多级调速泵水系统设计应用

工程概况

上海市公共卫生中心采用多级调速泵水系统是与该项目各单体建筑的分布、规模及使用要求等多种因素密切相关。

上海市公共卫生中心建于2003年底，它是集传染病的预防、临床治疗、医学研究等综合功能于一体的医疗研究中心，也是上海市用于防御与抗击公共卫生突发事件，确保长远城市安全的重要机构之一。

该项目位于上海市金山区山阳镇，占地500亩，总建设面积为80000平方米，总建设规模为500个传染病床位，设两个病区组团。其中，病区组团1包括四个病房楼，设有呼吸道传染病（包括收治SARS病人等）250床；病区组团2包括四个病房楼，设有非呼吸道传染病（包括收治艾滋病人等）为250床。整个卫生中心是由病房楼、门急诊、行政楼、科研楼、医技楼、中心供应、生活及后勤保障等组成，各个单体面积相差很大，而且位置分散。该中心的冷热水管道总体布置见图1。

上海市公共卫生中心承担着各种传染病的防治与研究工作，其空调系统空气处理方式与舒适性空调有很大的差别（见暖通空调2005年11期介绍）。它需要采用集中冷热源，同时病房楼、生活、后勤保障及部分科研楼、医技楼等需要二十四小时运行。为了降低设备运行费用和减少设备运行管理人员，该中心不采用分散的空气源热泵方案，而采用运行可靠性、设备效率高的集中空调冷热源方式，室外冷热水管道采用直埋方式。

冷冻机房与锅炉房设在基地的西南角，设计选用目前运行效率最高、运行费用最低的水冷离心式冷水机组，其中制冷量为2461kW的机组4台，1407kW的机组1台。为节约输送电耗，机组供回水采用大温差，其供回水温度为6.0/14.0℃。热源采用产热量为4200kW热水锅炉3台，其供水温度为95℃，回水温度为70℃。

众所周知，在一个电制冷空调冷源系统中，随着制冷机组效率的提高，水泵能耗所占的比例可上升到26％左右。而在该项目中，由于各单体建筑物分散，空调冷热水输送距离远，按常规方法进行设计，水泵能耗所占比例将会更大，因此在确定空调冷热水供应的基本方式后，采用具有突出节能效果的冷热水输送系统尤为重要。

为了简化叙述内容，这里仅对冷水系统进行介绍。

空调水系统形式的确定

目前在一般项目中，常用的是一次泵变流量水系统、二次泵变流量水系统，如图2和图3所示。这些系统节能效果显著，但用于本项目，会产生如下情况：

一次泵变流量水系统的冷水流量随负荷侧流量的变化而改变，从而可以大大降低水泵的能耗；为满足最远端用户的资用压头，变频水泵的转速必须由最不利环路的末端压差控制，这就使得该项目中靠近冷热源机房的近端用户比其他远端用户所获得的资用压头富裕很多，只能依靠增加阀门阻力来消耗这部分压头，造成浪费。

二次泵变流量水系统有多种设置方式，图3a是设置一组二次变频泵的方法，它是通过总供回水管道送到各个用户。它运行时与一次泵变流量水系统一样，同样存在近端用户的资用压头富裕过多的现象，因此也不适用。图3b是多组二次变频泵设置的方法，每一组二次泵分别供应远近不同的用户，因此每个用户都能得到合适的资用压头。但从图上就可以发现，这种情况下，室外埋地管线数量会成倍增加，投资加大，而且在相同流速情况下小口径管道的水阻力较大，水泵输送动力会增加；最难以解决的是，众多的埋地管道占地面积大，与其他地下管线的矛盾不易解决，布置十分困难。

因此，常规的一次泵变流量水系统、二次泵变流量水系统不适合本项目。

三次泵系统是近年来开始在我国应用的系统。与一次泵或二次泵系统相比，三次泵系统对于输送距离较远，单体建筑分散且规模差异大的项目有其独特的优势。图4是欧洲某水泵公司推荐的三次泵水系统图。在这个系统中一次泵采用定流量运行，各厂家生产的冷水机组均能适应，系统运行稳定性高；二次变频泵根据总输送管道上最不利环路的压差信号调速运行；而各单体均采用三次变频泵，三次泵根据各自服务的单体建筑空调冷水最不利环路的压差信号调速运行。

