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車間安裝負(fù)壓風(fēng)機型離心通風(fēng)機中央空調(diào)工程水泵設(shè)計的若干問題
機號
(NO.)電機轉(zhuǎn)速
(r/min)流量
(m3/h)全壓
(Pa)型號功率
(kw)2.8AY90S-21.529001131～2356994～6063.2AY90L-22.229001688～35171300～792Y90S-41.11450844～1758324～1983.6AY100L-2329002664～52681578～989Y90S-41.114501332～2634393～2474AY135S1-25.529004012～74192014～1320Y90S-41.114502006～3700501～3294.5AY132S2-27.529005712～105622554～1673Y90S-41.114502856～5281634～4165AY160M2-21529007728～154553187～2019Y100L1-42.214503864～7728790～5026AY112M-4414506677～133531139～724Y100L-61.59604420～8841498～3177AY160N-211145010602～212041550～984
1 引言
隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，中央空調(diào)在商業(yè)和民用建筑中越來越普及，其能耗在社會總能耗中所占比例也在不斷上升。暖通空調(diào)工程耗能約占建筑總能耗的65%左右，而在中央空調(diào)工程中，水泵作為為整個水循環(huán)提供動力的裝置，其耗電量在空調(diào)工程耗電量中又占有相當(dāng)?shù)谋戎�，因此，水泵的合理選擇和匹配，是空調(diào)水工程正常運行調(diào)節(jié)、實現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。水泵的選擇主要是依據(jù)空調(diào)工程所需的流量和揚程等來確定的，但在設(shè)計過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)水泵設(shè)計失誤的問題，本文對中央空調(diào)工程水泵設(shè)計的一些問題進行探討。
2 合理選擇水泵的揚程
空調(diào)工程中的水泵總是與特定的管路相連，其工作狀態(tài)點由水泵的性能曲線與管路的特性曲線共同決定（見圖1）。
在設(shè)計空調(diào)水工程時應(yīng)進行必要的水力計算，根據(jù)設(shè)計流量計算出在該流量下管路的阻力，以確保選用水泵的揚程合理。在對流量和揚程乘以一定的安全裕量后，進行水泵的選擇。有些設(shè)計人員未進行設(shè)計計算，認(rèn)為揚程大一些保險，或因選不到合適型號的泵而選用揚程過大的泵，導(dǎo)致所選擇的水泵不能滿足要求，或者造成運行費用增加，甚至水泵不能正常工作，對此我們進行如下分析：
如圖2，曲線I為管路的特性曲線，流量Qa是工程設(shè)計流量，在此流量下，管路的阻力為Ha，即水泵的揚程為Ha，應(yīng)選用性能曲線如圖中曲線1所示的水泵，使工作點落在水泵性能曲線1和管路特性曲線I的交點A上。但若未進行水力計算或為求保險而使所選水泵揚程過大，實際選用了額定流量為Qa，揚程為Hc的性能曲線為2的水泵的話，若不對管路進行調(diào)節(jié)，則水泵的工作點將移至曲線2和I的交點B處，則此時工程中的水流量將大于設(shè)計流量Qa，達到Qb，工程中出現(xiàn)大流量小溫差的工作情況，且由于泵2的揚程大于泵1。其所配電機功率也大，使得能源消耗增多，運行不經(jīng)濟。如某工程，設(shè)計選用離心冷凍機一臺，水流量為181 m3/h，配用兩臺循環(huán)水泵，一用一備，計算得設(shè)計流量下工程最大阻力為24m水柱高度，若采用上海凱泉KQL系列單級立式離心泵的話，可選用KQL150/300-22/4型（水泵參數(shù)見表1），由管路特性曲線和水泵性能曲線可知：水泵的工作點將為流量190m3/h，揚程27m，水泵軸功率19KW；但若認(rèn)為揚程大些保險而選用KQL150/400-45/4（水泵參數(shù)見表1），則作圖可知：水泵的工作點為流量250 m3/h，揚程46m，水泵軸功率44KW，從水泵軸功率的對比可以看出，兩者耗電量相差甚遠。
