秦宏波，胡壽根

(1.上海理工大學動力工程學院，上海 200093;2.上海市能效中心，上海 200040)

0 引言

泵系統(tǒng)廣泛應用于食品加工、化工、農(nóng)業(yè)、機械和醫(yī)藥等工業(yè)領域和商用領域中。據(jù)權威部門統(tǒng)計[1]:泵系統(tǒng)用電量約占全世界發(fā)電量的20%和工業(yè)系統(tǒng)用電量的25% ～50%。2001年，聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織/國家發(fā)展和改革委員會“中國電機系統(tǒng)節(jié)能項目組”進行的調(diào)查顯示:和國外相比，我國未改造的泵類產(chǎn)品效率平均比國外低3%～5%，而整個系統(tǒng)的效率同比約低20%，具有非常大的節(jié)能潛力。根據(jù)全生命周期成本理論，泵系統(tǒng)的設備采購費用只占其全生命成本的一小部分，而能源和維護成本則占到了其在15～20年生命周期成本的絕大部分。大量研究和成功案例表明:應用系統(tǒng)方法對泵系統(tǒng)進行優(yōu)化，可以達到30%～50%的節(jié)能效果。

本文針對泵系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)手段及導致的低效運行問題，在對系統(tǒng)進行全面測試分析的基礎上，應用最合適的手段對其進行改造，進而達到最佳節(jié)能效果。

1 泵系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式

泵系統(tǒng)優(yōu)化的最終目標是使單位功率輸入能夠輸送盡量多的流體或能量。在中央空調(diào)系統(tǒng)中，其目的是要做到輸送單位冷量(或熱量)消耗最少的泵功率。目前，泵系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)的手段主要有截流控制、旁通控制和變頻控制三種，下文將對這三種控制方法進行具體介紹。

1.1 截流控制

截流控制就是通過增加系統(tǒng)管路阻力來調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。常見的方法是調(diào)節(jié)泵出口閥門開度或系統(tǒng)上冷卻塔前閥門開度來調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量。在這樣的系統(tǒng)中，閥門壓降造成的系統(tǒng)能量損失就是節(jié)能的潛力所在。其性能變化曲線如圖1所示。

圖1 截流控制系統(tǒng)性能變化曲線

1.2 旁通控制

旁通控制的調(diào)節(jié)方法在中央空調(diào)冷媒水系統(tǒng)中較為常見，其最初目的是為了保護制冷主機的安全運行。但是，經(jīng)常有用戶將不運行的機組的閥門開起作為旁通使用，這就造成了能源的浪費。該方法導致的系統(tǒng)阻力特性變化曲線如圖2所示。

圖2 旁通控制系統(tǒng)性能變化曲線

1.3 變頻控制

變頻控制是根據(jù)系統(tǒng)需求，通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速進而控制系統(tǒng)流量的控制方法。目前，變頻由于其技術本身已比較成熟且成本日益降低，而成為用戶在泵系統(tǒng)節(jié)能時使用最多的技術手段。但并不是任何系統(tǒng)應用變頻技術都可以達到節(jié)能的效果，即使節(jié)能也不一定取得最大的節(jié)能收益，這取決于原來的泵和系統(tǒng)需求的匹配情況，以及原來泵的運行工況點。需要特別指出的是，變頻技術適用于以阻力特性為主的系統(tǒng)，而在以凈揚程為主的系統(tǒng)中，變頻技術并不是最佳選擇。本文以上海第七人民醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)為例，介紹一種沒有應用變頻技術，而通過系統(tǒng)測試選擇與系統(tǒng)特性相匹配的泵的方法，對系統(tǒng)進行改造的成功案例。其系統(tǒng)性能變化曲線如圖3所示。

圖3 變頻控制系統(tǒng)性能變化曲線

2 系統(tǒng)測試

全面分析泵系統(tǒng)的效率及節(jié)能潛力，最可靠的方法就是對系統(tǒng)進行全面測試，測試參數(shù)包括流量、揚程、系統(tǒng)關鍵點壓力和泵運行功率，有時還要測試供回水溫差和泵電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)。為保證測試數(shù)據(jù)的準確性，應使用標定過儀表。

