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.東北電力大學能源與動力工程學院,吉林 吉林 132012)
當前,我國面臨著氣候變化、環(huán)境惡化、能源消耗增加等一系列生態(tài)問題[1].根據(jù)《2015年中國統(tǒng)計年鑒》,我國能源利用水平和能源消費特點仍存在高能耗、低效率、嚴重浪費等現(xiàn)象,因此應提高能源利用效率,節(jié)省能源.以2013年為例,平均每天用電量為1.485億千瓦時,輸電效率為43.12%[2].工程人員往往按照設計條件,通過插值法進行水泵的選型,但普遍存在循環(huán)水泵容量偏大,致使循環(huán)流量與壓力過大,導致耗電量偏大的現(xiàn)象[3].在實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,諸多學者進行了研究.哈爾濱工業(yè)大學的左行濤[4]、王昭俊[5]分別利用最小二乘法,對循環(huán)水泵的性能曲線進行擬合,得出循環(huán)水泵的性能曲線回歸方程,及水泵并聯(lián)運行的數(shù)學模型.東北電力大學于坤[6]提出了在給定流量小于單臺循環(huán)水泵能夠提供最大流量時,兩臺并聯(lián)水泵可能有的多種運行方案.北方交通大學于潔[7]對采暖循環(huán)水泵的性能數(shù)據(jù)進行曲線擬合,由曲線反映出水泵的真正運行狀況,并分析和比較了使用單臺水泵、兩臺水泵并聯(lián)或三臺水泵并聯(lián)三種不同情況下的水力工況.
文獻[8]所述,針對我國內(nèi)地和香港特別行政區(qū)共39座建筑進行了調(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,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大幾乎是冷凍水系統(tǒng)的一個通病[9].本文針對目前管網(wǎng)變頻改造存在的上述問題,通過最小二乘法對水泵性能曲線進行擬合,分析不同負荷率下水泵運行特性,探討其最佳運行方式及最優(yōu)節(jié)能方式.
水泵是管網(wǎng)系統(tǒng)中的主要設備,合理選擇水泵型號是管網(wǎng)設計中的重要環(huán)節(jié),在進行管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟性分析時,需要重點考慮水泵的耗電量.本文主要采用最小二乘法進行水泵性能曲線的擬合,計算出兩臺、三臺、四臺水泵的公式,生成相應的性能曲線,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)西側為例,從型號為350×250CNHC5110的水泵Q-H性能曲線上得到的8 組查詢點的數(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為水泵揚程,mH2O.
實際工程中常采用多臺水泵聯(lián)合的運行方式,并聯(lián)水泵組的Q-H 曲線,只要保持各臺水泵Q-H 曲線上縱坐標相等,各點的橫坐標相加,便可得到其并聯(lián)水泵的特性曲線,因此,兩臺、三臺、四臺水泵并聯(lián)運行的公式為
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)
水泵變頻水泵系統(tǒng)通常由變頻器、電動機和水泵組成.系統(tǒng)的綜合效率η為變頻器、電動機、水泵三者效率的乘積,計算公式為:
(5)
公式中:η為綜合效率;ηvfd為電動機效率;ηm為變頻器效率;ηp為水泵效率;a為水泵并聯(lián)臺數(shù).
在變頻情況下假定各個電機變化規(guī)律一致,電動機效率,變頻器效率計算公式[10-11]為
ηm=0.94187(1-e-9.04x),
(6)
ηvfd=0.506 7+1.283x+1.42x2+0.584 2x3,
(7)
變速運行條件下,水泵在全相似工況下運行,其流量、揚程與轉(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.
針對不同負荷率,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:當變頻泵的負荷率低于30%時,隨著變頻器,交流電動機頻率的急劇下降,變頻水泵的綜合效率也下降,長期低速運行容易導致電動機燒壞,嚴重縮短水泵的使用期限,因此在系統(tǒng)運行時,應保持高負荷率運行,其綜合效率也越高,更有利于節(jié)能.
