的使用期限，因此在系统运行时，应保持高负荷率运行，其综合效率也越高，更有利于节能.

表2 变频水泵部分负荷下的综合效率

3 循环水泵能耗计算和节能分析

本项目位于珠海市横琴新区，横琴新区3#站总供冷面积为49.88万m2，冷站分为南、北、西三侧进行供冷，其中南侧供冷面积为17.94万m2，循环水泵选用型号为350×250CNHC5110，设计流量为920 m3/h，扬程40 mH2O；北侧供冷面积为22.38万m2，循环水泵选用型号为350×250CNHC5220，设计流量为1340 m3/h，扬程为45 mH2O；西侧供冷面积为9.55万m2，循环水泵选用型号为350×250CNHC5110，设计流量为890 m3/h，扬程为35 mH2O.设计工况下管路特性曲线方程可表示为

H=SQ2=8×10-6Q2.

(10)

横琴3#冷站供冷系统平面图如图1所示.图1中红色实线为管网分布，紫色区域为管网南侧用户，蓝色区域为管网北侧用户，黄色区域为管网西侧用户.

图1 横琴3#站供冷管网平面图图2 不同负荷率下水泵运行综合效率

以西侧管网为例，对其水泵运行情况进行分析：

根据式(5)，分别计算单台水泵与多台水泵并联运行的综合效率.其中典型变频器效率ηvfd和典型电机效率ηm均由表2查得.

不同负荷率下水泵运行综合效率，如图2所示.由图2可知，综合效率随系统的负荷率下降而下降，对于单台水泵、二台水泵并联运行、三台水泵并联运行工况，当系统的负荷率下降到60%，水泵的综合效率开始急速下降；而对于四台水泵并联运行工况，其综合效率一直相对较低，且平稳下降.在相同的系统负荷率下，单台水泵的运行效率比二台并联水泵的运行效率平均高 15.74%，比三台并联水泵的运行效率平均高 25.58%，比四台并联水泵的运行效率平均高44.33%.

根据文中的拟合的水泵性能公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)绘制水泵性能曲线如图 3所示，水泵性能曲线与管网特性曲线相交的点为水泵运行的工况点.其中图3(a)的管网负荷率为65%，图(b)的管网负荷率为35%.

在管网负荷率为65%时，单台水泵运行和二台水泵并联不能满足系统所需负荷.当三台水泵并联运行时，水泵的转速为额定转速的83.3%；当四台水泵并联时，水泵的转速为额定转速的74.6%.根据公式(9)计算可得，三台水泵并联运行总功率为 365.22 kW，四台水泵并联运行的总功率为1 543.38 kW，三台水泵并联运行的总功率明显低于四台水泵并联运行的总功率.

在管网负荷率为35%时，单台水泵运行不能满足系统所需负荷.当二台水泵并联运行时，水泵的转速为额定转速的69.7%；当三台水泵并联运行时，水泵的转速为额定转速的53.5%；当四台水泵并联时，水泵的转速为额定转速的47.9%.根据公式(9)计算可得，两台水泵并联运行功率为 86.92 k W；三台水泵并联运行的总功率为 186.18 k W，三台水泵并联运行的总功率为 1189.42 k W，采用两台水泵并联运行总功率明显低于三台、四台水泵并联运行的总功率.

4 结 论

在供冷系统中，当冷用户增加时，原有的冷源供给能量不足，为了满足用户日益增大的冷负荷需求，可以通过更换成更大的冷水机组或者并联其他的冷水机组来实现供需平衡.当目标流量一定时，系统初始工况对能耗影响较大.在分析变频泵节能率时，需要明确节能率的计算基点，确定最优运行方案.

因此，本文分析不同负荷率下，管网水泵运行情况，探究最优运行方式，结果表明：水泵变频综合效率随着负荷率的降低而降低；在相同的负荷率、满足流量的前提下，并联水泵台数越少其综合效率越高.当系统计算流量小于三台水泵的额定流量时，采用三台水泵变频比采用四台水泵并联变频运行要节能，当系统计算流量小于两台水泵的额定流量时，采用两台水泵变频比采用三、四台水泵并联变频运行要节能.