变频水泵在海洋馆维生系统节能中的应用研究

海洋馆维生系统是海洋馆最为耗能的部分,通过使用变频水泵来进行节能是一种可靠、高效 的方式。 通过与具体实例的结合,经过计算得出变频水泵在维生系统节能中的表现,选取特 例进行了变频水泵的能耗分析,给出了变频水泵在工作时流量比与能耗比的关系曲线。 经过 经济分析,得出变频水泵在维生管网系统使用过程中的经济效益。 分析结果表明变频水泵在维 生管网系统的使用上节能效果明显,且初投资可回收。 可以为海洋馆运维节能方案提供参考

世界上最早的水族馆是法国在 1789 年建造的, 之后英国于 1853 年在伦敦也建立了水族馆。 在英国 和法国的带领下,美国、德国、意大利等国家也相继建 立了水族馆。 我国是从 1932 年开始建立水族馆,我 国建立的第一个水族馆是青岛海洋馆[1] 。 21 世纪,我 国经济发展十分迅速,旅游业已然成为了国民经济的 支柱产业之一,海洋馆作为旅游业重要的组成部分, 对国民经济的影响也越来越大,同时海洋馆的建设规模和数量也在日益增大。 我国的海洋馆主要分为淡水水族馆、海水水族馆,以及海、淡水水族馆,其中海水水族馆和海、淡水水族馆居多。 例如大连圣亚海洋世界、北京海洋馆、青岛海洋馆等。 目前,随着我国综 合国力的提升,我国对海洋馆的建设力度愈来愈大。 2005 年,我国海洋馆一共只有 43 家,主要分布在沿海 地区,利用地理位置可以有效地降低成本 。 截至 2017 年,经过十多年发展,现在全国的海洋馆多达 160余家,遍及全国。 海洋馆的建设越来越普及,这使得海洋馆的能耗越来越受到重视。 海洋馆是一种非常耗能的建筑,相比普通的建筑,海洋馆中维持人类和动物适宜环境的系统耗能是十分巨大的。 特别是空调系统以及维生系统。 海洋馆维生系统是海洋馆运行维护中最为耗能的,一个健全、完善的维生系统关乎整个海洋馆的存亡。 海洋馆维生系统即各个水处理系统组成的水循环系统,而水泵作为驱动整个系统运行的设备,其能耗是十分巨大的。 现如今,海洋馆维生系统的动力装置普遍采用的是工频水泵,工频水泵调节流量的方式 是通过阀门的开度来实现的。 因而,在阀门上消耗了大量的水头,这无疑加大了整个维生系统的能耗 。 但随着变频技术的发展,这类问题可以通过变频水泵得以解决。 变频水泵可以控制自身的转速,根据需求来提供流量,从而避免过剩的水头需要以阀门来消耗 的问题,虽然初投资会有所增加,但所产生的差价会 在很短的时间内收回。 1 变频水泵的原理变频水泵中安装有变频器,通过变频器来控制水 泵的转速,从而达到控制流量和扬程的目的。 图 1 为 变频水泵的水泵特性曲线和管道特性曲线。 当水泵 的转速下降时,管道特性曲线没有发生变化,但水泵 特性曲线由曲线 1 变化到了曲线 2。 水泵特性曲线与 管道特性曲线的交点(水泵的工作点)由 A 点变化到 了 B 点,扬程由 HA 下降到了 HB ,流量由 QA 下降到 QB [4] 。 理论上,流量Q、扬程 H、功率 N 与水泵转速有 以下关系:QA QB ＝ N1 N2 ,HA HB ＝ ( N1 N2 )2 ,NA NB ＝ ( N1 N2 )3 (1) 由此可见,当水泵的转速下降时,水泵的扬程和 流量都降低了。 由式(1)可知,流量的变化与转速的 一次方成正比,扬程的变化与转速的二次方成正比, 功率的变化与转速的 3 次方成正比[5,6] 。 因此,在使 用变频水泵时,降低水泵的转速,水泵的扬程、流量和 能耗都会下降,且水泵的能耗所下降的比例更大[7] 。 另外虽然水泵特性曲线发生了变化,但是因变频而引 起的扬程变化为转速的平方比,而管道所需扬程 H ＝ SQ2 与流量的二次方成正比,即与转速的二次方成正 比。 因此,在水泵进行变频调速时,水泵的扬程与管道所需扬程的变化幅度是一致的[8] 。 故而,在后续的 变频水泵选型中可依据工频水泵选型方案来选择变 频水泵。图 1 变频水泵的扬程特性曲线和管道特性曲线 2 海洋馆维生系统能耗分析 海洋馆维生系统是一项多学科综合交叉集成的 技术,它包括海洋生物学、化学、物理学、材料学等多 种学科,是海洋馆日常运行的根本,其主要的功能是 根据海洋生物的生活习性,给予其所需要的生活环 境。 