曠金國(guó) 王朝暉 羅曙光 陳盛階 葉 圳 許 健

(深圳市前海能源科技發(fā)展有限公司,深圳)

0 引言

我國(guó)公共建筑面積超過(guò)130億m2,推廣高效空調(diào)制冷機(jī)房是實(shí)現(xiàn)大型公共建筑節(jié)能減碳的重要抓手與主要技術(shù)路徑[1]。我國(guó)在高效制冷機(jī)房方面已經(jīng)進(jìn)行了大量實(shí)踐[2-10],使用以全年系統(tǒng)能效為設(shè)計(jì)目標(biāo)的建筑制冷系統(tǒng)正逐漸成為行業(yè)共識(shí)[11-12]。區(qū)域供冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是通過(guò)采用大規(guī)模的高效制冷站實(shí)現(xiàn)建筑園區(qū)規(guī)模幾十棟建筑的整體節(jié)能[13-15]。

區(qū)域供冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行需要各子系統(tǒng)的高效與可控運(yùn)行,包括冷卻水、冷水、乙二醇等子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)高效制冷機(jī)房需要優(yōu)化水力管路,降低流動(dòng)阻力及水泵功耗。精確的水力計(jì)算是設(shè)計(jì)高效傳輸水路系統(tǒng)及按設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行的關(guān)鍵。實(shí)際運(yùn)行中往往由于達(dá)不到設(shè)計(jì)的流量分布,導(dǎo)致難以達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的能量平衡,而基于能量平衡計(jì)算的過(guò)程控制也就無(wú)從談起。

大量實(shí)踐表明,無(wú)論是常規(guī)冷水集中空調(diào)系統(tǒng)還是區(qū)域供冷系統(tǒng),管路設(shè)計(jì)預(yù)期與項(xiàng)目竣工后的水力學(xué)性能往往有較大差別,建成項(xiàng)目的水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程遠(yuǎn)高于實(shí)際需要揚(yáng)程,水泵運(yùn)行流量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)流量[16]。造成這種情況的原因是設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了一些不確定性因素,但實(shí)際上這些不確定因素可能并不存在,比如考慮管線路由的變化采用了1.1 的阻力安全系數(shù)。事實(shí)上,在施工圖設(shè)計(jì)階段,主要設(shè)備參數(shù)已基本確定,比如冷凝器、冷卻塔、止回閥、過(guò)濾器、蝶閥等均在設(shè)計(jì)選型時(shí)確定了壓降,異徑管、三通、彎頭幾何參數(shù)與位置,以及管道流量、直徑與長(zhǎng)度也基本確定,在施工圖深化設(shè)計(jì)階段,即使對(duì)管線布置與管線長(zhǎng)度作適當(dāng)調(diào)整,增減少量的彎頭,或者改變管件間距,也不會(huì)對(duì)管路水力性能造成太大變化,尤其是采用BIM工具后,施工圖深化時(shí)的改動(dòng)越來(lái)越少。由此看來(lái),在設(shè)備的精確水力選型基礎(chǔ)上,施工圖設(shè)計(jì)階段的管路系統(tǒng)水力計(jì)算模型不準(zhǔn)確是造成管路水力學(xué)性能偏離的主要原因。

在暖通專業(yè)設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)的管路水力計(jì)算采用Excel表格作為計(jì)算工具[17]?；谥饕O(shè)備包括冷凝器、冷卻塔、止回閥、過(guò)濾器等的壓降由設(shè)計(jì)選型確定[4],施工圖設(shè)計(jì)中水泵揚(yáng)程的不確定性影響主要是管道沿程阻力與其他管件局部阻力的計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[18]的綜述,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)化的固定局部阻力系數(shù),通常沒(méi)有考慮管件幾何形狀和流場(chǎng)的影響,計(jì)算總壓降往往與實(shí)際值偏差較大,造成施工圖設(shè)計(jì)結(jié)果的偏差,同時(shí)由于不能準(zhǔn)確反映每個(gè)管件的壓降影響因素,可能造成某些管件阻力優(yōu)化的性價(jià)比太低。

