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变频水泵在海洋馆维生系统节能中的应用研究

发布日期:2020-11-12    点击:

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, 国建立的第一个水族馆是青岛海洋馆[1]  21 世纪, 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 ,我国海洋馆一共只有 43 ,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 ,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   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 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) 点变化到 了 ,扬程由 H下降到了 H,流量由 Q下降到 Q[4]  理论上,流量Q扬程 H功率 与水泵转速有 以下关系:QQ NN,HHNN),NNNN)(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 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  SQ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 变频水泵的扬程特性曲线和管道特性曲线 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, 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 BB20为循环泵,QBQB 潜水泵,SLBSLB10为文丘里水泵 所有水泵的年 耗能总和为 201. 978 3 × 10KWH,其中循环水泵的 年耗能量为 201. 968 × 10KWH 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  BB13来做节能分析,  BB13所在位 置的维生系统简图 可以将这 13 台水泵分为 大区 域:(B,B)、(B,B)、(B,BB)、(B,B,B10 ,B11 )、(B12 ,B13 )。  别将 个区域的工频水泵替换成变频水泵,并进行能 耗分析                           

以第区域为例,该区域装配有 台水泵,目前 使用的为 台工频水泵,流量为 150 T / H,额定功率为 116 万方数据 殿  ,    11 KW 可以估算出这 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 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 ΓSQΗ (2) 式中:为输入功率,KW Γ 为海水的重度,KN / M 为总阻抗,(KGM- 1  为水泵的流量,M/ 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 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 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,可以得出第区域变频水 泵在不同流量负载下的耗电量 107 613. 3 × QΗ (3)  变频水泵部分负荷下的 Η [9Q/ Q10 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 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 和图 所示  变频水泵流量负荷与能耗关系 Μ Q(T / H) (Q/ Q 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  区域变频水泵负荷流量与能耗的关系图 从图 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,能耗为 8. 14 KW,节能 26当流 量为 80,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]   以在实际运行变频调节水泵时,当负载流量调节为 80,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 所示,负载流量与节能比例关系 如图 所示,在第区域,一共 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 H)。 按照这种调节方案可以估算出第区域水泵年节能量: 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 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 为例,区域和第区域全年共可节能约 56. 180 8 MWH区域全年可节能约25. 053 6 MWH 117 万方数据 殿     区域全年可节能约 45. 552 MWH区域全年 可节能 11. 388 MWH若将 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 KWH以海南省出台的琼价表规定每千瓦时的工业电价为 0. 61 ,则一共可节省84 286. 38  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  左右  个区域的水泵均配备上变频器一共需要 约 133 000  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  负载流量降低为 60,节能效果会进一步增加  各区域变频水泵负载流量与能耗关系 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

 



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