循环水泵选型浅谈

在中央空调系统中,水泵作为为整个水循环提供动力的装置,其耗电量在空调系统耗电量中又占有相当的比重,因此,水泵的合理选择和匹配,是空调水系统安全正常运行、实现节能的关键。水泵的选择主要是依据空调系统所需的流量和扬程等来确定的,但在设计过程中,经常会出现水泵设计失误的问题,本文对中央空调系统水泵设计的一些问题进行探讨。<br />一、合理选择水泵的扬程<br />空调系统中的水泵总是与特定的管路相连,其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。<br />在设计空调水系统时应进行必要的水力计算,根据设计流量计算出在该流量下管路的阻力,以确保选用水泵的扬程合理。在对流量和扬程乘以一定的安全裕量后,进行水泵的选择。有些设计人员直接估算而未进行计算,认为扬程大一些保险,而选用扬程过大的泵,导致所选择的水泵不能满足要求,或者造成运行费用增加,甚**造成水泵烧毁。<br />曲线i为管路的特性曲线,流量qa是系统设计流量,在此流量下,管路的阻力为ha,即水泵的扬程为ha,应选用性能曲线如图中曲线1所示的水泵,使工作点落在水泵性能曲线1和管路特性曲线i的交点a上。但若未进行水力计算或为求保险而使所选水泵扬程过大,实际选用了额定流量为qa,扬程为hc的性能曲线为2的水泵的话,若不对管路进行调节,则水泵的工作点将移**曲线2和i的交点b处,则此时系统中的水流量将大于设计流量qa,达到qb,系统中出现大流量小温差的工作情况,且由于泵2的扬程大于泵1。其所配电机功率也大,使得能源消耗增多,运行不经济。如某大楼设计选用冷冻机一台,水流量为200 m3/h,配用两台循环水泵,水泵型号kql150/400-45/4,流量200(m3/h),扬程50(m),电机功率45(kw),一用一备,刚开始调试运动时,就发现水泵电机电流过大,水泵扬程仅为0.28mpa,电机电流i=110a.终于某**一台循环水泵因电机过载而烧毁。经本人现场勘察后,通过计算得设计流量下系统**大阻力为24m水柱高度,该水泵选型明显偏大,对已配置好电动机的水泵来说,其电动机额定功率是一定的,轴功率随着水泵的工作状态点的变化而变化,当流量大于额定流量时,就会出现水泵轴功率大于电动机的额定功率,也就是电动机过载的情况,当流量增大很多,过载严重的时候,同样可能出现损坏电动机的情况。<br />为了保证流量等于设计流量qa,简单应急的方法一般有二种:一种是改变管路的特性曲线,通过关小水泵出口的阀门,使管路特性曲线由i变为ii,使水泵的工作点落在曲线2和ii的交点c处,此时流量qc=qa,扬程hc ha,这种做法可以使系统流量满足要求,且电动机不发生过载现象。根据泵的轴功率n=γqh/η(式中n为泵的轴功率w,γ为输送液体的容重n/m3,q为流量m3/s,h为扬程m,η为效率),水泵的一部分功率由于阀门的节流阻力δh=hc-ha而浪费,加大了能量的损失,这是非常不经济的,另外,由于国产阀门调节性能较差,很难平稳地调节水泵的扬程。有可能出现阀门开大一些,电动机就过载,而关小一些流量就不够的情况。另一种可将水泵的叶轮通过计算进行切削来减小水泵的流量和扬程,来减低水泵轴功率,但这也是不经济的,**好是另选水泵,即经济又安全。<br />二、冬夏季水泵的选型<br />很多空调设计中的管路都是冬夏季两用的,即随着季节的变化,为盘管风机供应冷水或热水。冬季热负荷一般比夏季冷负荷小,且空调水系统供回水温差夏季一般取5℃,冬季取10℃,根据空调水系统循环流量计算公式g=0.86q/δt(式中q为空调负荷kw,δt为水系统温差℃,g为水系统循环流量m3/h),则夏季空调循环水流量将是冬季的2-3倍。假设冬季流量为夏季流量的1/3,系统设计采用双管制系统,即管路特性曲线冬夏季是一致的,由h=sq2,得到h1/h2=q12/q22,则冬季水泵流量为夏季的1/3,扬程为夏季的1/9。<br />冬季工况运行低扬程泵,将获得显著的节能效果。如我饭店冬夏季计算负荷分别为840kw和1002kw,循环水温度夏季为7/12℃,冬季为60/50℃,循环水量夏季180 m3/h,冬季80 m3/h,夏季**不利环路损失为230kpa,根据公式h1/h2=q12/q22,可得冬季的**大损失为45.4 kpa,可见,冬季选用小流量,低扬程的循环水泵可降低耗电量,节省运行费用。<br />三、结论<br />在设计空调水系统时应进行必要的水力计算,确保选用水泵的扬程合理。对水泵扬程的选取不能认为越大越保险,而要重视运行的经济性,避免随意加大扬程。S减速机,  