成熟的商業(yè)化水力學(xué)計(jì)算軟件已成為復(fù)雜工業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)的常用設(shè)計(jì)工具,這些軟件系統(tǒng)整合了權(quán)威文獻(xiàn)中的物性數(shù)據(jù)、各種設(shè)備性能模型、管件阻力系數(shù)模型等,同時(shí)還配有強(qiáng)大的方程求解器,從大系統(tǒng)范圍對(duì)所有部件的聯(lián)立方程進(jìn)行迭代求解,提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性,大大縮短了設(shè)計(jì)周期。比如文獻(xiàn)[19]利用AFT Fathom流體仿真軟件對(duì)核電廠實(shí)際系統(tǒng)流程和布置搭建了水力計(jì)算模型,提升了計(jì)算精度和深度,實(shí)現(xiàn)了核電廠的精細(xì)化設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[20]采用FlowMaster軟件進(jìn)行仿真模擬,對(duì)變頻器冷卻系統(tǒng)水冷管路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化后的管路總壓降減小了10.4%;文獻(xiàn)[21]采用AFT Fathom流體仿真軟件對(duì)電廠管道阻力進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算,大大提高了阻力計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性,為設(shè)備選型、管徑選擇和管道布置提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù);文獻(xiàn)[22]采用AFT Fathom流體仿真軟件對(duì)大型復(fù)雜循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行管網(wǎng)計(jì)算,得到了最優(yōu)的主控支路設(shè)定方案;文獻(xiàn)[23]基于PDMS(工廠設(shè)計(jì)管理系統(tǒng))管道三維模型,建立了水頭損失的自動(dòng)化計(jì)算工具,減少了計(jì)算工作量,提升了工作效率,提高了計(jì)算的精確度;文獻(xiàn)[24]采用FlowMaster軟件對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)缺陷診斷及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了嘗試。

商業(yè)水力計(jì)算軟件的核心是精確的設(shè)備與管件水力學(xué)模型,其依據(jù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本來(lái)自幾個(gè)經(jīng)典的文獻(xiàn)[18]。相對(duì)于復(fù)雜工業(yè)動(dòng)力系統(tǒng)及城市供水管網(wǎng)系統(tǒng),區(qū)域供冷系統(tǒng)的冷卻水管路簡(jiǎn)單,在不需要進(jìn)行系統(tǒng)水力平衡狀態(tài)迭代計(jì)算的情況下,依托準(zhǔn)確的局部阻力系數(shù)模型,也可以利用Excel對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化水力計(jì)算,包括管路減阻。由于計(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù)的開(kāi)放性,相比商業(yè)軟件來(lái)說(shuō),利用Excel計(jì)算更有利于理解管路系統(tǒng)的水力學(xué)現(xiàn)象,便于工程實(shí)踐。

本文建立了冷卻水管路精細(xì)化水力仿真模型,采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)已建成的深圳前海區(qū)域供冷10號(hào)制冷站1期冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用Excel軟件計(jì)算分析管路阻力分布,利用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)校核驗(yàn)證仿真模型,提出高效機(jī)房管路減阻的優(yōu)化分析方法。

1 冷卻水系統(tǒng)水力計(jì)算模型

圖1為深圳前海區(qū)域供冷10號(hào)制冷站1期雙工況制冷機(jī)冷卻水系統(tǒng)的軸測(cè)圖。10號(hào)制冷站1期原設(shè)計(jì)采用3臺(tái)單臺(tái)制冷量7 737 kW(2 200 rt)雙工況制冷機(jī),每臺(tái)制冷機(jī)冷卻水流量為1 585 m3/h。圖1顯示了B3#冷卻水泵(65)出水口到C9#冷卻塔(40),再到水泵進(jìn)水口的流程。水泵出水口即漸擴(kuò)管(1)入口,水泵進(jìn)水口即漸縮管(64)出口。這個(gè)管路包括了止回閥、冷凝器、過(guò)濾器、冷凝器在線清洗接頭、各種蝶閥、90°三通、90°彎頭、異徑管、噴頭、集水盤、冷卻塔等主要設(shè)備與管件,以及連接這些設(shè)備或管件的管道,合計(jì)64個(gè)部件、62個(gè)連接這些部件的管道,以及124個(gè)管道節(jié)點(diǎn)。管道節(jié)點(diǎn)即每個(gè)部件的進(jìn)出口節(jié)點(diǎn),用I表示進(jìn)口,O表示出口,比如I2與O2分別表示第2個(gè)部件的進(jìn)口節(jié)點(diǎn)與出口節(jié)點(diǎn)。冷卻塔(40)相當(dāng)于噴頭到集水盤的連接通道。

圖1 冷卻水系統(tǒng)軸測(cè)圖

與圖1對(duì)應(yīng)的涉及管徑與流量變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 冷卻水管路管徑及流量分布

根據(jù)圖1的流程建立水力計(jì)算模型。模型中考慮了各個(gè)設(shè)備、管件與管段的機(jī)械能損失,總機(jī)械能表示為

(1)