与二次变频泵系统相比，这种系统的优点如下：

（1） 可根据各个单体建筑规模的不同，配置不同扬程的三次泵，避免二次泵系统中，资用压头严重过剩问题。因为在合用二次泵的系统中，如各单体建筑的规模差异很大，内部空调水系统阻力就会相差很大，二次泵扬程必须按最不利情况配置，这时其他单体，尤其是近端小规模的单体，剩余资用压头问题将会非常严重；

（2） 各单体的三次泵系统独立设置，运行管理灵活；

（3） 二次泵与三次泵均采用变频控制，运行费用低，全生命 周期成本小；

（4） 二次泵系统中，各末端设备相互关联，当某末端设备由于负荷变化自动改变水流量时，不可避免对其他环路的压力造成影响。三次泵水系统中，各单体的三次泵环路配有平衡管，因此二次泵环路上的压力波动不会影响到三次环路上。同时，各单体空调末端的资用压头都由三次泵通过自身最不利环路进行变频控制，系统运行稳定性好；

（5） 通过控制水温控制阀的开度，每个单体均可实现冷水供水温度、回水温度或供回水温差控制。这样可以实现一些特殊空调末端的使用要求，如干盘管、冷吊顶等，也可以真正实现输送大温差、用户常温差的设计构想。

通过以上分析可以认为，三次泵系统可以解决不同规模单体之间资用压头差异的问题，较适合用于上海市公共卫生中心项目。但上述三次泵水系统在对于二次泵管路系统的近端用户资用压头过剩的问题仍没有合理利用，还需改进。

上海市公共卫生中心空调冷水系统

一、二次泵系统

虽然上述推荐的三次泵水系统具有很多优点，但由于上海市公共卫生中心项目近端与远端用户输送干管长度相差达700米，使得二次泵管路系统近端用户资用压头过剩的情况十分严重，远近用户的资用压头会相差达25.85米（见表1）。因此，系统设计必须注重解决该问题。为了合理利用这部分过剩的资用压头并满足SARS病房采用的温湿度独立控制空调系统对冷水温度的要求，采用了改进的空调多级泵水系统，其基本原理如图5所示。

由图可知，图5相比图4取消了平衡管，二次水泵扬程仅用以满足室外干管管道的阻力损失，每个单体均由三次变频泵接力提供压头。这样的设置使得近端用户从室外管道上所获得的较高的资用压头可以叠加到三次环路上加以充分利用。

与图4中的系统相比，该系统会存在以下缺点，但这些缺点均可从设备配置与自动控制上加以克服：

（1） 某一单体负荷发生变化时，会对其他单体的入口压力产生影响。但每个单体上三次管路系统也是采用最不利环路上的压差控制三次泵转速，具有自动调节作用，对于控制精度要求不高的舒适性空调完全可以满足要求；

（2） 按目前设置方法，无法实现供、回或供回水温差的控制，末端设备必须能在大温差供水条件下运行。我们可以通过选择设备时，提出性能要求，满足供水条件加以解决。必要时可以局部设置带平衡管的混水装置，满足功能要求。

本项目实际使用的一、二次水系统的简化图如图6所示。图中一次泵为定流量运行，与一般冷水系统相同，不多赘述。二次变频泵由最不利干管环路上压差信号ΔΡ控制，这里ΔΡ设定0.015MPa。各管段在满负荷及20％负荷时的流量、阻力及各用户的富裕压头见表1。

三次泵系统的设置

从表1可知，满负荷时室外管段总阻力27.1m，二次泵需要的扬程为28.6m；而当负荷降到原负荷的20%时，室外管段总阻力只有1.39m，二次泵需要的扬程仅为2.89m。各个用户富裕压头有二个特点：

（1） 远近用户的资用压头相差甚大，满负荷时的A用户与H用户相差25.85m；

（2） 随着满负荷率的变化，近端用户的富裕压头变化很大。A用户满负荷率时为27.35m，到20％负荷率时仅为2.83m；如负荷率更低，将会更小。而远端用户在负荷变化的情况下，富裕压头的变化相对较小。

因此如何在这种近端用户富裕压头变化较大的情况下，既能充分利用富裕压头，又能保证各用户的正常使用将显得十分重要。同时在三次泵系统的设置上，必须将近远用户分别考虑。

在八个用户中，最末H用户采用的如图5中的三次泵水系统。而G用户距H用户较近，最大富裕压头也只有5.65m，无论系统负荷怎么变化，也必须开启三次水泵，因此其三次泵水系统与H用户一样。这二个均按远端用户设置。