表1水泵性能參數(shù)
對已配置好電動機的水泵來說，其電動機額定功率是一定的，軸功率隨著水泵的工作狀態(tài)點的變化而變化，當(dāng)流量大于額定流量時，就會出現(xiàn)水泵軸功率大于電動機的額定功率，也就是電動機過載的情況，當(dāng)然，水泵廠為水泵配置電動機會適當(dāng)考慮過載的問題，配置的電動機會大一些，但是，當(dāng)流量增大很多，過載嚴(yán)重的時候，同樣可能出現(xiàn)損壞電動機的情況。
為了保證流量等于設(shè)計流量Qa，則應(yīng)改變管路的特性曲線，通過關(guān)小水泵出口的閥門，使管路特性曲線由I變?yōu)镮I，使水泵的工作點落在曲線2和II的交點C處，此時流量Qc=Qa，揚程Hc>Ha，這種做法可以使工程流量滿足要求，且電動機不發(fā)生過載現(xiàn)象。根據(jù)泵的軸功率N=γQH/η（式中N為泵的軸功率W，γ為輸送液體的容重N/m3, Q為流量m3/S，H為揚程m，η為效率），水泵的一部分功率由于閥門的節(jié)流阻力ΔH=Hc-Ha而浪費，加大了能量的損失，這是非常不經(jīng)濟的。同樣以上例來說明，如果選用了KQL150/400-45/4型水泵，為使流量保持設(shè)計流量181 m3/h，則應(yīng)通過調(diào)節(jié)閥門改變管路特性曲線，使水泵的工作點落在流量181 m3/h，揚程51m的點上，此時水泵軸功率為34W，閥門上消耗的阻力為51-24=27m，能量浪費嚴(yán)重。
另外，由于國產(chǎn)閥門調(diào)節(jié)性能較差，很難平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水泵的揚程。有可能出現(xiàn)閥門開大一些，電動機就過載，而關(guān)小一些流量就不夠的情況。
3 冬夏季水泵的選取
很多空調(diào)設(shè)計都是冬夏兩用的，即隨著季節(jié)的變化，為盤管供應(yīng)冷水或熱水。冬季熱負(fù)荷一般比夏季冷負(fù)荷小，且空調(diào)水工程供回水溫差夏季一般取5℃，冬季取10℃，根據(jù)空調(diào)水工程循環(huán)流量計算公式G=0.86Q/ΔT（式中Q為空調(diào)負(fù)荷KW，ΔT為水工程溫差℃，G為水工程循環(huán)流量m3/h），則夏季空調(diào)循環(huán)水流量將是冬季的2-3倍。假設(shè)冬季流量為夏季流量的1/3，工程設(shè)計采用雙管制工程，即管路特性曲線冬夏季是一致的，由H=SQ2，得到H1/H2=Q12/ Q22，則冬季水泵流量為夏季的1/3，揚程為夏季的1/9。如用同一組定速泵則只能通過關(guān)小閥門的方法使工程正常運行，如圖3所示，為保證冬季的流量，則應(yīng)將管路特性曲線由夏季的I調(diào)整為冬季的II，這必然 浪費大量的電能。為節(jié)約能源，可考慮設(shè)計兩組定速泵分別供冬夏季使用，也可采用調(diào)速泵的運行方式。如果設(shè)計中冬季用泵和夏季用泵分別設(shè)置,并聯(lián)運行，冬季工況運行低揚程泵，將獲得顯著的節(jié)能效果。如某大廈冬夏季計算負(fù)荷分別為840KW和1002KW，循環(huán)水溫度夏季為7/12℃，冬季為60/50℃，循環(huán)水量夏季180 m3/h，冬季80 m3/h，夏季最不利環(huán)路損失為230KPa，根據(jù)公式H1/H2=Q12/ Q22，可得冬季的最大損失為45.4 KPa，現(xiàn)采用兩種設(shè)計方案：方案一是冬夏季不同負(fù)荷及部分負(fù)荷時共用循環(huán)水泵，采用三臺KQL100/150-11/2型號泵（水泵參數(shù)見表2），夏季兩用一備，冬季運行時只需一臺泵的流量就能滿足要求，而水泵的揚程遠大于實際所需的壓頭，只能靠關(guān)小閥門來消耗掉。方案二是冬夏季分設(shè)不同的水泵并聯(lián)，采用閥門切換，此工程冬季用泵可選擇KQL80/90-2.2/2型號泵（水泵參數(shù)見表2）三臺，兩用一備。
表2兩種方案水泵設(shè)置情況
冬夏共用泵組冬夏分設(shè)泵組
夏季KQL100/150-11/2(兩臺工作)