所谓水泵的选取计算其实就是估算(很多计算公式本身就是估算的),估算分的细致些考虑的内容全面些就是精确的计算。包括水泵选型索引,水泵扬程简易估算法,冷冻水泵扬程实用估算方法,水泵扬程设计等。  
关键词:水泵选型水泵扬程扬程估算设备阻力冷却水量 -----水泵选型索引-----  
  所谓水泵的选取计算其实就是估算(很多计算公式本身就是估算的),估算分的细致些考虑的内容全面些就是精确的计算。 
  特别补充一句:当设计流量在设备的额定流量附近时,上面所提到的阻力可以套用,更多的是往往都大过设备的额定流量很多。同样,水管的水流速建议计算后,查表取阻力值。   关于水泵扬程过大问题。设计选取的水泵扬程过大,将使得富裕的扬程换取流量的增加,流量增加才使得水泵噪音加大。特别的,流量增加还使得水泵电机负荷加大,电流加大,发热加大,“换过无数次轴承”还是小事,有很大可能还要烧电机的。 
  另外“水泵出口压力只有0.22兆帕”能说明什么呢?水泵进出口压差才是问题的关键。例如将开式系统的水泵放在100米高的顶上,出口压力如果是0.22MPa,就这个系统将水泵放在地上向100米高的顶上送,出口压力就是0.32MPa了! -----水泵扬程简易估算法-----  
  暖通水泵的选择:通常选用比转数ns在130~150的离心式清水泵,水泵的流量应为冷水机组额定流量的1.1~1.2倍(单台取1.1,两台并联取1.2。按估算可大致取每100米管长的沿程损失为5mH2O,水泵扬程(mH2O): Hmax=△P1 △P2 0.05L(1 K)  △P1为冷水机组蒸发器的水压降。 
△P2为该环中并联的各占空调未端装置的水压损失**大的一台的水压降。 L为该**不利环路的管长 
K为**不利环路中局部阻力当量长度总和和与直管总长的比值,当**不利环路较长时K值取0.2~ 0.3,**不利环路较短时K值取0.4~0.6 -----冷冻水泵扬程实用估算方法-----  
  这里所谈的是闭式空调冷水系统的阻力组成,因为这种系统是量常用的系统。 1.冷水机组阻力:由机组制造厂提供,一般为60~100kPa。 
2.管路阻力:包括磨擦阻力、局部阻力,其中单位长度的磨擦阻力即比摩组取决于技术经济比较。若取值大则管径小,初投资省,但水泵运行能耗大;若取值小则反之。目前设计中冷水管路的比摩组宜控制在150~200Pa/m范围内,管径较大时,取值可小些。 
3.空调未端装置阻力:末端装置的类型有风机盘管机组,组合式空调器等。它们的阻力是根据设计提出的空气进、出空调盘管的参数、冷量、水温差等由制造厂经过盘管配置计算后提供的,许多额定工况值在产品样本上能查到。此项阻力一般在20~50kPa范围内。 4.调节阀的阻力:空调房间总是要求控制室温的,通过在空调末端装置的水路上设置电动二通调节阀是实现室温控制的一种手段。二通阀的规格由阀门全开时的流通能力与允许压力降来选择的。如果此允许压力降取值大,则阀门的控制性能好;若取值小,则控制性能差。阀门全开时的压力降占该支路总压力降的百分数被称为阀权度。水系统设计时要求阀权度S>0.3,于是,二通调节阀的允许压力降一般不小于40kPa。 
  根据以上所述,可以粗略估计出一幢约100m高的高层建筑空调水系统的压力损失,也即循环水泵所需的扬程: 
1.冷水机组阻力:取80kPa(8m水柱); 
2.管路阻力:取冷冻机房内的除污器、集水器、分水器及管路等的阻力为50kPa;取输配侧管路长度300m与比摩阻200Pa/m,则磨擦阻力为300*200=60000Pa=60kPa;如考虑输配侧的局部阻力为磨擦阻力的50%,则局部阻力为60kPa*0.5=30kPa;系统管路的总阻力为50kPa 60kPa 30kPa=140kPa(14m水柱); 
