关于水泵并联运行的流量变化分析

王于虎*

深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司 518054

【摘 要】空调系统的设计容量越来越大，设计中不可避免地会出现多台主机及水泵并联运行的情况，本文就此问题，根据水泵的运行特性，分析了水泵在不同工况下的流量变化情况，通过案例分析了实际设计中遇到的问题，同时分析了水泵自身特性及管网特性对系统流量的影响。

【关键词】水泵；并联；流量变化

Analysis of Flow Change of Parallel Operation of Water Pump

By Wang Yuhu

ABSTRACT The design capacity of air-conditioning system is getting larger and larger. It is inevitable that several chiller and water pumps will run in parallel in the design. According to the operation characteristics of water pumps, this paper analyzes the flow rate changes of water pumps under different working conditions, analyzes the problems encountered in the actual design through cases, and analyzes the flow of the system caused by the characteristics of water pumps and pipe network Influence.

KEYWORDS water pump; parallel connection; flow rate change

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

关于水泵并联工况下的流量变化已有比较成熟的理论，一般认为：相同型号的水泵并联后流量会不等倍增加；并联工况下的部分水泵停止运行时，剩下的水泵会过流量运行。所有的设计师都比较熟悉上述的两种说法，但并不清楚这两种说法分别成立的条件，即对应的管网特性，其实这两种说法是相互对立的观点，各自都必须在在特定的管网特性下才正确，具有一定的局限性，也就是说，在固定的管网系统中，上述两种观点只有一个成立。若搞不清上述说法成立的条件，在设计时就比较容易出现误区。

例如，一个3台主机的系统总设计流量为3000m³/h,满负荷工况的阻力为30mH₂O，在选取水泵时，是否需要考虑并联时水泵流量的衰减，把单台水泵的设计流量由1000 m³/h加大到1200 m³/h，或者更大？对于三台水泵并联运行的系统，并联运行对系统流量的影响尚可忽略，一般设计就按常规的1.1倍的放大系数，设计取值1100 m³/h，假定系统中有10台泵并联，理论上并联运行对系统流量的影响已不能忽略，是否还能按设计流量选型？相信这是困扰很多设计师的问题。

以下就两台同型号定频水泵的并联的工况对此问题进行分析。

2 减少运行台数时单泵流量增加

对于特定管网阻力特性的空调水系统，相同型号的水泵在并联后，扬程、流量都会增加，但总流量要小于单台泵运行的流量之和^[1]，如图1所示。传统理论解释为：两台水泵并联后的综合特性曲线为α，与管网曲线a交于1点，当单台泵运行时，单台水泵曲线为β，与管网曲线交于2点，这种解释是基于管网特性曲线不变的情况。在实际工程中，为避难出现这种水泵过流的情况，要在关闭部分水泵时，调节管网阻力，使管网曲线由a变为b,使运行工况点变为3点，但在实际调节过程中，具体需要增加多少阻力才能达到预期工况，除非针对事先计算好的各种水泵组合工况下对应的阻力，否则只能通过水泵流量反馈调节。

对上述问题，若以单台水泵为研究对象的话，可以理解为：在两台泵同时运行的情况下，对于主干管（共管部分），可理解为两台水泵共用了公共管道，在两台泵都按设计流量运行时，管道的运行阻力与水泵的设计扬程刚好匹配，即为图中的曲线a，水泵运行工况即为交点1；而在单台泵运行时，原主管的运行流量变小了，可理解为主干管的“交通压力”变小了，也就是阻抗变小了，同时水泵的“运行压力”也会随之减小，扬程就会减小。管网特性也随之发生了变化，由b变为a，工况点从1点变为2点。此时若要维持水泵并联时的设计流量Q1/2，调节目标就比较明确了：只要将共用管道的阻力提高，加大“交通压力”至并联运行时的工况，则水泵的运行工况将重新恢复到并联运行时的状况，也就是图中的3点，也就是说：1、管网特性是固定的，但系统阻力是随流量变化而变化的；2、在水泵频率、输送介质等条件不变的情况下，流量变化的唯一主动因素就是系统阻力，只要维持系统阻力不变，水泵的流量是不会随并联的台数而发生变化的。