流量93.5m3/h，揚程28m，電機功率11KWKQL100/150-11/2
（兩臺工作）
冬季KQL100/150-11/2
（一臺工作）KQL80/90-2.2/2（兩臺工作）
流量44.7m3/h，揚程10m，電機功率2.2KW 設(shè)空調(diào)工程全年冬季運行時間為600小時，若采用方案一，則整個冬季水泵運行耗電為11×600=6600KW•h，方案二為2.2×2×600=2640 KW•h，兩者相差3960 KW•h，設(shè)電價為0.90元/ KW•h，則一年的運行費用將節(jié)省3564元。可見，冬季選用小流量，低揚程的循環(huán)水泵可降低耗電量，節(jié)省運行費用，但冬夏季采用兩組循環(huán)泵或采用調(diào)速泵會增加初投資，因此，實際空調(diào)水工程泵組方案的選擇要根據(jù)實際條件通過綜合經(jīng)濟比較確定，一般回收年限以2-3年為宜。除分設(shè)泵組及采用調(diào)速泵的方案外，文獻4還提出可通過計算，將水泵內(nèi)的葉輪經(jīng)車床進行精確切割。從而改變水泵的性能特性，因此，還可根據(jù)冬夏季的工況不同而采用直徑不等的兩套葉輪運行以解決冬夏季對水泵要求不同的問題。
4 多臺水泵并聯(lián)的設(shè)計與運行
一般工程項目中配置的冷水機組都在2至4臺之間，對于規(guī)模很大的工程項目，甚至需要5臺以上的冷水機組并聯(lián)工作。制冷站內(nèi)的主機與水泵的匹配一般來說是一機對一泵，以保證冷水機組的水流量及正常運行，因此，目前我國空調(diào)水工程大多為有2臺或2臺以上水泵并聯(lián)的定流量工程或一次泵變流量工程�？照{(diào)設(shè)計時，都是按最大負(fù)荷情況來進行設(shè)備選擇以保證最不利情況時的需要。在實際運行中，空調(diào)負(fù)荷變化很大，不僅隨季節(jié)變化，而且一天24小時都在變，絕大多數(shù)時間空調(diào)設(shè)備是在低于額定值情況下運行，設(shè)計的高峰負(fù)荷出現(xiàn)的時間很短，也就是說，空調(diào)水工程經(jīng)常只有部分水泵工作，或只有單臺水泵工作，這將引起水泵的軸功率也發(fā)生較大的變化，甚至?xí)斐伤秒妱訖C過載，如圖4所示。
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(kw)2.8AY90S-21.529001131～2356994～6063.2AY90L-22.229001688～35171300～792Y90S-41.11450844～1758324～1983.6AY100L-2329002664～52681578～989Y90S-41.114501332～2634393～2474AY135S1-25.529004012～74192014～1320Y90S-41.114502006～3700501～3294.5AY132S2-27.529005712～105622554～1673Y90S-41.114502856～5281634～4165AY160M2-21529007728～154553187～2019Y100L1-42.214503864～7728790～5026AY112M-4414506677～133531139～724Y100L-61.59604420～8841498～3177AY160N-211145010602～212041550～984
1 引言
隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，中央空調(diào)在商業(yè)和民用建筑中越來越普及，其能耗在社會總能耗中所占比例也在不斷上升。暖通空調(diào)工程耗能約占建筑總能耗的65%左右，而在中央空調(diào)工程中，水泵作為為整個水循環(huán)提供動力的裝置，其耗電量在空調(diào)工程耗電量中又占有相當(dāng)?shù)谋戎�，因此，水泵的合理選擇和匹配，是空調(diào)水工程正常運行調(diào)節(jié)、實現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。水泵的選擇主要是依據(jù)空調(diào)工程所需的流量和揚程等來確定的，但在設(shè)計過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)水泵設(shè)計失誤的問題，本文對中央空調(diào)工程水泵設(shè)計的一些問題進行探討。