表2 變頻水泵部分負荷下的綜合效率
本項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m2,冷站分為南、北、西三側進行供冷,其中南側供冷面積為17.94萬m2,循環(huán)水泵選用型號為350×250CNHC5110,設計流量為920 m3/h,揚程40 mH2O;北側供冷面積為22.38萬m2,循環(huán)水泵選用型號為350×250CNHC5220,設計流量為1340 m3/h,揚程為45 mH2O;西側供冷面積為9.55萬m2,循環(huán)水泵選用型號為350×250CNHC5110,設計流量為890 m3/h,揚程為35 mH2O.設計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中紅色實線為管網(wǎng)分布,紫色區(qū)域為管網(wǎng)南側用戶,藍色區(qū)域為管網(wǎng)北側用戶,黃色區(qū)域為管網(wǎng)西側用戶.
圖1 橫琴3#站供冷管網(wǎng)平面圖圖2 不同負荷率下水泵運行綜合效率
以西側管網(wǎng)為例,對其水泵運行情況進行分析:
根據(jù)式(5),分別計算單臺水泵與多臺水泵并聯(lián)運行的綜合效率.其中典型變頻器效率ηvfd和典型電機效率ηm均由表2查得.
不同負荷率下水泵運行綜合效率,如圖2所示.由圖2可知,綜合效率隨系統(tǒng)的負荷率下降而下降,對于單臺水泵、二臺水泵并聯(lián)運行、三臺水泵并聯(lián)運行工況,當系統(tǒng)的負荷率下降到60%,水泵的綜合效率開始急速下降;而對于四臺水泵并聯(lián)運行工況,其綜合效率一直相對較低,且平穩(wěn)下降.在相同的系統(tǒng)負荷率下,單臺水泵的運行效率比二臺并聯(lián)水泵的運行效率平均高 15.74%,比三臺并聯(lián)水泵的運行效率平均高 25.58%,比四臺并聯(lián)水泵的運行效率平均高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)特性曲線相交的點為水泵運行的工況點.其中圖3(a)的管網(wǎng)負荷率為65%,圖(b)的管網(wǎng)負荷率為35%.
在管網(wǎng)負荷率為65%時,單臺水泵運行和二臺水泵并聯(lián)不能滿足系統(tǒng)所需負荷.當三臺水泵并聯(lián)運行時,水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的83.3%;當四臺水泵并聯(lián)時,水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的74.6%.根據(jù)公式(9)計算可得,三臺水泵并聯(lián)運行總功率為 365.22 kW,四臺水泵并聯(lián)運行的總功率為1 543.38 kW,三臺水泵并聯(lián)運行的總功率明顯低于四臺水泵并聯(lián)運行的總功率.
在管網(wǎng)負荷率為35%時,單臺水泵運行不能滿足系統(tǒng)所需負荷.當二臺水泵并聯(lián)運行時,水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的69.7%;當三臺水泵并聯(lián)運行時,水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的53.5%;當四臺水泵并聯(lián)時,水泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的47.9%.根據(jù)公式(9)計算可得,兩臺水泵并聯(lián)運行功率為 86.92 k W;三臺水泵并聯(lián)運行的總功率為 186.18 k W,三臺水泵并聯(lián)運行的總功率為 1189.42 k W,采用兩臺水泵并聯(lián)運行總功率明顯低于三臺、四臺水泵并聯(lián)運行的總功率.
在供冷系統(tǒng)中,當冷用戶增加時,原有的冷源供給能量不足,為了滿足用戶日益增大的冷負荷需求,可以通過更換成更大的冷水機組或者并聯(lián)其他的冷水機組來實現(xiàn)供需平衡.當目標流量一定時,系統(tǒng)初始工況對能耗影響較大.在分析變頻泵節(jié)能率時,需要明確節(jié)能率的計算基點,確定最優(yōu)運行方案.
因此,本文分析不同負荷率下,管網(wǎng)水泵運行情況,探究最優(yōu)運行方式,結果表明:水泵變頻綜合效率隨著負荷率的降低而降低;在相同的負荷率、滿足流量的前提下,并聯(lián)水泵臺數(shù)越少其綜合效率越高.當系統(tǒng)計算流量小于三臺水泵的額定流量時,采用三臺水泵變頻比采用四臺水泵并聯(lián)變頻運行要節(jié)能,當系統(tǒng)計算流量小于兩臺水泵的額定流量時,采用兩臺水泵變頻比采用三、四臺水泵并聯(lián)變頻運行要節(jié)能.