3.空调末端装置阻力:组合式空调器的阻力一般比风机盘管阻力大,故取前者的阻力为45kPa(4.5水柱);4.二通调节阀的阻力:取40kPa(0.4水柱)。 
5.于是,水系统的各部分阻力之和为:80kPa 140kPa 45kPa 40kPa=305kPa(30.5m水柱) 6.水泵扬程:取10%的安全系数,则扬程H=30.5m*1.1=33.55m。 
  根据以上估算结果,可以基本掌握类同规模建筑物的空调水系统的压力损失值范围,尤其应防止因未经过计算,过于保守,而将系统压力损失估计过大,水泵扬程选得过大,导致能量浪费。 
中央空调系统水泵选型设计 
  
离心泵的选型  
离心泵是靠叶轮搅动流体旋转的离心力产生压力,输送流体。 在选用离心泵时,要确定泵的用途和性能并选择泵型。这种选择首先得从选择泵的种类和形式开始,那么以什么原则来选泵呢?依据又是什么?    一 、 泵选型原则  
1、使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。  
2、机械方面可靠性高、噪声低、振动小   
3、经济上要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费的总成本**低。   
4、离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。  
  因此除以下情况外,应尽可能选用离心泵:  
     有计量要求时,选用计量泵  
     扬程要求很高,流量很小且无合适小流量高扬程离心泵可选用时,可选用往复泵,如汽蚀要求不高时也可选用旋涡泵。  
     扬程很低,流量很大时,可选用轴流泵和混流泵。  
     介质粘度较大(大于650~1000mm2/s)时,可考虑选用转子泵或往复泵(齿轮泵、螺杆泵)  
     介质含气量75%,流量较小且粘度小于37。4mm2/s时,可选用旋涡泵。 对启动频繁或灌泵不便的场合,应选用具有自吸性能的泵,如自吸式离心泵、自吸式旋涡泵、气动(电动)隔膜泵。  
    二、泵的选型依据  
     泵选型依据,应根据工艺流程,给排水要求,从五个方面加以考虑,既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等  
     1、流量是选泵的重要性能数据之一,它直接关系到整个装置的的生产能力和输送能力。 如设计院工艺设计中能算出泵正常、**小、**大三种流量。选择泵时,以**大流量为依据,兼顾正常流量,在没有**大流量时,通常可取正常流量的1。1倍作为**大流量。  
     2、装置系统所需的扬程是选泵的又一重要性能数据,一般要用放大5%—10%余量后扬程来选型。  
     3、液体性质,包括液体介质名称,物理性质,化学性质和其它性质,物理性质有温度c密度d,粘度u,介质中固体颗粒直径和气体的含量等,这涉及到系统的扬程,有效气蚀余量计算和合适泵的类型:化学性质,主要指液体介质的化学腐蚀性和毒性,是选用泵材料和选用那一种轴封型式的重要依据。  
     4、 装置系统的管路布置条件指的是送液高度送液距离送液走向,吸如侧**低液面,排出侧**高液面等一些数据和管道规格及其长度、材料、管件规格、数量等,以便进行系梳扬程计算和汽蚀余量的校核。  
     5、 操作条件的内容很多,如液体的操作T饱和蒸汽力P、吸入侧压力PS(**)、排出侧容器压力PZ、海拔高度、环境温度操作是间隙的还是连续的、泵的位置*定的还是可移的。  
    三、中央空调循环水泵      
     通过对中央空调系统工程中因循环水泵扬程选择不当,导致工程失败事例的分析,强调合理选择循环水泵扬程的重要性,并提出了一些选择的方法,对中央空调设计有参考价值。   
     1、问题的提出  