图1 并联水泵特性曲线

图2 系统Ⅰ示意图 图3系统Ⅱ示意图

图4系统Ⅲ示意图 图5系统Ⅳ示意图

在实际设计中，有两种不同的系统型式Ⅰ、Ⅱ(如图2、图3)。系统Ⅰ的系统共用集管（主干管）较长，管网特性曲线主要取决于共用集网，这种型式的水系统适用于末端负荷的位置相对集中的情况；系统Ⅱ的共用集管较短，共用管网对管网曲线的影响较小，这种型式适用于末端负荷位置相对独立，比如两栋共用系统的建筑分别位于制冷机房的两侧^[2]。

对于图3所示的系统Ⅱ：由于主机、水泵及末端环路相对独立，如忽略共用集管的影响，可将其近似的看为系统Ⅲ（如图4），由2个特性曲线为图1中的b并联组成的系统。当系统满负荷运行时，设计工况 点为图1中两组3点合并的系统；当系统的负荷变为一半时（假设示意图中的两组末端只剩一组全负荷运行），相当于并联的两个环路被关掉一组，设计工况点变为一组3点的系统，运行末端对应的主机、水泵及管路阻力没有变化，流量也不会有变化，此时的系统可近似地看成系统Ⅳ（如图5），此时水泵的运行环境没有发生变化，所以不需要对系统进行任何调整，管路的流量自然维持原先状态。以此类推，即便多台水泵并联，情况亦如此。

对于图2所示系统Ⅰ：当关闭一组末端后，如果管道不加任何调整，按前述，单台水泵的运行环境就会发生变化，运行工况点自然由图1中的3点移到2点，此时系统的流量为Q2，即会出现单台水泵运行流量大于设计流量的情况，且流量的增幅取决于管网的曲线特性，曲线越陡，情况越恶劣。此时需要通过调节管路阻力来调节运行工况点，调节的目标就是把系统变为Ⅳ（如图5），即如前面所述的把共用集管砍掉一半，若事先计算好两种系统的阻力，则直接根据阻力差值调节阀门即可一步到位，将运行工况点调到3点。实际设计中，有两种方法进行调节：一种是在水泵的出口设置限流量阀，当流量超过限定值时，阀门自动调节，保证流量恒定；另一种就是设置压差旁通阀，通过固定压差旁通的控制，将系统阻力调至P1/P3，超流量的情况也只发生在关闭水泵后，阀门调节过程的短时间内。但对于冷却水系统，一般不设置压差旁通，如果也不设置限流量阀，则在部分流量的工况下，水泵超流量的情况是极易发生的。

对于上述定频水泵系统，在部分负荷下通过限流量阀或压差旁通调节后，虽然保证了系统的流量，但系统很不节能，因为对于末端而言，最终要保证的是流量，P1/P3是基于满负荷工况下算出的系统最大扬程，当负荷减半时，系统所需的流量和扬程都会减小，只是为了保证流量，不得已将扬程调整至P1。如果采用变频水泵，将水泵曲线变为γ，此时流量满足要求，扬程却大大下降，降低了水泵能耗。

此处又涉及到压差旁通阀的应用问题，对于定频泵系统而言，压差旁通的作用相对明确，控制相对简单，虽然不可避免的出现部分负荷下水的功耗浪费，但对于变频泵系统而言，是否需要设压旁通呢？如果不设，则必须监测所有末端的运行状态，才能最终确定水泵的频率，此方法最为精确、节能，但对控制的要求比较高，并且水泵在低频率时流量也较低，可能造成主机水量过低保护。如果设置，则压差旁通阀的压差设定值一般是固定的，如果在部分负荷下仍然维持固定的压差，就会与水泵变频形成矛盾^[3]。比如，当负荷降低，水泵频率降低时，压差旁通会关小来抵消水泵频率降低的影响，尽量维持末端压差保持不变 。所以变频系统应谨慎设置压差旁通，设计可采用限制水泵最小频率的方式或设置流量旁通装置。

另外，变频水泵在不同的频率下，对应不同的效率性能曲线，如图6所示，在特定的空调系统中，水泵变频后并不一定会处在对应频率的高效区，所以设计采用变频水泵也不一定就能完美地解决部分负荷工况的相关问题，若要保证各频率下的水泵效率，必须设置对应的调节措施。