式中ρ為密度,kg/m3;H為總水頭,m;g為自由落體加速度,m/s2;p為壓力,Pa;v為參考截面流速,m/s,根據(jù)文獻(xiàn)[18],90°三通取最大流量截面流速,漸縮漸擴(kuò)取最大流速截面流速;z為海拔,m;下標(biāo)i表示節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)伯努利方程,設(shè)備、管件或管段的總水頭損失ΔHi定義為

ΔHi=HIi-HOi

(2)

式中 下標(biāo)Ii表示第i個(gè)設(shè)備、管件或管段的入口截面;下標(biāo)Oi表示第i個(gè)設(shè)備、管件或管段的出口截面。

B3#水泵揚(yáng)程為圖1管路所有設(shè)備、管件與管段的總水頭損失之和,計(jì)算公式為

(3)

式中 ΔHead3為B3#水泵的揚(yáng)程,m;ΔHOi_I(i+1)為第i個(gè)設(shè)備或管件出口到第i+1個(gè)設(shè)備或管件入口的連接管道沿程總水頭損失,m。

通常測(cè)量水泵揚(yáng)程時(shí),壓力傳感器的測(cè)點(diǎn)布置在漸擴(kuò)出口的下游和漸縮入口的上游,圖1中傳感器分別放置于軟連接出口O2、90°彎頭入口I62。漸擴(kuò)+軟連接、90°彎頭+軟連接+漸縮2段管路的阻力引起的機(jī)械能損失將造成水泵揚(yáng)程測(cè)量偏差,在實(shí)際測(cè)量水泵揚(yáng)程時(shí)需要對(duì)這部分機(jī)械能損失進(jìn)行補(bǔ)償。式(3)可表示為

(4)

對(duì)設(shè)備或管件內(nèi)部復(fù)雜的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化,其總水頭損失采用局部阻力系數(shù)計(jì)算,表示為

(5)

式中ξi為第i個(gè)設(shè)備或管件的局部阻力系數(shù)。

90°三通、90°彎頭、漸擴(kuò)漸縮、蝶閥等管件的局部阻力系數(shù)參考文獻(xiàn)[18]取值,結(jié)果見(jiàn)表2。需要說(shuō)明的是,文獻(xiàn)[18]中的數(shù)據(jù)參考了幾十年來(lái)國(guó)際上教科書、工程手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范、商業(yè)軟件的主要數(shù)據(jù),而文獻(xiàn)[25]也對(duì)各種形狀的彎頭和三通進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析。本文采用文獻(xiàn)[18]中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為后續(xù)仿真分析的依據(jù)。鑒于我國(guó)缺乏這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),筆者正在采用CFD理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法,對(duì)各種管件的局部阻力系數(shù)進(jìn)行研究,目前已完成Y形過(guò)濾器的分析。相比文獻(xiàn)[18]的數(shù)據(jù),由于利用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù),可以考慮更多的幾何維度,結(jié)果更精確,可用于工程設(shè)計(jì)與選型。

表2 局部阻力系數(shù)取值

根據(jù)文獻(xiàn)[18],90°三通的局部阻力系數(shù)取決于分流比q和面積比a。q的計(jì)算式為

(6)

式中Q1為變流向的支管段流量,m3/h;Q3為總流量,m3/h。

本文計(jì)算用分流比根據(jù)設(shè)計(jì)流量分布或者實(shí)測(cè)流量分布確定,實(shí)際運(yùn)行時(shí)不同工況對(duì)應(yīng)不同分流比。

(7)

式中A1為變流向的支管截面積,m2;A3為總管截面積,m2;D1為變流向的支管直徑,m;D3為總管管徑,m。

表2中90°三通的局部阻力系數(shù)考慮了面積比和分流比的影響。對(duì)于已建成系統(tǒng)來(lái)說(shuō),每個(gè)三通的面積比a是固定的,而分流比q會(huì)隨不同運(yùn)行工況變化,筆者根據(jù)Miller手冊(cè)[26]數(shù)據(jù)對(duì)不同面積比a時(shí)局部阻力系數(shù)隨分流比q的變化進(jìn)行了修正,而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),局部阻力系數(shù)取值與分流比和面積比均無(wú)關(guān)。

式(1)～(7)為管路水力計(jì)算與分析的通用模型,通過(guò)變化部件組合、各部件幾何形狀、各部件水力工況、管路邊界條件等,該模型可以用于不同管路的水力學(xué)分析。

