融冰供冷變頻水泵節(jié)能控制策略研究

曾賀湛

（珠海橫琴能源發(fā)展有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)供冷系統(tǒng)的用電量占各類大廈總用電量的60%以上，其中水泵的耗電量約占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的40%以上，所以提高水泵的運(yùn)行效率對(duì)節(jié)約能源具有重要意義。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我國生產(chǎn)的水泵的效率已超過80%。但是，很多水泵在系統(tǒng)中的實(shí)際運(yùn)行效率只有40%左右，比發(fā)達(dá)國家低10%～20%。為此，除提高泵的自身效率外，還需要提高其在系統(tǒng)中的運(yùn)行效率。

1 現(xiàn)狀概述

珠海橫琴新區(qū)區(qū)域能源站項(xiàng)目共規(guī)劃為9個(gè)能源站，主要用戶為各類公共建筑、工業(yè)建筑及部分住宅，每個(gè)能源站的服務(wù)半徑范圍約為1.5 km。其中，3#能源站目前已建成供冷，站內(nèi)水泵共有51臺(tái)，其中變頻水泵23臺(tái)，占水泵總數(shù)的45%，變頻水泵總功率占了水泵總功率的47.3%，且變頻水泵中基本上都是以并聯(lián)泵組的形式運(yùn)行。傳統(tǒng)的控制方式中，當(dāng)1臺(tái)水泵運(yùn)行在40 Hz以上甚至是工頻模式下流量仍不能滿足需求時(shí)，往往會(huì)增開1臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行水泵以滿足負(fù)荷需要。在這種控制方式下，每臺(tái)并聯(lián)的變頻水泵通常運(yùn)行在低效區(qū)，水泵運(yùn)行能耗很高，最終導(dǎo)致能源站整體的運(yùn)行能效偏低。

為了降低水泵運(yùn)行能耗，提高能源站整體COP（Coefficient Of Performance，名義工況性能系數(shù)，是在規(guī)定工況下，機(jī)組以同一單位表示的制冷（熱）量除以總輸入電功率得出的比值），需對(duì)現(xiàn)有并聯(lián)運(yùn)行變頻水泵組控制方式進(jìn)行優(yōu)化，以將有助于確保水泵運(yùn)行在最佳節(jié)能的狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能增效的作用。

2 融冰供冷變頻水泵控制策略分析

橫琴能源公司3#能源站采用蓄冰、蓄水、電制冷和溴化鋰制冷技術(shù)等多重供冷保障措施，其中蓄冰系統(tǒng)的融冰供冷變頻水泵組存在運(yùn)行時(shí)間長，運(yùn)行能耗高等問題。本次把融冰供冷變頻水泵作為研究對(duì)象，對(duì)水泵組的運(yùn)行能耗高原因進(jìn)行分析，目的是制定融冰供冷變頻水泵組最佳節(jié)能運(yùn)行策略，提升整個(gè)融冰供冷系統(tǒng)的能效。

2.1 水泵性能曲線分析

融冰供冷水泵組由3臺(tái)型號(hào)參數(shù)一致的水泵并聯(lián)安裝組成（圖1）。其中，水泵流量為1260 m3/h，揚(yáng)程28 m，轉(zhuǎn)速1490 r/min，功率113.8 kW；電機(jī)型號(hào)為ILE0001-3AB4 3-3AA4，額定電壓380 V，額定電流240 A，轉(zhuǎn)速1486 r/min，功率132 kW，頻率50 Hz，效率為 80.8%。

圖1 水泵性能測(cè)試曲線

融冰供冷泵在50 Hz下的流量—揚(yáng)程、流量—效率曲線如圖2所示。對(duì)于實(shí)際運(yùn)行中的不同工況點(diǎn)，變頻水泵都可以通過改變頻率來滿足工況條件，如圖3所示。對(duì)于水泵實(shí)際運(yùn)行中相同的阻力系數(shù)與不同頻率曲線相交，形成了一條等阻力系數(shù)線。根據(jù)融冰泵性能曲線繪制不同頻率下單臺(tái)水泵運(yùn)行的性能曲線（圖2）。圖中流量—揚(yáng)程線從下而上分別為 20 Hz，25 Hz，30 Hz，35 Hz，40 Hz，45 Hz和 50 Hz時(shí)水泵的運(yùn)行曲線，虛線為某阻力系數(shù)下的等阻力系數(shù)線。

