张振伟
上海索迪斯管理有限公司，上海 200335
摘要：随着区域集中制冷机组在工业及商场的使用，高扬程，高流量的泵组数量越来越多。高扬程的泵组对水泵的密封性能和维保维保要求高，高额的维保费用增加运营成本；很多高扬程的泵组需要厂家定制，备品备件共走比较困难；此外，由于空调负荷根据季节，日照等因素变化很大，冷冻水大部分时间为非设计流量运行，高扬程泵组长时间处于低效率区间运行，造成极大的能源浪费。据统计空调冷、热水输配系统能耗占整个空调系统中能耗15%~20%，区域冷冻站由于高扬程大流量的特性，空调冷、热水输配系统所占能耗比更高。本文结合二次泵在设计施工中实例，通过两种方案的对比分析，探讨二次泵及多次泵在工程实践中应用。
关键词：区域冷站；负载中心；二次泵水系统；系统设计；多次泵水系统；变频系统
引言
随着区域冷站在大型商业广场，工厂及超高层建筑中应用越来越广，传统的一次泵系统给泵的扬程和流量带来极大的挑战。同时高流量和扬程的泵组由于按照空调系统尖峰负荷流量选型，平常处于水泵和电机的低负荷和低效率期间运行，极大的浪费能源，降低系统的效率。本文对斯道拉广西造纸厂区域冷站进行分析，阐述二次泵及多次泵在区域冷站运行中的优势。
制冷机组制冷效率越来越高，大型化、集中化的区域冷站在制冷效率和调节能力逐步增加，规模化的优势十分明显。但随着区域冷站规模越来越大，冷冻水传输能耗在整个制冷系统中所占比例越来越大，如何提高冷冻水传输效率，将会是区域冷站设计施工中应重点考虑。提高冷冻水的传输效率，将极大的增加区域冷站的集中化优势。 “空调冷热水系统设计应符合以下规定：系统较大，阻力较高，各环路负荷特性和压力损失相差悬殊时，应采用二次泵系统；二次泵宜根据流量需求的变化而采用变速变流量调节方式”［1］。“水系统应设计成变流量系统，其所用控制阀应能根据系统负荷的变化自动的调节开度，或逐级开启和关闭，系统应能将流量减低到设计流量的50%或以下”［2］。
1 一次泵系统与多次泵对比
由于区域冷站至各个冷负载中心之间的距离差别很大，并且各个冷负载中心内部的管道阻力损失差别也较大。若采用一次泵系统，一方面某些区域冷冻水流量无法调节到设计流量的50%，另一方面大系统静态平衡调节完成，动态过程中存在水利失衡，无法保证冷负载的正常冷量需求。而采用二次泵系统或者多次泵系统，首先，冷站到各个单体水力循环可以由多组低扬程组合完成，单体建筑不制冷时，可以停掉该单体输送水泵和降低冷冻机房冷冻水输送量，节省运行费用。其次，单体的水泵选型可以按照本单体的水力计算进行，降低冷冻水系统的运行的复杂性，提高系统灵活性，再配以变频技术，保证各个负载冷水需求量。再次，各个单体的空调运行时间可以灵活调节，以适应正常工作时间外的加班需求。针对二次泵或多次泵系统特点，联系实际项目中区域冷站的特性，对一次泵系统和二次泵或多次泵运行进行对比分析，总结二次泵及多次泵系统特点及优点，以便于二次泵及多次泵的推广。
2 一次泵系统分析
斯道拉恩索造纸厂由火力发电的能源动力中心和造纸生产线两个主要功能模块构成，在这两个主要功能模块设置两个区域冷站，分别提供冷冻水给各自区域内的电站或办公等，保证工艺和舒适空调的需求。为保证造纸生产线生产的可靠性，能源动力中心的冷站除保证能源动力中心模块及附属设施制冷需求外，肩负着特殊情况下向造纸生产线提供备用冷冻水，备份冗余造纸生产线工艺空调的正常运行。能源动力中心冷站与造纸生产线冷站的直线距离为1000m，冷冻水供回水管道阻力预计为20m，并且在冷冻水联络管设置一组电动阀，在特殊情况下实施冷冻水支持模式。如若采用的传统的一次泵系统，能源动力中心的一次水泵的扬程，除满足能源动力中心及附属冷负载的管道设备阻力外，还需考虑能源动力中心冷站到造纸车间冷站及造纸车间冷站到各个冷负载管道管件阻力及设备阻力。但在非支援模式下，该一次水泵只需肩负本区域内向各个负载中心的管道管件和设备阻力即可。如若采用一次泵系统，该水泵长期处于“大马拉小车”的不匹配状况，水泵处于低效率，运行状况。图1为该系统一次泵系统的原理图。