海洋馆维生系统主要包括六大部分:重力过滤 池、冷热交换器、压力过滤池、滴流过滤池、臭氧处理 系统和蛋白分离系统。 各个系统之间由管道连接,组 成完整的维生系统,在动力装置的选择上,除了蛋白 分离系统采用的是文丘里水泵外,其余系统一般都采 用的是工频水泵,且一般海洋馆的维生系统都处在不 间断运行,所以维生系统是海洋馆主要的耗能系统之 一,维生系统全年耗能一般占海洋馆全年总耗能的 67％左右。 在维生系统实际运行中,并不是每个系统 都需要不间断全负荷运行的,例如海水沙缸上的水泵 可以采用变频水泵,而一般的海洋馆都会采用工频水 泵,在对海洋生物进行喂食后,需要水泵全负荷运行 来进行过滤、清除。 但其他时间段只需要维持海洋生 物的正常需求即可,这会大幅度地降低水泵的耗能。2. 1 变频水泵在海洋馆维生系统的节能表现 以三亚海底世界为例,整个海洋馆的维生系统配 备了 32 台水泵,其中 B1 - B20为循环泵,QB1 - QB2 为 潜水泵,SLB1 - SLB10为文丘里水泵。 所有水泵的年 耗能总和为 201. 978 3 × 104 KW•H,其中循环水泵的 年耗能量为 201. 968 × 104 KW•H。 占所有水泵耗能的 99％以上。 在整个维生系统中,为了保证维生系统的 正常运转,潜水泵和文丘里水泵必须采用工频水泵, 但是潜水泵和文丘里水泵的耗能十分低,不到水泵总 耗能的 1％。 而剩下的循环泵大多可以用变频水泵代 替。 以 B1 - B13来做节能分析,图 2 是 B1 - B13所在位 置的维生系统简图。 可以将这 13 台水泵分为 5 大区 域:第①区(B1 ,B2 )、第②区(B3 ,B4 )、第③区(B5 ,B6 , B7 )、第④区(B8 ,B9 ,B10 ,B11 )、第⑤区(B12 ,B13 )。 分 别将 5 个区域的工频水泵替换成变频水泵,并进行能 耗分析                           

以第③区域为例,该区域装配有 3 台水泵,目前 使用的为 3 台工频水泵,流量为 150 T / H,额定功率为 116 万方数据张 殿 光 , 等 : 变 频 水 泵 在 海 洋 馆 维 生 系 统 节 能 中 的 应 用 研 究 11 KW。 可以估算出这 3 台水泵的年耗电量:水泵的 台数 × 额定功率 × 运行时间 × 全年运行天数 ＝ 3 × 11 × 24 × 365 ＝ 289. 08 MWH。 将这 3 台水泵替换为 同流量同额定功率的变频水泵。 下面进行变频水泵 的能耗理论计算。 变频水泵的能耗用公式(2)计算: N ＝ ΓSQ3 Η (2) 式中:N 为输入功率,KW； Γ 为海水的重度,KN / M3 ； S 为总阻抗,(KG•M) - 1 ； Q 为水泵的流量,M3 / S； Η 为变频水泵综合效率。 Η 为变频水泵的综合效率,其大小取决于水泵电 机相对转速百分比或者相对流量变化比(变频水泵的 负荷比)[9] 。 可以根据表 1 得到 Η 的值。 在变频水泵 全负荷运行时 Η＝ 0. 707 9,此时的功率应该为额定功 率 11 KW,此刻的流量为 150 T / H。 故而求得 Γ•S ＝ 107 613. 3。 该值为常量,取决于管道特性,不随转速 的改变而发生变化。 因此,可以得出第③区域变频水 泵在不同流量负载下的耗电量: N ＝ 107 613. 3 × Q3 Η (3) 表 1 变频水泵部分负荷下的 Η 值[9] Q/ Q0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Η 0. 275 0. 442 0. 542 0. 601 0. 638 0. 660 0. 676 0. 687 0. 6970. 708 根据公式(3)与表 1 提供的数据,计算得出第③ 区域变频水泵的能耗与变频水泵流量之间得关系如 表 2 和图 3 所示。 表 2 变频水泵流量负荷与能耗关系 Μ Q/ (T / H) (Q/ Q0 ) / ％ N/ KW 0. 