图6 变频水泵的特性曲线

3 增加运行台数时单台流量减小

基于以上理论，分析之前案例：如果系统总设计流量为3000m³/h，系统在满负荷工况下的阻力为30 mH₂O，水泵选用10台并联（不考虑备用），系统在单台水泵满负荷运行（即流量为300 m³/h）时的阻力为10 mH₂O。如果按照：流量300 m³/h、扬程30m选择水泵，则系统在10台泵并联运行时的流量即为3000 m³/h，每台泵的运行流量皆为设计流量300 m³/h，而不会出现并联后单台水泵流量减小的情况，但部分台数运行时，水泵就会过流，运行的台数越少，过流越严重；如果按照：流量300 m³/h、扬程10m选择水泵，则系统在单台泵运行时的流量即为设计流量300 m³/h，但部分台数运行时，流量就会小于设计流量，运行的台数越多，偏差的流量越多。

在项目设计中，一般是按照上述第一种情况设计的，只要管网的调节能力优良，理论上可以实现任何台数运行时的设计流量，如图7所示。图7中，A点为满负荷设计工况点，当水泵逐台关闭时，可通过调节改变系统的阻抗，实现各工况下的设计流量。对于既定的管网系统而言，通过增设阀门增加系统阻力是较容易实现的，若在此基础上再增加并联泵，就很难实现设计流量了，因为系统阻抗变小的空间是非常有限的，除非将系统管径不断放大，才有可能实现，此时A点处的管道曲线将变得更为平坦，但考虑经济技术条件，这种做法在实际项目是不允许的。无论是减少或增加水泵，偏离设计工况点越多，调节难度就越大。

图7 并联水泵的特性曲线

以上分析是基于管网的阻力全部由主干管组成，没有考虑水泵、主机、附件及水泵自身的阻力影响，同时系统存在一定的不可预知的不稳定因素，会导致实际情况与理论分析存在一定的偏差。

4 水系统管网特性曲线

水泵并联运行的效果与水泵及管道自身的特性曲线有较大的关系：水泵曲线越陡，管网曲线越平缓，并联运行的效果越好。由图8和图9可以很明显的看出：平缓型的管道曲线并联运行效果更好，也就是说，在相同的设计流量下，系统阻抗越小，并联的效果就越好，系统阻抗越大，并联效果越差。

图8 陡峭型管网曲线 图9平缓型管网曲线

在理想状况下，当系统的阻力趋近于无穷大时，并联后的流量增加则趋近于零，如图10；当系统的阻力趋近于无穷小时，并联后的流量可实现等倍数增加，如图11。

图10 管网阻抗无穷大时特性曲线 图11 管网阻抗无穷小时特性曲线

5 总结

1、水泵的运行工况只与水泵的运行环境有关，只要水泵的设计扬程与实际运行工况提供的阻力相同，则水泵的流量是不会发生变化的。也就是说：“并联后单台泵流量减小”、 “部分台数运行时流量增大”的根本原因在于加泵或减泵的情况下，水泵的实际运行工况偏离了设计工况，才导致了水泵运行流量的变化，变化的大小与水泵的台数及管网特性曲线有很大的关系。

2、无论采用定频泵还是变频泵，管网系统必须具备良好的动态调节措施以满足部分负荷工况，否则系统的运行效果及经济性必然会受到影响。

3、系统设计时，在经济条件允许的状况下可适当放大管径，一方面可节省水泵运行能耗，另外可提高水泵并联运行效果。

4、水泵的能耗在整个中央空调系统中占有相当大一部分，但在设计时，虽然设计了调节设施，但很少人能搞清楚针对不同负荷工况的最优化调节策略，包括设计师和物管人员，从而导致了绝大部分的工程实例中，都出现了不同程度的水泵能耗的浪费。

参考文献

[1] 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机第四版[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 1999:253.

[2] 符永正.水泵并联运行的流量增量及相关问题分析[J].暖通空调, 2004,24(11)：23-30.

[3] 李宜浩 梁启双.变流量水系统压差旁通控制系统设计[J].北京：暖通空调, 2007,24(12)：53-60.

*作者简介：王于虎，男，1976年12月生，大学，高级工程师；518054 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司；（0755）86126851E-mail：106469548@qq.com

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