雙泵并聯(lián)在大型冷水（熱泵）機組性能測試系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

黃維冬，錢雪峰，馬小津，賈甲，陳熙，李昀達

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

冷水（熱泵）機組的性能系數(shù)和制冷量成正相關(guān)的關(guān)系，隨著節(jié)能意識的提高，市場上大型的冷水（熱泵）機組得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和技術(shù)水平，對大型冷水（熱泵）機組的性能測試系統(tǒng)需求也在不斷的增長。冷水（熱泵）機組的性能測試是其生產(chǎn)制造過程中能耗較大的一個環(huán)節(jié)[3]，有研究學(xué)者通過能量回收的方式優(yōu)化冷水（熱泵）機組的性能測試系統(tǒng)[4-9]，減少系統(tǒng)投入的冷量和熱量，降低實驗系統(tǒng)的運行能耗。但分析并驗證測試系統(tǒng)循環(huán)水泵運行能耗的節(jié)能潛力的研究還很少。而水泵是系統(tǒng)的主要耗能設(shè)備，如何降低測試系統(tǒng)中水泵的運行能耗是其節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵點之一。

為提高冷水機組性能測試系統(tǒng)在低負荷下的綜合運行效率，降低冷水機組在研發(fā)測試中的能源消耗，本文設(shè)計了一套循環(huán)水泵采用雙泵并聯(lián)的冷水機組性能測試系統(tǒng)，并在不同制冷能力下，對比冷水機組性能測試系統(tǒng)采用單泵和雙泵并聯(lián)運行時的水泵功耗，以期通過優(yōu)化冷水機組性能測試系統(tǒng)達到降低能源消耗的效果。

1 機組性能測試系統(tǒng)及誤差分析

根據(jù) GB/T 10870—2014《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組性能試驗方法》[10]，冷水（熱泵）機組的性能測試可以采取液體載冷劑法或液體制冷劑流量計法。工程實踐中，多采用液體載冷劑法進行性能測試[11-14]，圖1所示為測試系統(tǒng)原理，由進出水溫度和流量測出機組的實際制冷量。

圖1 液體載冷劑法測試系統(tǒng)原理

目前多數(shù)企業(yè)采用的水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統(tǒng)由冷媒水和冷卻水兩個水循環(huán)系統(tǒng)組成，被試機的冷媒水和冷卻水之間由兌水實現(xiàn)部分水的熱交換，多余熱量通過水箱配的冷源進行散熱。具體調(diào)節(jié)方式為：使用側(cè)的出水溫度通過兌水泵變頻，調(diào)節(jié)由使用側(cè)回路進入熱源側(cè)回路的水量來實現(xiàn)出水溫度的控制；熱源側(cè)的進水溫度通過加水泵變頻，調(diào)節(jié)由水箱到熱源側(cè)回路的水量來實現(xiàn)進水溫度的控制。被試機使用側(cè)和熱源側(cè)流量分別通過變頻器控制冷媒水泵和冷卻水泵進行調(diào)節(jié)。具體測試原理如圖2所示。

風(fēng)冷冷水（熱泵）機組性能測試臺由一個水循環(huán)系統(tǒng)組成，測試機組時，通過水泵1的變頻調(diào)節(jié)控制被試機組所需要水流量，通過調(diào)節(jié)閥控制機組的出水溫度。通過變頻調(diào)節(jié)水泵2將恒溫水箱的水送入空氣處理機組與被試機組的冷凝熱風(fēng)進行換熱，并將被試機組的冷凝熱負荷部分帶入恒溫水箱，這部分冷凝熱負荷與水泵1的回水所帶來的被試機組的冷量相互抵消，多余的熱量通過冷卻塔散掉。具體測試原理如圖3所示。在冷水（熱泵）機組的性能測試過程中不可避免地使用到水泵的變頻調(diào)節(jié)，且水泵的能耗為測試系統(tǒng)設(shè)備的主要能耗。

圖2 水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統(tǒng)原理

圖3 風(fēng)冷冷水（熱泵）機組性能測試系統(tǒng)原理圖

為降低冷水（熱泵）機組性能測試過程中水泵能耗，將測試系統(tǒng)中的單臺循環(huán)水泵替換為雙泵并聯(lián)模式，其原理如圖4所示。

實驗過程中水泵能耗測試回路由電流互感器、功率計和計算機構(gòu)成，測試結(jié)果的拓展不確定度為U(P)：

式中：

k——包含因子；

u1——重復(fù)測量引起的標準不確定度分項；

u2——功率測試系統(tǒng)允許誤差引起的標準不確定度分項。

u1計算如下：

u2由檢定證書給出測量的偏差值，按照相應(yīng)概率分布，得到標準不確定度為0.5%。

圖4 雙泵并聯(lián)水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統(tǒng)

2 雙泵并聯(lián)模式分析

2.1 雙泵并聯(lián)模式的節(jié)能分析

變頻調(diào)速水泵主要由變頻器、電動機和水泵組成，變頻器用來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的性能曲線，使水泵始終在高效區(qū)內(nèi)運行，有利于在部分負荷運行狀態(tài)下降低能耗。每臺水泵都有其工作效率，對于定轉(zhuǎn)速水泵而言，工作點都選在其高效區(qū)內(nèi)，對于變頻調(diào)速水泵來說，水泵的轉(zhuǎn)速改變，其性能曲線會相應(yīng)發(fā)生變化。當管路的特性曲線不變時，水泵一直處在高效區(qū)運行，因此水泵的效率ηb可看成常數(shù)，但電機的效率ηd和變頻器效率ηb都不是定值，隨轉(zhuǎn)速的降低而減小。表1所示為水泵在不同的負荷狀態(tài)下的綜合效率η。