2.2 不同頻率下水泵并聯(lián)運(yùn)行性能曲線

在某一轉(zhuǎn)速n下，根據(jù)運(yùn)行負(fù)荷相似定律，水泵的流量、揚(yáng)程、與轉(zhuǎn)速之間有如下關(guān)系：。其中，Qm，Hm，Nm，nm分別為額定流量、額定揚(yáng)程、額定功率和額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)同一頻率下水泵性能曲線，水泵在不同頻率下，流量隨頻率成正比變化，而揚(yáng)程隨頻率成二次方關(guān)系變化，進(jìn)而可以繪制出不同頻率下水泵并聯(lián)的性能曲線（圖3）。圖中3條揚(yáng)程較高的流量—揚(yáng)程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺(tái)水泵50 Hz工作曲線；3條揚(yáng)程較低的流量—揚(yáng)程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺(tái)水泵20 Hz工作曲線；3條流量—效率曲線，從左至右分別代表1、2、3臺(tái)水泵50 Hz工作曲線。

圖2 不同頻率下性能曲線

圖3 不同臺(tái)數(shù)水泵對(duì)應(yīng)的性能曲線

2.3 確定水泵并聯(lián)最佳運(yùn)行臺(tái)數(shù)分區(qū)

根據(jù)1～2臺(tái)水泵、2～3臺(tái)水泵效率曲線的交點(diǎn)，可以分別計(jì)算出1～2臺(tái)水泵、2～3臺(tái)水泵最佳效率切換點(diǎn)的揚(yáng)程和流量，繼而計(jì)算出經(jīng)過該點(diǎn)的等阻力系數(shù)線。最后可以繪制出水泵最佳運(yùn)行臺(tái)數(shù)分區(qū)（圖4）。圖中3條揚(yáng)程較高的流量—揚(yáng)程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺(tái)水泵50 Hz時(shí)的工作曲線；3條揚(yáng)程較低的流量—揚(yáng)程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺(tái)水泵20 Hz時(shí)的工作曲線；2條虛線表示最佳運(yùn)行臺(tái)數(shù)分區(qū)的等阻力系數(shù)線。

2.4 水泵臺(tái)數(shù)控制策略

確定水泵最佳運(yùn)行臺(tái)數(shù)的分區(qū)后，根據(jù)此分區(qū)即可通過不同控制策略確定水泵的開啟或關(guān)閉臺(tái)數(shù)，根據(jù)運(yùn)行分區(qū)直接確定控制水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)。實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)流量和揚(yáng)程，描繪實(shí)際工況點(diǎn)在如圖4中的位置，根據(jù)實(shí)際工況點(diǎn)落在哪個(gè)分區(qū)來控制當(dāng)前水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)以滿足水泵最佳運(yùn)行臺(tái)數(shù)：如果實(shí)際工況點(diǎn)落在了圖中2臺(tái)水泵最佳運(yùn)行區(qū)，而檢測(cè)到系統(tǒng)目前有1臺(tái)水泵正在運(yùn)行，則根據(jù)控制策略開啟1臺(tái)運(yùn)行時(shí)間最短的水泵；反之，如果檢測(cè)到系統(tǒng)有3臺(tái)水泵正在運(yùn)行，則關(guān)閉1臺(tái)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的水泵。

隨著流量的增加，所需的水泵揚(yáng)程增加則更加緩慢，其水系統(tǒng)阻力特性曲線分別穿過了1～2臺(tái)水泵、2～3臺(tái)水泵最佳效率切換的等阻力系數(shù)線。其中，1～2臺(tái)水泵最佳效率切換的頻率為27 Hz，2～3臺(tái)水泵最佳效率切換的頻率為33 Hz。因此，此時(shí)開啟1臺(tái)水泵頻率超過27 Hz后，應(yīng)開啟2臺(tái)水泵；開啟2臺(tái)水泵頻率超過33 Hz后，應(yīng)開啟3臺(tái)水泵。