275 215 10 0. 028 287 0. 442 4 30 20 0. 140 769 0. 541 5 45 30 0. 388 148 0. 601 0 60 40 0. 828 968 0. 637 5 75 50 1. 526 378 0. 660 4 90 60 2. 546 12 0. 675 5 105 70 3. 952 765 0. 686 6 120 80 5. 804 949 0. 697 1135 90 8. 140 755 0. 707 9 150 100 10. 996 65 图 3 第③区域变频水泵负荷流量与能耗的关系图 从图 3 可以得出,每台变频水泵在全负荷运行的 情况下,单位时间(H)的能耗为 11 KW。 在变频工作 时,当流量为 90％时,能耗为 8. 14 KW,节能 26％；当流 量为 80％时,能耗为 5. 804 KW,节能 47％。 在实际运 行过程中,当水泵安装变频器后,其电机的电流会增 加 10％左右,则电机的发热能耗会增加21％[10,11] 。 所 以在实际运行变频调节水泵时,当负载流量调节为 80％时,节能效果为 26％,在实际运行过程中能耗与负 载流量的关系如图 3 所示,负载流量与节能比例关系 如图 4 所示,在第③区域,一共 3 台水泵。 白天动物 新陈代谢剧烈,变频水泵采用全负荷工作,晚上动物 进入睡眠状态,新陈代谢缓慢,此时新陈代谢所产生 的废物少,水质比白天好,维生系统可以不用全负荷 运行,设定当动物进入睡眠状态,水泵的负载自动调 节为满负载的 80％(运行 8 H)。 按照这种调节方案, 可以估算出第③区域水泵年节能量: 3 × 11 KW × 8 × 365 × 26％ ＝ 25. 053 6 MWH。 对其余 4个区域同样进行能耗的估算,将能耗曲 线作在同一图表中以便观察,如图 5 所示。                                          

2. 2 经济分析 综合该维生系统水泵能耗数据,各个区域在使用 变频水泵后的节能效果明显,以将变频调节设为 80％ 运行 8 H 为例,第①区域和第②区域全年共可节能约 56. 180 8 MWH；第③区域全年可节能约25. 053 6 MWH； 117 万方数据张 殿 光 , 等 : 变 频 水 泵 在 海 洋 馆 维 生 系 统 节 能 中 的 应 用 研 究 第④区域全年可节能约 45. 552 MWH；第⑤区域全年 可节能 11. 388 MWH。若将 5 个区域的水泵均安装变 频器,则在该方案下的总节能量为138 174. 4 KW•H, 以海南省出台的琼价表规定每千瓦时的工业电价为 0. 61 元,则一共可节省84 286. 38 元。 按市面上变频器的价格:7. 5 KW 的变频器售价为4 000 元左右,11 KW 的变频器售价为 7 000 元左右,15 KW 的变频器售价 为 12 000 元左右,18. 5 KW 的变频器售价为14 000 元 左右。 将 5 个区域的水泵均配备上变频器一共需要 约 133 000 元。 因此,采用该节能方式运行维生系统, 只需要 1. 57 年便可将购置变频器的投资回收。 上述 仅分析了负载流量为 80％时的能耗与经济性能。 当 负载流量降低为 60％时,节能效果会进一步增加。 图 5 各区域变频水泵负载流量与能耗关系 3 结论虽然使用变频水泵会让初投资增加,但从节能效 果来看,一年半完全可以填补差价。 同时,变频水泵 的使用也使得节能变得更加得灵活,海洋馆里边的生 物并非是没有变动的。通常海洋馆会引入新的动物 进行饲养、表演。 每种动物的食量、活动量、新陈代谢 量是不同的。 使用变频水泵来驱动,可以根据不同生物的生活习惯来调节变频水泵所负载的流量。 是一 种有的放矢的节能方式。 本文仅研究了节能效果与负载流量的关系,而变频水泵在维生管网中使用时, 必须根据水质的情况来调节变频水泵的负载流量,其节能的效果有水质情况有着直接的关系,相关结论有待进一步研究。