在施工圖設(shè)計(jì)時(shí),冷凝器、冷卻塔、過(guò)濾器、止回閥等的阻力系數(shù)均可根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。根據(jù)采購(gòu)參數(shù),制冷機(jī)冷凝器流量為1 585 m3/h時(shí),壓降為5.49 m,計(jì)算得到冷凝器的阻力系數(shù)為21.8。實(shí)際建設(shè)過(guò)程中,施工單位較少重視對(duì)過(guò)濾器與止回閥選型技術(shù)參數(shù)采購(gòu)壓降的要求,由此導(dǎo)致不同項(xiàng)目過(guò)濾器與止回閥的實(shí)際壓降與設(shè)計(jì)要求差別很大。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取過(guò)濾器與止回閥的局部阻力系數(shù),結(jié)果分別為4.8和3.6。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,冷卻塔壓降在冷卻塔設(shè)計(jì)揚(yáng)程的基礎(chǔ)上,根據(jù)集水盤水位深度作了修正。

2 模型計(jì)算與驗(yàn)證

2.1 模型計(jì)算

根據(jù)第1章水力計(jì)算模型,本文首先對(duì)3臺(tái)水泵同時(shí)工頻運(yùn)行的工況進(jìn)行仿真模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試。本文只分析圖1中管路的水力特性,不考慮管路與水泵的耦合及不同支路間的耦合,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得模型計(jì)算中用到的不同管段的冷卻水流量分布。

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了圖1中B1#～B3#冷卻水泵支路的流量、C1#～C9#冷卻塔支路的供水量。對(duì)2次測(cè)量的數(shù)據(jù)取平均值,B1#～B3#水泵對(duì)應(yīng)流量分別為1 973、1 948、1 942 m3/h;C1#～C9#冷卻塔對(duì)應(yīng)流量依次為586、657、653、662、640、641、742、687、596 m3/h。用超聲波流量計(jì)測(cè)量流量時(shí)需考慮管段長(zhǎng)度,3臺(tái)水泵支路的直管段較長(zhǎng),接近流量計(jì)的測(cè)量要求,冷卻塔支路的直管段較短,用超聲波流量計(jì)測(cè)量的誤差較大,本文根據(jù)3臺(tái)水泵支路流量總量,對(duì)冷卻塔的水量進(jìn)行了修正。根據(jù)流量測(cè)量數(shù)據(jù)得到圖1所示冷卻水管路的流量分布,見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),水泵實(shí)際運(yùn)行流量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)工況流量。

圖2顯示了計(jì)算得到的冷卻水回路3的水頭分布。根據(jù)圖2仿真模擬結(jié)果,可以精細(xì)化分析冷卻水管路整體及局部的水力學(xué)特性,同時(shí)還可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的分析。

圖2 冷卻水回路3計(jì)算水頭曲線與實(shí)驗(yàn)壓力水頭曲線

圖2結(jié)果顯示,水泵揚(yáng)程為25.66 m。測(cè)量水泵揚(yáng)程的2個(gè)傳感器位置間的總水頭差計(jì)算結(jié)果為24.63 m,與計(jì)算水泵揚(yáng)程差了1.03 m,需要根據(jù)式(4)進(jìn)行修正。

從總水頭曲線可以看出,止回閥(4)、冷凝器(7)、冷卻塔(40)和過(guò)濾器(60)4個(gè)主要設(shè)備與管件產(chǎn)生的水頭降是整個(gè)管路的主要水頭降,合計(jì)達(dá)到17.97 m,占水泵揚(yáng)程的70%。在設(shè)計(jì)中,4個(gè)主要設(shè)備與管件的水頭降特性是確定的,由此看來(lái),如果其余管件和管道的水頭降計(jì)算偏大33%,則整個(gè)水泵揚(yáng)程計(jì)算將偏大10%;如果水泵計(jì)算揚(yáng)程偏大30%,則其余管件和管道的水頭降計(jì)算偏大100%。

單個(gè)管件水頭降較大的還有漸擴(kuò)(1),達(dá)到0.73 m,原因及優(yōu)化措施在3.1節(jié)分析。

圖2中測(cè)壓管水頭與總水頭的差即為動(dòng)壓,當(dāng)兩者差距較大時(shí),說(shuō)明流速較大。

壓力水頭值是壓力傳感器測(cè)得的表壓,當(dāng)為了獲得某一位置的壓力而測(cè)量另一個(gè)位置的壓力時(shí),除了要考慮這2個(gè)位置間的總水頭損失及高度落差外,還要注意流速變化引起的壓力變化。比如在水泵入口需要經(jīng)常監(jiān)測(cè)汽蝕余量,但是一般壓力傳感器測(cè)點(diǎn)均在漸縮入口的上游,如圖1所示,測(cè)點(diǎn)放置于90°彎頭入口(I62),進(jìn)行高度補(bǔ)償后,水泵入口測(cè)壓管水頭比測(cè)點(diǎn)的測(cè)壓管水頭還低1.45 m。模型計(jì)算表明,該工況的動(dòng)壓頭從90°彎頭入口(I62)的0.37 m變化到漸縮出口(O64)的1.57 m,變化達(dá)到1.20 m,同時(shí)90°彎頭+軟連接+漸縮管路的機(jī)械能損失為0.25 m。由此可以看出,2個(gè)位置速度的變化是引起2個(gè)測(cè)點(diǎn)壓差較大的主要原因,需要在實(shí)際運(yùn)行壓力監(jiān)測(cè)過(guò)程中加以校正,見(jiàn)式(8)。