2 合理選擇水泵的揚程
空調(diào)工程中的水泵總是與特定的管路相連，其工作狀態(tài)點由水泵的性能曲線與管路的特性曲線共同決定（見圖1）。
在設(shè)計空調(diào)水工程時應(yīng)進行必要的水力計算，根據(jù)設(shè)計流量計算出在該流量下管路的阻力，以確保選用水泵的揚程合理。在對流量和揚程乘以一定的安全裕量后，進行水泵的選擇。有些設(shè)計人員未進行設(shè)計計算，認(rèn)為揚程大一些保險，或因選不到合適型號的泵而選用揚程過大的泵，導(dǎo)致所選擇的水泵不能滿足要求，或者造成運行費用增加，甚至水泵不能正常工作，對此我們進行如下分析：
如圖2，曲線I為管路的特性曲線，流量Qa是工程設(shè)計流量，在此流量下，管路的阻力為Ha，即水泵的揚程為Ha，應(yīng)選用性能曲線如圖中曲線1所示的水泵，使工作點落在水泵性能曲線1和管路特性曲線I的交點A上。但若未進行水力計算或為求保險而使所選水泵揚程過大，實際選用了額定流量為Qa，揚程為Hc的性能曲線為2的水泵的話，若不對管路進行調(diào)節(jié)，則水泵的工作點將移至曲線2和I的交點B處，則此時工程中的水流量將大于設(shè)計流量Qa，達到Qb，工程中出現(xiàn)大流量小溫差的工作情況，且由于泵2的揚程大于泵1。其所配電機功率也大，使得能源消耗增多，運行不經(jīng)濟。如某工程，設(shè)計選用離心冷凍機一臺，水流量為181 m3/h，配用兩臺循環(huán)水泵，一用一備，計算得設(shè)計流量下工程最大阻力為24m水柱高度，若采用上海凱泉KQL系列單級立式離心泵的話，可選用KQL150/300-22/4型（水泵參數(shù)見表1），由管路特性曲線和水泵性能曲線可知：水泵的工作點將為流量190m3/h，揚程27m，水泵軸功率19KW；但若認(rèn)為揚程大些保險而選用KQL150/400-45/4（水泵參數(shù)見表1），則作圖可知：水泵的工作點為流量250 m3/h，揚程46m，水泵軸功率44KW，從水泵軸功率的對比可以看出，兩者耗電量相差甚遠。
表1水泵性能參數(shù)
對已配置好電動機的水泵來說，其電動機額定功率是一定的，軸功率隨著水泵的工作狀態(tài)點的變化而變化，當(dāng)流量大于額定流量時，就會出現(xiàn)水泵軸功率大于電動機的額定功率，也就是電動機過載的情況，當(dāng)然，水泵廠為水泵配置電動機會適當(dāng)考慮過載的問題，配置的電動機會大一些，但是，當(dāng)流量增大很多，過載嚴(yán)重的時候，同樣可能出現(xiàn)損壞電動機的情況。
為了保證流量等于設(shè)計流量Qa，則應(yīng)改變管路的特性曲線，通過關(guān)小水泵出口的閥門，使管路特性曲線由I變?yōu)镮I，使水泵的工作點落在曲線2和II的交點C處，此時流量Qc=Qa，揚程Hc>Ha，這種做法可以使工程流量滿足要求，且電動機不發(fā)生過載現(xiàn)象。根據(jù)泵的軸功率N=γQH/η（式中N為泵的軸功率W，γ為輸送液體的容重N/m3, Q為流量m3/S，H為揚程m，η為效率），水泵的一部分功率由于閥門的節(jié)流阻力ΔH=Hc-Ha而浪費，加大了能量的損失，這是非常不經(jīng)濟的。同樣以上例來說明，如果選用了KQL150/400-45/4型水泵，為使流量保持設(shè)計流量181 m3/h，則應(yīng)通過調(diào)節(jié)閥門改變管路特性曲線，使水泵的工作點落在流量181 m3/h，揚程51m的點上，此時水泵軸功率為34W，閥門上消耗的阻力為51-24=27m，能量浪費嚴(yán)重。
另外，由于國產(chǎn)閥門調(diào)節(jié)性能較差，很難平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水泵的揚程。有可能出現(xiàn)閥門開大一些，電動機就過載，而關(guān)小一些流量就不夠的情況。
3 冬夏季水泵的選取