图1 一次泵系统原理图
3 多次泵系统分析
在与业主、设计院、厂家等专业工程师沟通后，变更为以下系统形式：
.png)
图2 多次泵系统原理图
方案做如下修改：
1)系统调整为二次泵系统，将水力传输由二次泵接力完成。
2)其中一次泵P-P-1/2及P-B-1/2/3完成机房内管道设备阻力。二次泵2P-P-1/2及2P-B-1/2/3完成冷站到负载中心及返回冷站的管道阻力。
3)支援模式下，能源动力中心的二次泵2P-P-1/2及2P-B-1/2/3与造纸车间的一次泵P-B-1/2/3环路并联，向二次泵2P-B-1/2/3提供冷水。
系统调整后，在平常运行和支援模式下，水泵的运行状态（流量及扬程）没有变化。水泵的选型及匹配性好，水泵基本上在最优状况下运行。下面我们根据概念设计时，泵的参数的功率进行比较，并通过运行时能耗模拟，分析两种方案时的能耗情况。
方案一和方案二水泵参数如下：
表1 一次泵与多次泵用电容量
.png)
方案二比方案一中总的配电功率少81kW，配电容量减少，费用减少。
运行状态比较时
表2 平时与支援模式用电分析
.png)
以上对比可以发现：方案一平时运行需要水泵功率97kW的，而实际却要采用145kW的水泵，每年浪费电力420480kWh。
4 方案分析与比选
4.1 方案一运行工况
方案一：平时运行时，动力中心采用支援模式下90米扬程的泵组，满足动力中心正常分配（阻力损失60m），存在严重能源浪费；支援模式下动力中心冷站90米扬程的水泵与造纸车间冷站60米扬程的水泵并联，系统水力状况复杂，系统稳定性差。
4.2 方案二运行工况
方案二：
1）在正常运行状态下，A及B阀门关闭，定压装置分别给一次泵P-P-1/2及P-B-1/2/3的吸水端定压，同时给二次泵2P-P-1/2及2P-B-1/2/3吸水端定压，保证二次泵水泵吸入端压力。一次泵克服冷站内管道与设备阻力，二次泵克服冷站到负载中心的管道阻力。
2)支援模式下，由于二次泵2P-P-1/2将冷冻水送至造纸线冷站中心二次泵吸入端。二次泵2P-B-1/2/3完成造纸线冷冻水向各个冷冻负荷中心，并返回平衡管。平衡管内的水通过一次泵分别分配至各个冷机。
3)支援模式与正常运行下，各个水泵运行状态没有变化，造纸车间二次泵变为动力中心冷站冷水的三次接力水泵。
4.3 方案对比
从设备选型上来看，90米扬程的水泵的轴封，所承受的工作压力大，水泵的泄露损失更大。而相反40米扬程的水泵，由于其工作压力相对较低，泄露损失相对较少，水泵效率高。而从水泵产品特性来看，高扬程的水泵的转速相对较高，机械磨损快，水泵实际寿命影响越大。设备转速越高噪声的频率越高，而高频噪声的阻断在机房设计施工中都是极大难题。避免机房的高频运行噪声，可以降低机房的整体噪声。另外，高转速对润滑的频率和润滑油的品质要求都比较高。故而高扬程的水泵的维护保养要求提高，增加水泵的运营费用。
5 结论与建议
综上所述，从以上机房可以看出二次泵或多次泵存在以下优点：
1）二次及多次泵系统，支路管道阻力差别较小，没有一次泵系统中特别大的支路管道阻力差（水泵吸入端和出水端），管道受压力较均衡。
2）一次泵系统中，当部分支管管路不运行时，水泵将处于“大马拉小车”的状态。水泵选型参数与通常运行有偏差，水泵处于低效运行。
3）二次及多次泵系统，管路的水力状况容易调节，水泵运行调节范围较小，设备处于运行高效运行区。
4）二次及多次水泵，避免水泵运行高压力和高转速，降低设备维护保养费用和损坏风险。
二次泵系统可以将传统高扬程大流量泵，由成小流量低扬程的组合泵，是整体系统流量调节范围增大。此外针对不同时段运行区域的空调，可以单独水泵及单独环路运行，水力状况更加简单，冷冻水传输效率更高。
参考文献：
［1］陆耀庆，《实用供热空调设计手册》，第二版.
［2］美国ASHRAE/IES-90-1-1989的节能标准.