(8)

式中pm、Hm、vm、zm分別為壓力、總水頭、截面流速、海拔的測(cè)量值。

式(8)等號(hào)右邊Hi-Hm可以根據(jù)模型計(jì)算獲得,右邊其他變量通過(guò)測(cè)量獲得。

對(duì)于水泵來(lái)說(shuō),隨著冷卻水流量的增大,入口壓力減小。當(dāng)沿程有某個(gè)部件不正常工作時(shí),比如過(guò)濾器嚴(yán)重堵塞,或者閥門異常關(guān)小,會(huì)造成水泵入口壓力達(dá)到汽蝕壓力,此時(shí)冷卻水回水達(dá)到最大驅(qū)動(dòng)力,流量達(dá)到最大流量。

2.2 模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本文提出的水力計(jì)算模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)校核。3臺(tái)水泵工頻運(yùn)行時(shí)的流量分布見(jiàn)表1。同時(shí)測(cè)量了B3#水泵支路的4個(gè)壓力傳感器壓力,即圖1中的傳感器3、傳感器10、傳感器59和傳感器61,分別位于水泵連接漸擴(kuò)段出口、冷凝器出口、過(guò)濾器入口和過(guò)濾器出口,也測(cè)量了每個(gè)冷卻塔集水盤水位高度。

壓力傳感器精度為±0.3%量程;在每個(gè)冷卻塔集水盤布置了水位傳感器,精度為±0.3%量程;冷卻水流量通過(guò)便攜式超聲波流量傳感器測(cè)量,精度為0.5%。受測(cè)點(diǎn)位置選取的影響,超聲波流量計(jì)的測(cè)量偏差大于傳感器本身精度。

本文計(jì)算中,將測(cè)得的流量分布作為計(jì)算模型的已知參數(shù),將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的4個(gè)壓力及已知的冷卻塔噴頭出口和集水盤入口自由液面大氣壓6個(gè)壓力數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,實(shí)現(xiàn)水力仿真計(jì)算模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與校核。圖2顯示了4個(gè)壓力傳感器測(cè)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù),可以看出,模擬仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)比較接近,誤差分別為0.66、0.34、1.35、1.34 m,說(shuō)明本文提出的水力仿真模型在水泵出口到冷卻塔噴頭管段的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,在冷卻塔集水盤到水泵入口管段的計(jì)算結(jié)果有一定誤差。

圖1中4個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)與2個(gè)自由液面將冷卻水管路分成6個(gè)管段,其中,集水盤液面到水泵入口前傳感器及冷凝器出口傳感器到冷卻塔噴頭的2個(gè)管段主要由管道與管件等低阻力部件組成,包括90°彎頭、三通等,沒(méi)有其他主要設(shè)備壓降的影響,這2個(gè)管段的壓降可以更有效驗(yàn)證仿真模型的壓降計(jì)算效果。圖3顯示了上述2個(gè)管段的計(jì)算壓降及實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)。由圖3可見(jiàn),采用本文模型,計(jì)算壓降分別為測(cè)量壓降的111%和79%。本文對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型也進(jìn)行了計(jì)算,2個(gè)管段壓降分別為測(cè)量數(shù)據(jù)的236%和120%,偏離較大?？梢钥闯?本文模型更接近于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 不同模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的冷卻水回路壓降比較

對(duì)水力計(jì)算模型進(jìn)行校核的另一個(gè)方式是依據(jù)水泵特性曲線流量與揚(yáng)程的關(guān)系。圖4顯示了B3#水泵出廠測(cè)試特性曲線及本文仿真模型得到的揚(yáng)程,計(jì)算工況同樣是表1中的實(shí)驗(yàn)工況。由圖4可見(jiàn),在流量為1 942 m3/h時(shí),本文模型較好地預(yù)測(cè)了管路水力特性,預(yù)測(cè)水泵揚(yáng)程為25.7 m,與水泵特性曲線值一致。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型計(jì)算得到的揚(yáng)程為31.6 m,偏差較大。根據(jù)圖2中的測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)水泵進(jìn)出口管段修正后的水泵揚(yáng)程測(cè)量值為26.3 m,本文模型預(yù)測(cè)值為測(cè)量值的98%,相差-0.6 m;傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型計(jì)算結(jié)果為測(cè)量值的120%,相差5.9 m。2個(gè)模型計(jì)算中,主要設(shè)備采用了同樣的阻力系數(shù),同時(shí)管道的壓降模型也一致,因此,計(jì)算結(jié)果的差別主要體現(xiàn)在其他管件的計(jì)算模型取法上。本文模型計(jì)算較好地模擬了冷卻水管路總壓降。

