厦门新机场分布式区域供冷输配二级泵系统定压差方案比选*

中国建筑设计研究院有限公司 曹荣光 潘云钢 徐稳龙 韦 航

0 引言

厦门新机场工程(如图1所示)位于厦门市翔安区，飞行区等级为4F，规划建设4条跑道；分期建设，本期工程建设目标年旅客吞吐量4 500万人次，年货邮吞吐量70万～80万t，年飞机起降量37万架次，高峰小时78架次。

本期工程采用区域供冷系统集中制备冷水供应各末端用户，制冷站位于规划T3航站楼的东北侧，设计供冷范围为航站楼一期、交通中心(以下简称GTC)及停车楼、地服配套用房、非基地航办公用房等建筑，总供冷空调面积约为47.5万m2；采用水蓄冷系统，冷水设计总流量为7 600 m3/h，供回水温度为5.0 ℃/13.2 ℃。

冷水输送管网平面示意图见图2，从制冷站到最远端的1#泵站的管线长度约为1.16 km，末端用户布置分散且冷水输送距离较远，因此本项目冷水输配系统采用管网泵+用户泵的二级泵系统，冷水输配二级泵系统原理图见图3。

注：J1～J17为供水侧节点编号，E1～E16为供水侧管段编号。图2 冷水输送管网平面示意图

注：J18～J34为回水侧节点编号；E17～E32为回水侧管段编号；B1、B6、B7、B9、B10、B12、B15～B17为泵组编号。图3 冷水输配二级泵系统原理图

区域供冷输配系统的设计目标一方面是要保证各末端用户随时得到所需流量，另一方面要降低循环水泵能耗。由于用户末端设备换热具有显著的非线性特征及水系统的热惰性，温度控制方法在控制机理上存在不稳定性，实际应用不多。压差控制方法可以对用户末端负荷的变化快速响应，控制参数简单明确，在国内众多大型项目中得到了应用，是现阶段工程设计中水系统控制普遍采用的方法[1-8]。本工程各用户泵供冷区域包含航站楼、GTC、停车楼、配套用房及办公用房等，受室外气象参数变化及末端设备使用时的启停影响，各供冷区域的冷水流量需实时进行调节。为了保持末端设备水力工况的稳定，各末端泵站的用户泵采用变频泵，保持供回水压差恒定，压差设定值为用户泵供冷区域内的设计阻力值；制冷站的管网泵采用变频泵，提供各用户泵所需流量，克服输送管网(管网泵与用户泵间管网)阻力[9-11]。

管网泵的运行控制方式影响输送管网水压图，进而影响用户泵的设备选型和运行能耗，本文基于管网动力学数学模型，定量分析厦门新机场区域供冷输配二级泵系统在输送管网始端(主管线第一个用户分支处)定压差和末端(最不利用户处)定压差2种不同控制方案下，管网泵和用户泵全年运行工况的变化。通过方案比选给出定压差设计建议，供类似工程设计参考。

1 工程概况

厦门新机场冷水输送管网采用枝状管网敷设，供水侧共有17个节点，编号为J1～J17；回水侧共有17个节点，编号为J18～J34。在节点J1处设置1组管网泵，编号为B1；在节点J6、J7、J9、J10、J12、J15、J16、J17处共设置8组用户泵，对应编号分别为B6、B7、B9、B10、B12、B15、B16、B17。对于设置泵组的节点，其节点流量为各泵组的设计流量；对于不设置水泵的节点，如J2等，由于无流量流出，其节点流量为0。各节点设计流量及用户侧设计压差见表1。

表1 各节点/泵站设计参数

输送管网供水侧共有16个管段，编号为E1～E16；回水侧共有16个管段，编号为E17～E32。各管段管道内径、管长及局部阻力系数见表2。管径小于DN300的管道采用无缝钢管，大于等于DN300的管道采用螺旋焊接钢管。

表2 各管段设计参数

2 冷水输送系统定压差控制工况模拟

2.1 管网动力学数学模型

参照文献[2,4]，根据图2、3及表1、2的管网信息，建立管网动力学数学模型。

其他参数：系统补水定压水头为25.5 m，定压点为制冷站管网泵B1吸入口；用户泵处输送管网最小资用压头为0 m，且水泵入口静压头不小于其所需的汽蚀余量；管壁粗糙度为0.5 mm。