以上為通過理論計(jì)算的最佳效率切換頻率。在實(shí)際控制時(shí)，為了防止水泵在減泵后又馬上達(dá)到加泵條件、造成水泵頻繁啟停的現(xiàn)象，在確定從n到n-1（n=2，3）臺(tái)泵最佳減泵頻率時(shí)，建議水泵在減為n-1臺(tái)泵后的頻率比從n-1臺(tái)泵到n臺(tái)泵的加泵頻率低3 Hz以上。

圖4 水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)分區(qū)

3 實(shí)施節(jié)能控制策略前后水泵運(yùn)行工況測(cè)試對(duì)比

在滿足相同流量、揚(yáng)程情況下，采用不同水泵臺(tái)數(shù)組合工況下的水泵能耗對(duì)比分析。負(fù)荷流量選擇了4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別為1300 m3/h，1550 m3/h，2550 m3/h 和 2700 m3/h。在滿足各個(gè)流量工況的情形下，水泵運(yùn)行數(shù)量采用單臺(tái)與2臺(tái)、2臺(tái)與3臺(tái)之間的能耗對(duì)比，測(cè)試結(jié)果見表1。

以上數(shù)據(jù)表可以看出，實(shí)施策略前水泵運(yùn)行頻率均超過40 Hz以上，耗電功率大幅上升，應(yīng)用合理的控制策略后水泵能耗大幅下降，試驗(yàn)過程中在1550 m3/h工作點(diǎn)水泵運(yùn)行能耗降低最高可達(dá)57.6%，節(jié)能效果顯著。

表1 不同流量下水泵采用單臺(tái)與2臺(tái)、2臺(tái)與3臺(tái)能耗對(duì)比

4 經(jīng)濟(jì)效益

以融冰取冷泵運(yùn)行工作點(diǎn)流量為2550 m3/h作為典型測(cè)試點(diǎn)，實(shí)施節(jié)能控制策略前需2臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行在45 Hz才能滿足流量需求。實(shí)施節(jié)能控制策略后，水泵數(shù)量由2臺(tái)變?yōu)?臺(tái)，運(yùn)行頻率下降至33 Hz，水泵運(yùn)行總能耗降低38.9%，每小時(shí)節(jié)省電量79 kW·h。以水泵每天運(yùn)行16 h（峰時(shí)6 h，平時(shí)10 h），每年運(yùn)行8個(gè)月（除去停冷季4個(gè)月），按峰時(shí)電價(jià)1.085 8元/（kW·h），平時(shí)電價(jià)0.677 3元/（kW·h）計(jì)算，每天節(jié)約電費(fèi)1049.7元，每月節(jié)約電費(fèi)3.2萬元人民幣，每年節(jié)約電費(fèi)25.6萬元人民幣。如果將節(jié)能控制策略應(yīng)用到其他并聯(lián)運(yùn)行的變頻水泵組，整個(gè)能源站的節(jié)能效果將非常可觀。

5 結(jié)束語

并聯(lián)運(yùn)行水泵組的節(jié)能降耗，關(guān)鍵是使每臺(tái)水泵運(yùn)行在高效區(qū)。而在制定水泵組控制策略的數(shù)據(jù)采集過程中，流量、揚(yáng)程傳感器的測(cè)量精度也尤為重要，精確的水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)有利于制定更為準(zhǔn)確的水泵臺(tái)數(shù)切換頻率。只有在理論與實(shí)踐相結(jié)合的情況下不斷測(cè)試、探索，尋找更合理、經(jīng)濟(jì)的節(jié)能控制策略，并逐漸應(yīng)用于整個(gè)能源站中的水泵控制，才能大幅提升水泵運(yùn)行能效，降低運(yùn)營成本，提高能源輸送的經(jīng)濟(jì)性。