从表1还可以知道，除G、H用户外，其他用户的最大富裕压头都可以达到14m以上，已经可以满足空调末端正常运行需要的压头，存在着可以不使用三次泵、直接利用二次泵的压头就可以正常工作的机会。对此，设计应按近端用户考虑，采用如图7所示的原理图。其运行控制方法如下：

由进户压差传感器将二次泵环路的资用压头送到控制器。将有二种情况出现：

（1） 如该压头高于设定值，则打开直通路上的电动双位控制阀，由自力式压差控制阀控制户内供回水管道间的压差，并保持稳定，避免外界压力波动的影响。二台变频泵进水管路上的电动双位控制阀处于关闭状态，变频泵不运行。

（2） 如该压头低于设定值，关闭直通路上的电动双位控制阀，开 启变频泵进水管路上的电动双位控制阀。变频泵将根据户内最不利环路上的压差信号变速运行。

当该系统不需要运行时，关闭所有的电动双位控制阀，并停止水泵运行。

四次泵的运用

由于SARS病房采用的是干湿分离的空调系统，该系统需要二个冷水供水温度。其深度去湿的新风系统需要的供回水温度为6.5/12℃，室内干盘管需要的供回水温度为13/16℃。为此，在三次泵水系统的基础上，设计增加了四次泵混水系统，见图8。

空调冷水经三次冷水泵加压后，向组团内各病房楼供6.5℃冷水。三次冷水泵根据最不利环路压差信号变速运行。为加大总管上的供回水温差，节省运行能耗，设计没有采用由板式热交换器直接向干式风机盘管提供13℃冷水，而是采用了通过四次变频泵，将新风空调箱12℃回水与干工况风机盘管16℃回水混合作为干式风机盘管供水的方式。由图8可知，由混水温度传感器通过控制器控制三通调节阀8。为了保证四次泵系统的正常供水，特别设计了一套供水旁通管路，可在过渡季或冬季新风机组负荷小、回水流量不够时，直接从6.5℃冷水供水管道补入冷水。

其控制过程：当新风机组回水量足够时，部分12℃水与16℃干盘管回水通过调节三通阀调节，使混合出水温度达13℃。当新风机组因气候变化回水量减少时，三通阀继续调节，直至阀的直通部分全部打开，横通部分全部关闭，这时如出水温度仍高于13℃时，通过打开并调节二通调节阀7，补充6.5℃的冷水直至混水温度达13℃；反之，当二通调节阀7全部关闭时，如出水温度继续下降，则调节三通阀。

节能性判断

根据有关资料显示，调速泵水系统的节能性与该泵的控制方法有关，图9是定速泵和不同控制方式调速泵的流量-扬程-电功率图，图10是它们的能耗比例示意图。由图可知，定速泵耗电功率最大，采用比例压差控制方式较为节能，而采用测量压差比例方式最为节能。所谓定压差控制，就是保持水泵进出水管上压差恒定控制；计算比例控制是水泵进出水管上压差与水泵流量成一定比例关系的控制；测量压差比例控制，实际上就是最不利管路上的压差信号控制。本项目都采用是测量压差比例控制方法。

在文献资料中，对一个实际工程采用三个不同构成的水系统的节能性作了分析，见表2。该工程采用的都是定压差控制和比例压差控制，而本工程中采用的空调水系统为一次泵定流量，二次调速泵和三次调速泵都采用了测量比例压差控制，其节能性能应更好。而且设计中还充分利用了二次泵的富裕压头，其节能效果是显而易见的。

表2某工程采用不同构成水系统的节能率

系统 系统构成 节能率

一 一次泵定流量，二次调速泵定压差控制 －

二 一次泵定流量，二次调速泵定压差控制，三次调速泵定压差控制 相对于方案一，节约12.4%

三 一次泵定流量，二次调速泵定压差控制，三次调速泵比例压差控制 相对于方案一，节约30.2%

结语

上海市公共卫生中心工程从方案设计到交付使用，仅历时一年半的，正常运行至今已有三年。该水系统的自动控制得到了上海大学协助与验证，开通非常顺利。

实践证明，多级调速泵水系统技术是一种运行节能的新技术，它能恰好地根据负荷的需要，提供输送动力，尽可能避免浪费。只要我们在设计中充分掌握系统原理，根据工程规模、使用要求、负荷特点等做到合理分析，精心配置，结合正确的自动控制，一定会取得良好的效果。