2.2 始端定压差工况分析

根据管网动力学数学模型求解结果，在设计工况(100%流量)时，输送管网水力最不利工况点为1#泵站J17节点，设定输送管网在节点J17处的供回水压差为0，则其他各节点的供回水压差见表1。

在输送管网始端定压差控制模式下，为了保证末端各用户泵在各种工况下入口资用压头不小于0，选定输送管网第一个用户分支处的节点J3作为定压差控制点。根据表1的计算结果，在始端定压差控制模式下，定压差点J3处的供回水压差设定为19.19 m。

在始端定压差控制模式下，为了简化分析，设定各末端用户流量成比例变化，分别计算输送管网在100%、75%、50%、25%设计流量下各节点的供回水压力，结果如图4所示。可以看出，随着系统流量减小，末端各用户泵处的资用压头逐渐增大。因此，为保证各空调末端随时能够获得设计流量，各用户泵的设计扬程应不小于表1中各节点的设计压差减去系统设计工况下输送管网供回水压差。

根据上述原则，始端(主管线第一个用户分支J3节点处)定压差控制模式下，冷水管网泵及用户泵的设备选型见表3，管网泵及末端用户泵的设计总功率为1 457.7 kW。

表3 始端定压差控制模式下冷水泵选型

根据水泵选型及厂家提供的变频泵参数[12]，在始端定压差控制模式下，分别计算输送管网在100%、75%、50%、25%设计流量下管网泵及各用户泵的运行参数，结果如表4～7所示，运行曲线见图5～13。图中曲线H为变频泵工频运行性能曲线，曲线H(*Hz)为变频泵运行频率为*Hz时的性能曲线，曲线Ep为变频泵工频运行效率曲线，曲线Ep(*Hz)为变频泵运行频率为*Hz时的效率曲线，曲线S为管网负荷侧性能曲线。

表4 始端定压差控制模式下100%设计流量水泵工况

表5 始端定压差控制模式下75%设计流量水泵工况

表6 始端定压差控制模式下50%设计流量水泵工况

表7 始端定压差控制模式下25%设计流量水泵工况

图5 始端定压差下变频泵B1运行曲线

图6 始端定压差下变频泵B6运行曲线

图7 始端定压差下变频泵B7运行曲线

图8 始端定压差下变频泵B9运行曲线

图9 始端定压差下变频泵B10运行曲线

图10 始端定压差下变频泵B12运行曲线

图11 始端定压差下变频泵B15运行曲线

图13 始端定压差下变频泵B17运行曲线

2.3 末端定压差工况分析

在输送管网末端定压差控制模式下，为了保证末端各用户泵在各种工况下的入口资用压头不小于0，只需保证管网水力最不利工况点的供回水压差为0即可。为了简化分析，设定各末端用户流量成比例变化，分别计算输送管网在100%、75%、50%、25%设计流量下各节点的供回水压力，结果如图14所示。可以看出，随着系统流量减小，由于管网压降与流量呈二次幂关系，末端各用户泵处的资用压头逐渐减小，在系统小流量下，各用户泵的入口资用压头趋近0。因此，为保证各空调末端随时能够获得设计流量，各用户泵的设计扬程应不小于表1中系统设计工况下用户侧设计压差。

根据上述原则，末端(最不利用户处)定压差控制模式下，冷水管网泵及用户泵的设备选型见表8，管网泵及末端用户泵的设计总功率为1 619.2 kW。

表8 末端定压差控制模式下冷水泵选型

根据水泵选型及厂家提供的变频泵参数[12]，在末端定压差控制模式下，分别计算输送管网在100%、75%、50%、25%设计流量下管网泵及各用户泵的运行参数，结果如表9～12所示，运行曲线见图15～23。