圖4 水泵特性曲線與不同模型計(jì)算揚(yáng)程

以上結(jié)果表明,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)水力計(jì)算模型不能準(zhǔn)確反映管路水力學(xué)現(xiàn)象,得到的設(shè)計(jì)水泵揚(yáng)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際運(yùn)行參數(shù),而本文仿真模型計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確地反映了管路阻力分布,與實(shí)驗(yàn)測(cè)量水泵揚(yáng)程及水泵特性曲線比較吻合。究其原因,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)管段壓降的偏離是由各個(gè)部件壓降計(jì)算結(jié)果偏差匯總而得,而傳統(tǒng)計(jì)算中三通和彎頭的局部阻力系數(shù)取值均偏大。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]中三通局部阻力系數(shù)取值,Miller手冊(cè)[26]和DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》2個(gè)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)均考慮了三通局部阻力系數(shù)受分流比和面積比的影響,且2個(gè)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基本一致,筆者認(rèn)為這些數(shù)據(jù)代表了三通的較精確的水力學(xué)特性。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中三通局部阻力系數(shù)采用了固定值,且偏大,見(jiàn)表2。

對(duì)于90°彎頭來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)計(jì)算采用的局部阻力系數(shù)為0.89,文獻(xiàn)[18]采用的局部阻力系數(shù)為0.18,計(jì)算表明,2種局部阻力系數(shù)取法導(dǎo)致管路中大多數(shù)彎頭的壓降相差超過(guò)0.2 m,又由于彎頭數(shù)量較多,達(dá)到17個(gè),匯總可得所有彎頭壓降相差合計(jì)超過(guò)3.0 m,傳統(tǒng)取法過(guò)高估計(jì)了90°彎頭的壓力損失,對(duì)整體管路系統(tǒng)的壓降計(jì)算影響較大,這是導(dǎo)致傳統(tǒng)計(jì)算揚(yáng)程偏大的一個(gè)主要原因。筆者專門對(duì)DN400的90°彎頭的壓降作了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明,在流速達(dá)到3.3 m/s時(shí),其壓降可以忽略,這與Miller手冊(cè)[26]及文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

盡管本文只取用了深圳前海10號(hào)制冷站冷卻水系統(tǒng)一種運(yùn)行工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),即3臺(tái)水泵同時(shí)工頻運(yùn)行,但圖3中除了采用本文測(cè)試得到的水泵揚(yáng)程數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核,還將水泵出廠特性曲線也作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了二次校核。筆者也對(duì)該系統(tǒng)3臺(tái)水泵的各種變頻運(yùn)行組合工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)分析,并與本模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,模型中采用了同樣的通用管件局部阻力系數(shù)取法,結(jié)果表明本文模型可以精確模擬深圳前海10號(hào)制冷站冷卻水系統(tǒng)的水力學(xué)特性。鑒于本文計(jì)算結(jié)果是基于通用模型與通用局部阻力系數(shù),同時(shí)多種運(yùn)行工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均可以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證角度表明本文模型具有通用性。同時(shí),本文模型的準(zhǔn)確性也顯示了其比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型有更好的通用性與工程應(yīng)用價(jià)值。

3 模型的應(yīng)用

3.1 部件壓力損失與管路減阻優(yōu)化

本節(jié)利用第1章提出的冷卻水管路水力仿真模型,對(duì)已建設(shè)完成的實(shí)際管路系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況的運(yùn)行進(jìn)行仿真分析,設(shè)計(jì)工況流量、流速分布見(jiàn)表1。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,表中對(duì)各類部件的壓降進(jìn)行了匯總,并對(duì)減阻效果作了分析。

表3 設(shè)計(jì)工況各類部件的壓降匯總

由表3可以看出:4個(gè)主要設(shè)備是管路總壓降的主要影響因素,可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè),也是高效機(jī)房降阻的主要方向;只要流速合理,管道沿程阻力都很低,長(zhǎng)度或高度的影響不大;其他低阻力部件的壓降是管路總阻力的不確定因素,也是水力計(jì)算模型是否能精確描述水力特性的關(guān)鍵,決定了水泵設(shè)計(jì)選型的準(zhǔn)確性,以及應(yīng)用該模型分析管路減阻的合理性。