由表1可知，變頻水泵的綜合效率隨轉(zhuǎn)速的降低而減小，當水泵運行狀態(tài)下的流量低于額定運行流量的50%時，水泵的綜合效率大幅下降。而通常企業(yè)為滿足不同冷量段冷水（熱泵）機組性能的測試，所搭建的冷水（熱泵）機組性能測試系統(tǒng)測試范圍較廣，大型機組測試的頻率較低，使各調(diào)節(jié)水泵大部分時間都處于綜合效率較低的低頻率狀態(tài)運行。為提高冷水（熱泵）機組測試系統(tǒng)的節(jié)能潛力及水泵運行可靠性，將測試系統(tǒng)中的單臺循環(huán)水泵替換為雙泵并聯(lián)模式。通過水泵運行臺數(shù)優(yōu)先控制策略可避免水泵長時間處于低頻率下運行[15-18]。

表1 不同負荷下水泵的綜合效率

2.2 雙泵并聯(lián)模式水泵的選型分析

利用雙泵并聯(lián)模式應(yīng)注意選用特性曲線合適的水泵，否則不但起不到節(jié)能的效果，甚至?xí)?dǎo)致電機燒毀[19-20]。圖5所示d曲線是性能曲線為a的兩臺曲線較陡的水泵并聯(lián)后所得，e曲線是性能曲線為b的兩臺曲線較平坦的水泵并聯(lián)后所得，c曲線為管路特性曲線。由圖可知，特性曲線較陡的水泵并聯(lián)后的流量增量較大（ΔQa＞ΔQb），泵的特性曲線越陡，流量增量越大，越適合并聯(lián)工作。當水泵特性曲線越平坦，在使用雙泵并聯(lián)模式下切換使用單臺水泵調(diào)節(jié)時超流量現(xiàn)象可能性越大，容易造成電機燒毀。

圖5 水泵性能曲線對并聯(lián)后流量的影響

圖6所示為雙泵并聯(lián)運行相對單泵運行在不同管路特性下流量的增加情況。由圖6可知，管路阻力越小，ΔQ越大，越適合并聯(lián)工作，因此在管路系統(tǒng)設(shè)計時減少管路阻力，可以降低能耗。

圖6 水泵并聯(lián)后流量的增量隨管路特性的變化

3 實驗結(jié)果分析

本文以設(shè)計測試能力在400～2,000冷噸的水冷冷水（熱泵）機組性能測試系統(tǒng)為例。

表2所示為不同模式下水泵的選型。實驗過程通過變頻水泵臺數(shù)優(yōu)化控制的方法，將總流量與單臺水泵效率分為兩個區(qū)，監(jiān)測工況所處分區(qū)，控制滿足系統(tǒng)負荷需求流量與壓差設(shè)定值對應(yīng)的最佳運行臺數(shù)。

圖7所示為雙泵并聯(lián)模式和單泵運行模式時，水泵總功耗隨機組名義制冷量的變化。取置信概率P=0.95，k=2，計算得各次實驗水泵功耗測試拓展不確定度均小于2.010 kW。且由實驗對比可知：當測試機組的負荷大于測試系統(tǒng)設(shè)計上限60%左右時，兩種設(shè)計模式下水泵都處于高頻率下運行，使用雙泵并聯(lián)模式時水泵的總功耗與單泵模式偏差較小，在測試機組名義負荷為2,000 冷噸時相差最大，雙泵并聯(lián)相比單泵運行功耗增加4.0%。當測試機組的負荷低于測試上限的60%時，通過水泵運行臺數(shù)優(yōu)先控制策略調(diào)整水泵實際運行臺數(shù)，此時雙泵并聯(lián)設(shè)計模式較單泵運行模式更節(jié)能，測試機組的負荷越接近測試系統(tǒng)設(shè)計下限時節(jié)能效果越明顯，在測試機組名義冷量為400冷噸時，雙泵并聯(lián)相比單泵運行功耗可降低35.9%。

表2 不同模式下水泵的選型

4 結(jié)論

本文研究了雙泵并聯(lián)應(yīng)用于大型蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組的性能測試系統(tǒng)的節(jié)能潛力，實驗對比了被測試機組在400～2,000冷噸制冷能力下，采用單泵和雙泵并聯(lián)運行進行系統(tǒng)性能測試，得到如下結(jié)論：

1）當測試機組的負荷大于測試系統(tǒng)設(shè)計上限60%時，使用雙泵并聯(lián)模式時水泵的總功耗與單泵模式偏差較小，在最大測試能力下，雙泵并聯(lián)模式水泵功耗比單泵運行模式增加約4%；

2）當被測試機組的負荷低于測試系統(tǒng)上限的60%時，雙泵并聯(lián)模式較單泵運行模式節(jié)能，測試機組的負荷越接近測試系統(tǒng)設(shè)計下限時，節(jié)能效果愈加突顯，在測試系統(tǒng)測試下限時，雙泵并聯(lián)相比單泵運行總功耗可降低35.9%。