水泵并联选型及节能运行相关问题探讨.pdf

1、基金项目：北京市“供热、供燃气通风与空调工程”重点实验室开放课题，KF200705 1 水泵并联选型及节能运行相关问题探讨 北京建筑工程学院 许淑惠 王哲斌 严颖 摘要 根据冷热水系统的流量及系统最不利阻力损失的特点，从管路性能曲线和水泵性能曲线，分析循环水泵并联特点、选型方法，特别分析并联水泵选型过程中需关注的问题：一是水泵流量和扬程附加量的合理取值；二是并联水泵系统部分负荷采用一台水泵运行时，水泵的运行效率和电机超载性。从满足工况要求和节能的角度，按照闭式水系统和开式水系统管路特性的各自特点，分别用计算实例说明不同水泵系统变频节能调速的计算方法、特点以及注意的事项。进一步分析并联水泵变频调

2、速系统的形式、特点及适应性问题，为并联水泵系统的设计计算及节能运行分析提供了参考。关键词 水泵 选型 并联 变频调速 节能 我国目前城镇民用建筑运行耗电占我国总发电量的 2224。北方地区城镇供暖消耗的燃煤占我国非发电量用煤量的 1518，建筑运行消耗的能源占全国商品能源 2124。其中大型公共建筑供暖空调电力消耗中，6070由输送和分配冷量热量的风机水泵所消耗1。风机水泵能耗过高的主要原因：一是绝大多数最高效率可达 7080风机水泵实测运行效率仅为 3050，原因是设计和设备选择时无正确的设计与选择方法，使风机和管网不匹配；二是实现热量冷量分配时，依赖大量阀门实现调节，一半以上的能耗消耗在阀

3、门上；三是输送热量冷量的循环水泵的供回水温度小于设计温度1。针对以上的主要问题，本文探讨供热供冷系统中水泵的并联选型方法，讨论在选型过程中需要注意的问题，进一步分析并联水泵在运行中采用变频节能调节的计算方法、特点及适应性问题。1 水泵并联系统特点及水泵并联选型方法水泵并联系统特点及水泵并联选型方法 1.1 水泵并联系统特点水泵并联系统特点 供热供冷系统往往有如下特点：随着各系统的负荷不同，需要流量具有很大的调节范围，例如流量需要从每小时数吨调节为每小时数十吨甚至几百吨，而系统的最不利阻力损失通常在 15m40m 之间，因此系统要求在运行过程中，系统阻力损失变化不大的情况下流量可以大幅度变化。闭

4、式循环水系统管路性能曲线方程为 HSQ2，开式水系统管路性能曲线方程为 Hh+SQ2，其中 S是水系统的管路阻抗，其综合反映管路上沿程阻力和局部阻力情况，工程中简化分析时，当管路确定后，一般取管路阻抗为一常数2。H QQ1 Q4 Q2 Q5 Q3 Q6 6 5 4 1 2 3 HQ QD QC QA C D A HC HA 图 1 在不同阻抗管路中并联水泵工作点的变化 图 2 并联水泵的工作点和工况点 以闭式循环水系统为例，如图 1 所示，、和分别为管路阻抗为 S1、S2、S3的管路性能曲线，其中有 S1S2S3；和分别为单台水泵的性能曲线和两台同型号水泵并联后的性能曲线，1、2、3 点分别为

5、单台水泵在、和管路性能曲线管路中的工作点，4、5、6 分别为两台同型号水泵并联后在、和管路性能曲线管路中的工作点。从图中可以看出，管路阻抗为 S1、S2、S3的水系统水泵并联后流量增加分别为Q1Q4Q1、Q2Q5Q2和Q3Q6Q3，而有Q1Q2QD，因此要求设计人员要校核在 A 点工作时电机是否超载？设计中还须考虑 A 点工作时水泵的效率是否处于高效区范围？2 水泵运行中变频调速水泵运行中变频调速 2.1 单台水泵运行时变频调速单台水泵运行时变频调速 当水系统处于部分负荷运行时，需要降低水系统的流量，最简单的办法是调节水泵出口的阀门，通过增大管路的阻抗而降低流量，这种方法操作简单，能耗很大。目