  在中央空调系统中,循环水泵夏季输送冷冻水,冬季输送热水**空调末端装置。工程设计应按照空调系统水流量和系统阻力选择性能良好的水泵。有关暖通空调设计手册都有详细设计计算方法。问题在于实际工程设计时,某些工程师未按照计算方法进行设计计算,而是凭经验想当然,对系统以及某些空调设备、配件等新产品缺乏认真研究,结果导致所选择的水泵不能满足要求,或者造成运行费用增加,甚**水泵不能正常工作,这不得不引起空调设计者的高度重视。  
     2、理论分析
 空调系统水流量的大小由负荷及供回水温差确定,系统阻力通过水力计算求得。按流量和阻力选择的水泵,运行时应处于高效区,其工作点为水泵性能曲线和管路特性曲线的交点。而工程中选择的水泵常常出现两种不正常情况。   
     1) 设计时比较保守,水系统实际流速取值较低,估算系统阻力较大,导致选水泵时扬程加大,使所选择的循环水泵扬程比设计流量下的系统阻力大得多。  
  流量QA是系统设计流量,在此流量下水泵扬程为HB即可。实际选择的水泵扬程为HS。为了保证QA,则要改变管路特性,即通过关小水泵进出口的阀门,使管路特性曲线由Ⅰ变为Ⅱ。显然,ΔP=HB-HA完全通过阀门节流, 这是非常不经济的,也*程中需避免出现的情况,如果冬季运行采用同一套泵工作,由于流量变小,节流更严重,就更不经济,甚**造成水泵工作点不稳定[2]。   
     2) 设计过于自信,对空调系统阻力估算偏小,所选泵扬程小于设计流量下系统阻力。   
     3、工程实例  
     例1:甲工程为一单体高层建筑,建筑高度29m,泵房设在主楼地下室。 设计选用进口开利离心式冷冻机一台,制冷量为1163 kW,配用2台循环水泵,1用1备。  
  刚开始调试运动时,发现水泵电机电流过大,水泵出水管振动厉害,且有异常声音。 水泵扬程仅为0。28MPa,电机电流I=11**。 分析原因,为分集水器压差仅为0。13MPa,所选水泵扬程偏大。此时水泵工作点为低扬程大流量,电机严重超载[3];水泵气蚀严重,管路抖动厉害,声音异常;关小水泵和冷冻机蒸发器进、出口阀门,保证蒸发器进出口要求的压差Δp=(92±5)kPa,使水泵恢复正常工作。   
     水泵扬程为0。48MPa,分集水器压差为0。10MPa,蒸发器压差为0。1MPa,系统阻力并不大,而水泵大部分压头完全消耗在关小的阀门上。   
     解决办法:更换一台低扬程水泵,测试数据如表2(新泵)。对比表2数据,电机电流由82A降为40A,其运行经济性不言而喻。   
  例2:乙工程为一区域空调,制冷加热站集中向多幢建筑物供冷、供热。设计2907kW冷冻机2台,循环水泵3台,2用1备。 系统调试时开一台冷冻机,一台循环水泵。几分钟后,水泵出水管振动厉害且伴有异常声音,冷冻机不能启动,故障显示冷冻水循环水量不够。检查系统阀门已全部打开,水过滤器全部清洗干净,系统排气较彻底。铭牌参数:Q为500m3。h-1, H为0。475MPa,N为90kW;测试数据:蒸发器进出口压差0。02MPa, 水泵进出口压差0。14 MPa,集水器压力0。27MPa,分水器压力0。40 MPa。据该水泵性能曲线,当扬程H=0。14MPa时,在系统阀门全开情况下,流量Q应大于500m3。h-1才对,而此时水流指示器自锁,显示流量不足。由此可见,水泵工作异常。事实上,如此大的系统,水泵扬程H=0。14MPa也是不可能的。 **终查明原因有二:① 水泵入口安装了进口刷式水过滤器,过滤器网孔太小,导致水泵入口阻力太大,产生严重气蚀,水泵性能变坏; ② 泵的流量和扬程都非常小, 系统阻力较大。将刷式过滤器滤网拆下运行,分、集水器压差达0。45MPa,水泵扬程为0。52MPa。如两台泵同时运行,循环流量增大,系统阻力还要增大。显然水泵不能保证系统正常运行。   
  解决方法:更换水过滤器滤网;对系统重新进行水力计算,更换水泵。这既造成了较大的经济损失,又影响了空调系统正常运行,教训是深刻的。   
     4 结论  
     1) 空调系统循环水泵的选取并不难,但要引起设计人员足够的重视,经验要与理论计算相结合。  
  2) 对水泵扬程的选取不能认为越大越保险,而要重视运行的经济性。    3) 目前空调产品更新换代较快,选用时要十分慎重,对其性能要认真研究