2.1 流量測試

流量測試的目的是確定系統(tǒng)的流量是否滿足工藝或制冷機需求，為系統(tǒng)效率分析提供主要依據(jù)。在所有的測試參數(shù)中，泵流量的測定最為困難，為了不影響系統(tǒng)的正常運行，流量測試最好應用超聲波流量計，并選擇合適的測試位置。

2.2 壓力測試

壓力測試的目的是確定泵運行的實際揚程，以及通過機組或節(jié)流閥的壓力損失是否正常。最簡單的測試方法是應用高精度數(shù)字式壓力表進行測試，但對于已安裝變頻或系統(tǒng)閥門進行動態(tài)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，為了記錄系統(tǒng)的動態(tài)變化特性，最好應用數(shù)據(jù)記錄儀對各測試點的測試值進行同時記錄。

2.3 功率測試及其他參數(shù)測試

功率測試的目的是確定泵運行的實際功率，另外還要進行有關溫度和泵電機轉(zhuǎn)速等的測試。

3 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析就是根據(jù)系統(tǒng)工藝的實際需求、系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)和泵的實際運行狀況，分析系統(tǒng)的實際運行效率和節(jié)能潛力，并提出優(yōu)化方案，有時可以利用系統(tǒng)分析軟件對系統(tǒng)效率進行計算。

4 系統(tǒng)優(yōu)化案例

4.1 工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)

新亞藥業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)由3臺160 kW和1臺75 kW泵組成，主要服務于制冷機和全廠工藝冷卻。經(jīng)過全面的系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)泵與系統(tǒng)阻力不匹配，泵的運行效率低，制冷機壓降為正常水平的2倍多。根據(jù)系統(tǒng)分析，所采用的改造技術如下:

(1)根據(jù)系統(tǒng)阻力特性重新配置泵;

(2)水處理解決機組壓降過大問題;

(3)集中控制解決系統(tǒng)負荷變化問題。

改造前泵運行平均功率200 kW，改造后經(jīng)過3年運行其平均運行功率只要60 kW就能滿足系統(tǒng)需求，節(jié)電率達70%。

4.2 醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)

上海市第七人民醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)由2臺溴化鋰制冷機組、3臺55 kW冷卻泵和3臺30 kW冷媒泵組成，正常運行情況下，1臺制冷主機和1臺冷卻泵、1臺冷媒泵運行。測試發(fā)現(xiàn):冷卻泵和冷媒泵的流量揚程與系統(tǒng)的阻力特性曲線不匹配。根據(jù)制冷機組的額定需求，對泵系統(tǒng)進行了改造，采用與現(xiàn)有管路系統(tǒng)阻力特性相匹配的泵替代原有泵。

改造前泵運行的總功率為79.5 kW，改造后為43.5 kW，節(jié)能率為45%，兩年內(nèi)即可收回投資。

5 結語

中國電機及電機驅(qū)動系統(tǒng)節(jié)能改造已列入我國經(jīng)濟和社會發(fā)展“十一五規(guī)劃”。要求在“十一五”期間逐步實現(xiàn)電動機、風機、泵類設備和系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，發(fā)展電機調(diào)速節(jié)電技術。上海新亞藥業(yè)有限公司循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和上海市第七人民醫(yī)院中央空調(diào)水系統(tǒng)，具有泵系統(tǒng)應用的普遍性和典型性，這兩個系統(tǒng)的節(jié)能改造，體現(xiàn)了系統(tǒng)技術整合的優(yōu)勢，取得了比單一設備改造更高的節(jié)能效益，在泵系統(tǒng)節(jié)能改造中具有復制可行性。

[1]中國電機系統(tǒng)節(jié)能項目組.中國電機系統(tǒng)能源效率與市場潛力分析[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001.