很多空調(diào)設(shè)計都是冬夏兩用的，即隨著季節(jié)的變化，為盤管供應(yīng)冷水或熱水。冬季熱負(fù)荷一般比夏季冷負(fù)荷小，且空調(diào)水工程供回水溫差夏季一般取5℃，冬季取10℃，根據(jù)空調(diào)水工程循環(huán)流量計算公式G=0.86Q/ΔT（式中Q為空調(diào)負(fù)荷KW，ΔT為水工程溫差℃，G為水工程循環(huán)流量m3/h），則夏季空調(diào)循環(huán)水流量將是冬季的2-3倍。假設(shè)冬季流量為夏季流量的1/3，工程設(shè)計采用雙管制工程，即管路特性曲線冬夏季是一致的，由H=SQ2，得到H1/H2=Q12/ Q22，則冬季水泵流量為夏季的1/3，揚程為夏季的1/9。如用同一組定速泵則只能通過關(guān)小閥門的方法使工程正常運行，如圖3所示，為保證冬季的流量，則應(yīng)將管路特性曲線由夏季的I調(diào)整為冬季的II，這必然 浪費大量的電能。為節(jié)約能源，可考慮設(shè)計兩組定速泵分別供冬夏季使用，也可采用調(diào)速泵的運行方式。如果設(shè)計中冬季用泵和夏季用泵分別設(shè)置,并聯(lián)運行，冬季工況運行低揚程泵，將獲得顯著的節(jié)能效果。如某大廈冬夏季計算負(fù)荷分別為840KW和1002KW，循環(huán)水溫度夏季為7/12℃，冬季為60/50℃，循環(huán)水量夏季180 m3/h，冬季80 m3/h，夏季最不利環(huán)路損失為230KPa，根據(jù)公式H1/H2=Q12/ Q22，可得冬季的最大損失為45.4 KPa，現(xiàn)采用兩種設(shè)計方案：方案一是冬夏季不同負(fù)荷及部分負(fù)荷時共用循環(huán)水泵，采用三臺KQL100/150-11/2型號泵（水泵參數(shù)見表2），夏季兩用一備，冬季運行時只需一臺泵的流量就能滿足要求，而水泵的揚程遠大于實際所需的壓頭，只能靠關(guān)小閥門來消耗掉。方案二是冬夏季分設(shè)不同的水泵并聯(lián)，采用閥門切換，此工程冬季用泵可選擇KQL80/90-2.2/2型號泵（水泵參數(shù)見表2）三臺，兩用一備。
表2兩種方案水泵設(shè)置情況
冬夏共用泵組冬夏分設(shè)泵組
夏季KQL100/150-11/2(兩臺工作)
流量93.5m3/h，揚程28m，電機功率11KWKQL100/150-11/2
（兩臺工作）
冬季KQL100/150-11/2
（一臺工作）KQL80/90-2.2/2（兩臺工作）
流量44.7m3/h，揚程10m，電機功率2.2KW 設(shè)空調(diào)工程全年冬季運行時間為600小時，若采用方案一，則整個冬季水泵運行耗電為11×600=6600KW•h，方案二為2.2×2×600=2640 KW•h，兩者相差3960 KW•h，設(shè)電價為0.90元/ KW•h，則一年的運行費用將節(jié)省3564元。可見，冬季選用小流量，低揚程的循環(huán)水泵可降低耗電量，節(jié)省運行費用，但冬夏季采用兩組循環(huán)泵或采用調(diào)速泵會增加初投資，因此，實際空調(diào)水工程泵組方案的選擇要根據(jù)實際條件通過綜合經(jīng)濟比較確定，一般回收年限以2-3年為宜。除分設(shè)泵組及采用調(diào)速泵的方案外，文獻4還提出可通過計算，將水泵內(nèi)的葉輪經(jīng)車床進行精確切割。從而改變水泵的性能特性，因此，還可根據(jù)冬夏季的工況不同而采用直徑不等的兩套葉輪運行以解決冬夏季對水泵要求不同的問題。
4 多臺水泵并聯(lián)的設(shè)計與運行
一般工程項目中配置的冷水機組都在2至4臺之間，對于規(guī)模很大的工程項目，甚至需要5臺以上的冷水機組并聯(lián)工作。制冷站內(nèi)的主機與水泵的匹配一般來說是一機對一泵，以保證冷水機組的水流量及正常運行，因此，目前我國空調(diào)水工程大多為有2臺或2臺以上水泵并聯(lián)的定流量工程或一次泵變流量工程�？照{(diào)設(shè)計時，都是按最大負(fù)荷情況來進行設(shè)備選擇以保證最不利情況時的需要。在實際運行中，空調(diào)負(fù)荷變化很大，不僅隨季節(jié)變化，而且一天24小時都在變，絕大多數(shù)時間空調(diào)設(shè)備是在低于額定值情況下運行，設(shè)計的高峰負(fù)荷出現(xiàn)的時間很短，也就是說，空調(diào)水工程經(jīng)常只有部分水泵工作，或只有單臺水泵工作，這將引起水泵的軸功率也發(fā)生較大的變化，甚至?xí)斐伤秒妱訖C過載，如圖4所示。
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