對(duì)應(yīng)表3中各類部件的壓力損失,圖5顯示了冷卻水管路所有部件的壓力損失,圖中較精確地量化描述了各個(gè)部件的壓力損失分布。低阻力部件中,漸擴(kuò)(1)壓降為0.49 m,背向分流三通(55)壓降為0.40 m。從部件壓力損失的角度分析,漸擴(kuò)(1)和背向分流三通(55)是部件減阻的主要對(duì)象,而對(duì)于90°彎頭及其他三通,其壓降均小于0.20 m,減阻效果不明顯。

注:止回閥(0.83 m)、冷凝器(5.49 m)、冷卻塔(6.54 m)、過(guò)濾器(1.20 m)壓降遠(yuǎn)大于其他部件,圖中未顯示。圖5 冷卻水管路部件壓降分布

漸擴(kuò)(1)壓降較大的原因是參考截面管徑為DN300,設(shè)計(jì)工況流速達(dá)到6.2 m/s,雖然局部阻力系數(shù)為0.25,但是壓降依然達(dá)到0.49 m,顯然需要增大漸擴(kuò)入口的管徑,即水泵出口的管徑,降低水泵出口流速,從而達(dá)到降低壓降的目的。如果將截面管徑改為DN350,則流速變?yōu)?.6 m/s,局部阻力系數(shù)變?yōu)?.10,漸擴(kuò)的壓降減小為0.10 m,減阻效果明顯。

背向分流三通(55)壓降較大的原因是總管流速達(dá)到2.63 m/s,盡管局部阻力系數(shù)為1.14,但是動(dòng)壓較大導(dǎo)致其壓降也較大。如果將背向分流三通的總管管徑從DN800變?yōu)镈N900,則壓降從0.40 m變?yōu)?.25 m,減少0.15 m,效果不太明顯,但是管道增大管徑后,成本增加較多。如果將背向分流三通改為長(zhǎng)半徑90°彎頭,放置于冷卻水分流總管的端部,則彎頭局部阻力系數(shù)變?yōu)?.18,壓降變?yōu)?.06 m,減阻效果明顯。由此可以看出,應(yīng)當(dāng)盡量避免使用背向分流三通。而實(shí)際施工過(guò)程中,為了簡(jiǎn)化管路布置,很容易采用背向分流三通取代原設(shè)計(jì)的90°彎頭。

以上三通改彎頭的結(jié)論同樣適用于對(duì)向匯流三通(15),如果改為長(zhǎng)半徑90°彎頭,則局部阻力系數(shù)從0.77變?yōu)?.18,壓降從0.27 m變?yōu)?.06 m,減阻效果也比較明顯。

3.2 部件功耗與管路減阻優(yōu)化

部件的局部阻力和管道的沿程阻力使水泵提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,冷卻水管路所有部件和管道的功耗之和即為所有冷卻水泵的有效功率。高效機(jī)房的水力減阻就是通過(guò)合理降低每個(gè)部件、管道的功耗,達(dá)到降低冷卻水泵總功耗的目的。單個(gè)部件、管道功耗可表示為

(9)

式中wi為單個(gè)設(shè)備、管件、管道i的功耗,W;Qi為單個(gè)設(shè)備、管件、管道i的流量,m3/h。

對(duì)于冷卻水管路,所有部件的功耗為水泵的有效功率W,即

W=∑wi

(10)

對(duì)管路降阻就是合理降低所有部件的機(jī)械能損失wi。由式(4)可知,由于流經(jīng)每個(gè)部件的流量Qi不同,因此每個(gè)部件的總水頭損失不代表每個(gè)部件的功耗,也不能用單個(gè)部件總水頭損失簡(jiǎn)單相加來(lái)比較不同設(shè)計(jì)組合的水泵有效功率。而式(10)則代表了所有部件的機(jī)械能損失,其和就是水泵有效功率。根據(jù)式(10)對(duì)所有部件的功耗進(jìn)行優(yōu)化可以得到最小水泵有效功率。