图15 末端定压差下变频泵B1运行曲线

表9 末端定压差控制模式下100%设计流量水泵工况

3 定压差设计方案比选

3.1 水泵电动机容量

根据表3和表8的统计数据，本工程输配系统中的管网泵和用户泵的配电功率之和，始端定压差控制模式下为1 457.6 kW，末端定压差控制模式下为1 619.2 kW，前者比后者低161.6 kW，即低11.1%。这是由于始端定压差控制模式下，各用户泵扬程应根据100%设计流量下的输送管网水压图进行设备选型，利用了一部分用户泵入口的资用压头，泵的扬程较小，电动机容量较小；而在末端定压差控制模式下，各用户泵扬程应根据小流量下的输送管网水压图进行设备选型，此时用户泵入口的资用压头很小(工程上按0考虑)，泵的扬程较大，电动机容量较大。

表10 末端定压差控制模式下75%设计流量水泵工况

表11 末端定压差控制模式下50%设计流量水泵工况

图16 末端定压差下变频泵B6运行曲线

图17 末端定压差下变频泵B7运行曲线

图18 末端定压差下变频泵B9运行曲线

图19 末端定压差下变频泵B10运行曲线

图20 末端定压差下变频泵B12运行曲线

图21 末端定压差下变频泵B15运行曲线

图22 末端定压差下变频泵B16运行曲线

图23 末端定压差下变频泵B17运行曲线

综上，始端定压差控制模式下，水泵投资较小。

3.2 运行能耗

根据表4～7及表9～12的统计数据，始端定压差模式下，各用户泵在运行流量减小时扬程也减小，水泵效率较高；末端定压差模式下，除最不利用户外，其他用户泵在运行流量减小时扬程增大，水泵效率较低。由于变频泵的运行效率较高，输配系统在始端定压差下各流量工况的运行功率均低于末端定压差下功率，如表13所示。

表12 末端定压差控制模式下25%设计流量水泵工况

表13 输配系统年耗电量

对于管网泵，在末端定压差下25%设计流量工况，系统扬程仅需1.8 m(见表12)，工况点已严重偏离单台水泵的稳定运行区，必须额外附加阻力提高运行扬程，本文按扬程7.2 m核算相关运行数据。末端定压差模式下，应特别关注大流量管网泵在低扬程工况下的稳定运行问题。

本项目制冷系统运行时间为4月15日至11月15日，共计214 d，每天运行16 h。简单按100%设计流量运行14 d、75%设计流量运行60 d、50%设计流量运行90 d、25%设计流量运行50 d计算全年耗电量，计算结果见表13。输配系统年耗电量，始端定压差下为189.98万kW·h，比末端定压差低29.60万kW·h，即低15.6%。

3.3 控制方案

始端定压差下输配系统各变频泵的运行工况，如图5～13所示，在“台数控制+变频调速”运行策略下，随着系统流量的减小，变频泵的运行频率降低，“流量-频率”对应关系统一，控制较稳定。

末端定压差下输配系统各变频泵的运行工况，如图15～23所示，在“台数控制+变频调速”运行策略下，随着系统流量的减小，变频泵的运行频率时高时低，“流量-频率”对应关系不统一，控制不稳定。例如：对于系统近端的用户泵B7，随着流量增加，其运行频率先增大后减小；而对于系统远端的用户泵B16，随着流量增加，其运行频率先增大后减小，然后再增大。这种“流量-频率”对应关系的不统一易造成控制系统不稳定。

4 结论

1) 该工程始端定压差方案具有投资小、运行费低及运行控制相对简单可靠的优点，建议采用。相比末端定压差方案，始端定压差方案的循环泵电动机容量低11.1%，年运行电耗低15.6%，管网泵和用户泵的全年运行效率较高。

2) 区域供冷输配二级泵系统，采用始端定压控制模式时，定压点后的各用户泵扬程=用户侧设计压降值-设计流量下各用户泵入口处的资用压头值，不能简单按用户侧设计压降值选型；每个分区的用户泵不宜少于2台，采用“台数控制+变频调速”运行策略，提高小流量下的运行效率。

3) 区域供冷输配系统设计，应综合用户末端的水温、流量、水阻力及负荷调节需求，合理确定系统形式、控制方式和水泵选型，定量分析各负荷工况下的水泵运行工况，经方案比选后确定最佳设计方案。