冷冻水系统水力失调问题探讨

吕晓鹏

【摘 要】由于设计或施工的缺失，在水力管网系统中，经常会产生水力失调现象，即当某些环路存在剩余压头时，这些环路的实际流量就将超过设计流量，致使其它环路的实际流量达不到设计流量。这种水力失调是管网系统运行中，特别供冷面积较大或管路较长时常遇到的问题。如不采取有效改善措施，将带来大量的能源浪费，并使供冷品质低下。本文结合某公司冷冻水系统运行状况，说明采用平衡阀对水力失调系统进行改造，将产生的节能效益。

【关键词】水力失调；平衡阀；实例分析；节能效益；投资回收期

1.某公司冷冻水管网的概况

某公司的中央空调系统中，冷水机组共计6台，规划至冷水机房，累计制冷量为4700RT，冷冻水通过集水头经送水泵浦分别输送至LCM1、2、3厂，然后再送至末端设备空调箱。对于一个按照设计要求理想运行空调系统，每台空调能够获得设计水流量，满足室内温度的舒适性和系统运行的节能性要求。这样的系统就是实现了水力平衡的系统，否则，就是水力不平衡或称水力失调的系统。

1.1水力失调系统水泵运行的特征

主要特征是“大流量，低扬程”，根据水泵的特性曲线特性，水泵在大流量，低扬程的运行工况下，水泵效率下降，消耗功率增大，不但造成能源的浪费，而且使供冷品质下降。

1.2水力失调产生的原因

在空调冷冻水系统设计中，水泵的扬程是按照系统最不利环路获得所需流量来选定的，而距水泵较近的环路必然具有超大的压头。若不采取措施弥补这一差异，则有利环路的流量将大大高于设计流量值，造成水泵流量偏大、扬程降低。不利环路压头仍然不足，得不到所需流量。系统水量分配处于不平衡状态，能耗浪费、设备效率低。

1.3冷冻水系统水力失调分析

某公司冷冻水系统在设计时没有考虑在集中空调水系统中设置水力平衡设备，因此普遍存在水力失调现象，随着公司的发展，集中空调面积越来越大，目前的中央空调供冷面积已达到12万平米，其中最远端LCM3厂距冷水机房为500m，最近端LCM2厂距冰水机房仅为60m，因各厂没有安装流量计，我们无法通过流量来判定各厂的流量分配状况，但我们可以通过各厂冰水供回水温差、理论计算公式以及泵浦进出口压力、电流、功率及水泵的特性曲线等综合分析来判定某公司的冷冻水水供水系统存在的水利失调现象。

（1）以2011年7～10月各厂的MAU空调运行报表分析，三个厂冷冻水进出水温差ΔT分别为：

LCM1厂为4℃、LCM2厂为2℃、LCM3厂为10℃，而设计进出水温差为5℃。根据冷冻水量公式Q=4.187VΔT（其中Q-冷负荷KW；V-冷冻水量l/s；ΔT-冷冻水进出口温差℃）。可以看出：当冷负荷一定，温差ΔT增大，水量减少，设计温差为5℃而LCM3厂温差为10℃；LCM2厂温差为2℃；LCM1厂温差为4℃。经计算LCM3厂流量仅是设计值的一半； LCM2厂流量是设计值的2.5倍；LCM1厂是设计值1.25倍。以上分析说明某公司冷冻水系统存在非常严重的水力失调现象。

（2）某公司冷冻水供水泵及冷冻水主机流量一览表：

（3）现以1#冷冻水主机100%负荷运行测量各送水泵运行参数。

从上表可以看出：运行1#冰水机，其流量为3060PLM，须配置1#～3#泵其中一台即可，下面是对供水泵的测试记录：

以上说明：若运行2#泵供回水无压差，为加大送水泵的进出口压差（即增大水泵扬程），使冷冻水能够送至最不利环路LCM3厂，必须增大泵浦或增加泵浦台数，这样会多消耗许多电能。如运行1#冰水机，实际与其匹配为6#水泵，按45HZ运行，系统扬程为到5m，此时比2#送水泵单独运行每小时多消耗28度电，多耗电比例为71.8%，而且水利失调现象仍没有根本消除。

（4）对整个冷冻水系统全年耗能分析。

因冷冻水系统的水利失调导致每年多耗电量为475296KWH，每KWH按0.552元计，每年至少造成RMB26.2万元的能源浪费，同时水泵在大流量，低扬程工况下长期运行容易形成气蚀现象，会缩短设备的使用寿命。综上分析，因冷冻水系统存在严重的水力失调现象导致：（1）供水泵与冷冻水主机搭配不合理；（2）水泵始终在“低扬程，大流量“的状况下运行，造成能源的浪费；（3）影响现场的供冷品质；（4）容易形成气蚀现象，会缩短水泵的使用寿命。

2.系统改善方案

冷冻水系统的水利失调现象是因设计及施工导致的先天性的、根本性的缺失，如不采取措施进行改善，将造成能源的浪费及影响水泵的寿命。目前解决水力失调现象最有效的办法是加装平衡阀。平衡阀的作用是针对系统阻力，能将新的水量按设计比例平衡分配，各支路的流量一同增减，仍然满足当前气候条件下的流量需要。在局部用户关闭的情况下，系统可自动对多余流量均匀分配，达到平衡的目的，在一次调节完成后，除非管网有变化，使用中不需再次调节。改善措施如下：

（1）分别在LCM1、LCM2、LCM3冷冻水管路进口处安装平衡阀。

（2）在各厂的分支管路上安装平衡阀。

（3）进行全面系统的水力平衡调试，使安装了平衡阀的各个环路的流量基本都能达到设计流量。

（4）本次讨论的是针对目前三个厂的流量平衡，后续若建新厂或增加新的环路，安装平衡阀后再对整个系统重新调节。

（5）改善所需资金RMB226，200元。

（6）投资回收期为：226200÷262000≈0.9（年）。

3.结语

由于目前该公司各项费用都在节省，空调冷却水系统的水力失调现场短期内无法改善。待后续公司经营状况改善后，适时投入资金进行改造，在应该安装平衡阀的部位全部安装平衡阀，就能够彻底改变系统的水力失调现象，提高节能效益。 [科]

【参考文献】

[1]卜维平.平衡阀在水力管网中的应用及节能效益.

[2]黄维等.平衡阀与定流量阀在水系统平衡中的不同应用.暖通空调，1999.

[3]周谟仁主编.流体力学泵与风机（第二版），中国建筑工业出版社，1985.