6、前节能的方法是采用变频器改变水泵的转速来调节系统的流量。按照相似律，转速由 n1调节为 n2，水泵的工况点由点 1 调节为点 2，若点 1 点和点 2 点是相似工况点，则效率相等，且有 111132222nHQNnHQN=（1）式中 N1和 N2分别为转速 n1和转速 n2时水泵的轴功率。下面分别讨论闭式水系统和开式水系统水泵变频调速的计算方法和调速后的性能特点。闭式循环系统，水泵的扬程只是用于克服最不利环路的阻力，因此管路性能曲线方程形式为 HSQ2，如图 3 中的曲线，水泵的转速为 n1，QH 曲线为，工作点 1 的流量 Q1和扬程 H1满足 H1SQ12；当水系统流量调节为 Q2，需调节

7、转速为 n2，工作点 2 点在管路曲线上，其流量 Q2和扬程 H2满足 H2SQ22；则点 1 和点 2 有下面的关系 1122HQHQ=（2）式（2）中流量和扬程的关系满足相似律式（1），因此闭式循环水系统，当转速由 n1调节为 n2，工作点1 和工作点 2 为相似工况，调节后效率不变。举例说闭式系统中水泵调节转速 n2的确定方法。若闭式系统中水泵在转速为 n1450r/min 时，其性能参数见表 1，根据表 1 在图 3 中绘出水泵的 QH 曲线和 Q曲线。表表 1 某水泵性能参数某水泵性能参数 测点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Q/(10-2m3/s)0 2 4 6

8、8 10 12 14 16 18 20 H/m 13.6 13.8 13.7 13.6 13.5 13.3 13 12.5 12 11.5 10.8/%0 23 39 50 59 65 70 73 75 74 72 管路性能曲线方程为 H=SQ2，水管路系统的阻抗 S500s2/m5，采用描点法在图 3 中绘出管路性能曲线。1 点为工作点，Q1=15.610-2m3/s，H1=12.1m，174。若此系统工作点需调节到 2 点，Q23 1210-2m3/s，H27.2m，水泵的转速 n2应为多少？因为 1 与 2 点满足相似律，有 211222nQnQ=（4）计算得到 n2858r/min，2

9、 点与 1 点为相似工况，效率相等，274。024681012141618200246810121416182022 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Q/(10-2m3/s)H/m /(%)n1 Q H=SQ2 1 2 n2 024681012141618200246810121416182022 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Q/(10-2m3/s)H/m /(%)n1Q H=h+SQ2 12n2 3H=KQ2 图 3 闭式水系统中水泵的性能及工作点 图 4 开式水系统中水泵的性能及工作点 开式系统，如空调冷却水系统，水泵

10、的扬程不仅用于克服管路中所有的阻力，且还包括喷头到水面的提升高度和喷头余压，因此管路性能曲线方程形式为 Hh+SQ2，如图 4 中的曲线，图中为水泵在转速为 n1时的 QH 性能曲线，工作点 1 的流量 Q1和扬程 H1满足 H1h+SQ12；当水系统流量调节为 Q2，工作点 2 点的流量 Q2和扬程 H2满足 H2h+SQ22；则点 1 和点 2 的流量和扬程不满足相似律式（1）中的关系，点 1 和点 2 不是相似工况点，因此点 1 的效率与 2 点的效率不相等。如何确定 2 点的转速和效率呢？下面举例说明。一开式水系统，管路性能曲线方程为 H4+500Q22，水泵还是上例中的水泵，如图 4

11、 所示，工作点 1 的流量 Q113.210-2m3/s，H112.7m，172。若此系统工作点需调节到 2 点，Q21010-2m3/s，H29m，水泵的转速 n2为多少？效率1为多少？按照相似律，过 2 点做相似曲线 HKQ2，K 由 2 点的流量和扬程关系 H2KQ22得到 K900，用描点在图 4 中绘出相似曲线，并与 n1转速的水泵 QH 性能曲线交于 3 点，Q31210-2m3/s，H312.96m，370。又因 3 点满足 H3KQ32，则 2 于 3 点满足相似律，有 333222nHQnHQ=（3）又因为 n3n1，由式（3）求的转速 n21007r/min；2 点的效率与