對(duì)于大流量部件要盡量減小壓降,以增強(qiáng)節(jié)能效果。圖6顯示了冷卻水管路不同部件的功耗分布。冷凝器、冷卻塔、過(guò)濾器和止回閥等是功耗最大的4個(gè)部件。其中,冷卻塔功耗為1個(gè)冷卻塔的功耗,根據(jù)流量分配,1個(gè)冷卻水泵支路對(duì)應(yīng)3個(gè)冷卻塔,如果冷凝器的功耗為26.25 kW,則冷卻塔的功耗為10.42 kW×3=31.26 kW。冷卻塔的壓降是一個(gè)固定值,根據(jù)第3.1節(jié)的分析,隨著流量的減小,其他部件和管道的阻力均隨流量呈二次冪減小,從而導(dǎo)致冷卻塔壓降占總壓降的比例增大,占總功耗的比例也增大,高效機(jī)房中采用較矮的冷卻塔,節(jié)能效果明顯。

注:冷凝器(26.25 kW)、冷卻塔(10.42 kW)功耗遠(yuǎn)大于其他部件,圖中未顯示。圖6 冷卻水管路部件功耗分布

背向分流三通(55)、對(duì)向匯流三通(15)和側(cè)向匯流三通支管段(51)的功耗比較大,分別為5.69、3.83和3.06 kW,原因是它們都是對(duì)應(yīng)總管的流量,即3臺(tái)水泵流量之和。另外,漸擴(kuò)的功耗為2.32 kW,也需要通過(guò)增大水泵入口管徑來(lái)降低。與圖5對(duì)應(yīng),側(cè)向匯流三通支管段(13)、背向分流三通(34)和側(cè)向匯流三通支管段(45)的壓降雖然大于0.20 m,但是功耗只有1 kW或更小,主要是因?yàn)榱髁枯^小。從部件功耗的角度分析,漸擴(kuò)(1)、背向分流三通(55)、對(duì)向匯流三通(15)和側(cè)向匯流三通支管段(51)均是減阻的主要對(duì)象,其他部件減阻效果不明顯,包括90°彎頭。

需要說(shuō)明的是,本文只對(duì)設(shè)計(jì)工況的減阻優(yōu)化進(jìn)行了分析,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)全年8 760 h每個(gè)部件的運(yùn)行參數(shù)時(shí)間分布進(jìn)行積分,即:

(11)

式中Ei為第i個(gè)部件全年機(jī)械能損耗,kW·h;τ為時(shí)間,h。

所有部件的全年機(jī)械能損耗為全年水泵機(jī)械能輸出或全年管路機(jī)械能總損耗。對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)合每個(gè)部件全年運(yùn)行工況,對(duì)全年管路機(jī)械能總損耗進(jìn)行優(yōu)化,可得到最優(yōu)化能耗的管路設(shè)計(jì),同時(shí)得到各部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

結(jié)合每個(gè)部件減阻的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析,對(duì)不同設(shè)計(jì)的投資與系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的節(jié)能效益進(jìn)行比較,從而得到最經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)。

上述2章分別從部件壓力損失和部件功耗角度對(duì)各類部件的減阻效果進(jìn)行了分析。本文的分析方法與計(jì)算結(jié)果不只限于區(qū)域供冷的冷卻水系統(tǒng),也可以推廣到其他水力管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行分析,具有工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

空調(diào)系統(tǒng)的水力平衡計(jì)算是能量衡算與質(zhì)量衡算的基礎(chǔ),精確的水力平衡計(jì)算需要有精確的水力計(jì)算模型。本文對(duì)深圳前海10號(hào)制冷站冷卻水系統(tǒng)建立了精細(xì)化的水力仿真模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明,本文仿真模型能較精確地計(jì)算整個(gè)管路系統(tǒng)的壓降及分段管路壓降,可以較為精確地預(yù)測(cè)冷卻水管路水力學(xué)現(xiàn)象,并用于工程分析。通過(guò)仿真計(jì)算,得到了管路所有管件的阻力分布,以及各個(gè)管件的機(jī)械功耗,全面反映了確定水泵揚(yáng)程與水泵有效功率的影響因素。本文還提出了高效機(jī)房管路減阻的分析優(yōu)化方法。計(jì)算表明,傳統(tǒng)水力計(jì)算中90°彎頭、三通等管件的局部阻力系數(shù)取值偏大導(dǎo)致管路水泵揚(yáng)程計(jì)算值與實(shí)際值有較大偏差。本文建立的仿真模型,可以用于施工圖階段的精細(xì)化設(shè)計(jì),也可以用于運(yùn)行過(guò)程的各種水力工況分析,是高效機(jī)房設(shè)計(jì)運(yùn)行分析中對(duì)管路減阻分析優(yōu)化的一個(gè)有效工具。鑒于本文模型數(shù)學(xué)方程的通用性、管件局部阻力系數(shù)取法的通用性、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的通用性、計(jì)算結(jié)果精確性的通用性、計(jì)算分析方法與計(jì)算結(jié)果的通用性等,本文模型在工程中有較高實(shí)用價(jià)值。