12、 3 点相同，因此2370。由以上分析看出，闭式水系统，调节转速后，效率保持不变。开式水系统，调节转速后，效率改变。2.2 并联水泵变频调速并联水泵变频调速 当两台以上水泵并联运行，需要调节流量时，目前采用“一变多定”或“全部同步变速”的方法。无论采用那种方法，为保证变频泵的高效节能和运行安全，通常水泵的最小转速应不低于额定转速的50%，最好在 70%100%的范围内5。下面以两台水泵并联为例，对以上两种方法进行分析。2.2.1 变速泵与定速泵的并联运行变速泵与定速泵的并联运行 工程设计中，为了减少变频装置的投资，往往对多台并联水泵中的一台水泵或部分水泵进行变频调速。图5是一台变速泵与一台定速

13、泵并联的性能曲线图，图中曲线是一台泵在额定工况下单独运行时的特性曲线；曲线是两台同型号的泵在额定工况下并联运行时的特性曲线；曲线是管路特性曲线。虚线n1、n2、n3分别是变速泵在不同转速下的特性曲线；实线n1、n2、n3分别是变速泵在不同的转速下与定速泵并联时的性能曲线。在额定工况下系统两台泵并联时工作点C的流量是QC，水泵的工况点为D，流量为QD，转速为n0。4 若定速泵在额定工况下单独工作，工作点为A，随系统需求的流量增加，定速泵和变速泵并联运行，定速泵正常工作，变速泵转速在可调节范围依次由n3、n2、n1进行调节，则并联工作点依次为3、2、1，流量依次增加，此状况，变速泵的工况点依次为6

14、、5、4，其流量依次增加，定速泵的工况点依次为9、8、7，其流量依次减小。H 1 2 3 n0n1n0n1 n2n2 n3 n3A DC Q 7 4 8 5 9 6 HQ 123n0 n1 n0 n1 n2 4 图5 变速泵与定速泵的并联运行曲线 图6 两台同型号泵同时变频的并联运行 在以上系统设计时，由于变频泵工况点分别为6、5、4、D，因此需要考虑各工况点的稳定性、效率；定速泵工况点分别为A、9、8、7、D，不仅要考虑各工况点的效率，由于A、9、8、7的流量皆大于额定工况下的流量，也要校核电机的是否过载。另外需特别注意当变速泵在较低转速工作时，定速泵与变速泵并联，相当于小泵与大泵的并联，有

15、可能会使两台水泵都在低效区运行，还有可能不仅没有起到水泵的并联效果，还额外增加管路阻力。因此水系统采用“一变多定”的调节方式时，更要严格控制变速泵的调速范围。2.2.2 两泵同步变速的并联运行两泵同步变速的并联运行 图 6 是两台同型号水泵同步变速运行的特性曲线。并联水泵同步变速运行，不仅满足流量的变化，而且保持水泵在高效率工况下工作，当水泵工作点小于 1 台水泵 n0转速的工作点 3 时，也可以只用 1台水泵进行变转速工作，从根本上消除了以阀门节流来调节流量的缺点，合理的利用了能量。并联水泵同时变转速运行，采取的控制方式不同，其节能效果也不一样。采用何种控制方式应根据水系统的具体情况确定。3

16、 结论结论 1、水泵并联适合于管路阻抗小的管路性能曲线。并联水泵选型时，流量和扬程的附加量不能重复考虑。若水系统需要水泵单独运行，特别需考虑水泵单独运行时的效率，并需校核水泵单独运行时电机是否超载。2、单台水泵在闭式水系统工作，变频调速改变工作点，效率不变。单台水泵在开式水系统工作，变频调速改变工作点，效率改变。3、对于闭式循环系统，水泵流量大扬程低，为便于系统有效节能、保护水泵高效运行、加长水泵使用寿命，宜采用多台水泵同步变速的并联变流量调节方式；对于开式系统，水泵流量小扬程高，为充分节约设备初投资，宜采用一台水泵变速运行，其他水泵定速调节的并联变流量调节方式。参考文献参考文献 1 江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径J.暖通空调，2005.5：30-40 2 蔡增基，龙天渝编.流体力学泵与风机（第四版）)M.北京：中国建筑工业出版社，1999.12 3 采暖通风与空气调节设计规范 S.GB50019-2003 4 许淑惠，罗文斌.空调冷冻水和冷却水循环系统水力计算简便方法J.北京建筑工程学院学报.2004.9：1-7 5 孙一坚，潘尤贵.空调水系统变流量节能控制（续2）：变频调速