融冰供冷變頻水泵節能控制策略研究

曾賀湛

（珠海橫琴能源發展有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

據統計，中央空調供冷系統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空調系統總耗電量的40%以上，所以提高水泵的運行效率對節約能源具有重要意義。隨著技術的進步，我國生產的水泵的效率已超過80%。但是，很多水泵在系統中的實際運行效率只有40%左右，比發達國家低10%～20%。為此，除提高泵的自身效率外，還需要提高其在系統中的運行效率。

1 現狀概述

珠海橫琴新區區域能源站項目共規劃為9個能源站，主要用戶為各類公共建筑、工業建筑及部分住宅，每個能源站的服務半徑范圍約為1.5 km。其中，3#能源站目前已建成供冷，站內水泵共有51臺，其中變頻水泵23臺，占水泵總數的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泵組的形式運行。傳統的控制方式中，當1臺水泵運行在40 Hz以上甚至是工頻模式下流量仍不能滿足需求時，往往會增開1臺并聯運行水泵以滿足負荷需要。在這種控制方式下，每臺并聯的變頻水泵通常運行在低效區，水泵運行能耗很高，最終導致能源站整體的運行能效偏低。

為了降低水泵運行能耗，提高能源站整體COP（Coefficient Of Performance，名義工況性能系數，是在規定工況下，機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），需對現有并聯運行變頻水泵組控制方式進行優化，以將有助于確保水泵運行在最佳節能的狀態，從而達到節能增效的作用。

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等多重供冷保障措施，其中蓄冰系統的融冰供冷變頻水泵組存在運行時間長，運行能耗高等問題。本次把融冰供冷變頻水泵作為研究對象，對水泵組的運行能耗高原因進行分析，目的是制定融冰供冷變頻水泵組最佳節能運行策略，提升整個融冰供冷系統的能效。

2.1 水泵性能曲線分析

融冰供冷水泵組由3臺型號參數一致的水泵并聯安裝組成（圖1）。其中，水泵流量為1260 m3/h，揚程28 m，轉速1490 r/min，功率113.8 kW；電機型號為ILE0001-3AB4 3-3AA4，額定電壓380 V，額定電流240 A，轉速1486 r/min，功率132 kW，頻率50 Hz，效率為 80.8%。

圖1 水泵性能測試曲線

融冰供冷泵在50 Hz下的流量—揚程、流量—效率曲線如圖2所示。對于實際運行中的不同工況點，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。對于水泵實際運行中相同的阻力系數與不同頻率曲線相交，形成了一條等阻力系數線。根據融冰泵性能曲線繪制不同頻率下單臺水泵運行的性能曲線（圖2）。圖中流量—揚程線從下而上分別為 20 Hz，25 Hz，30 Hz，35 Hz，40 Hz，45 Hz和 50 Hz時水泵的運行曲線，虛線為某阻力系數下的等阻力系數線。

2.2 不同頻率下水泵并聯運行性能曲線

在某一轉速n下，根據運行負荷相似定律，水泵的流量、揚程、與轉速之間有如下關系：。其中，Qm，Hm，Nm，nm分別為額定流量、額定揚程、額定功率和額定轉速。根據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，而揚程隨頻率成二次方關系變化，進而可以繪制出不同頻率下水泵并聯的性能曲線（圖3）。圖中3條揚程較高的流量—揚程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺水泵50 Hz工作曲線；3條揚程較低的流量—揚程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺水泵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臺水泵50 Hz工作曲線。

圖2 不同頻率下性能曲線

圖3 不同臺數水泵對應的性能曲線

2.3 確定水泵并聯最佳運行臺數分區

根據1～2臺水泵、2～3臺水泵效率曲線的交點，可以分別計算出1～2臺水泵、2～3臺水泵最佳效率切換點的揚程和流量，繼而計算出經過該點的等阻力系數線。最后可以繪制出水泵最佳運行臺數分區（圖4）。圖中3條揚程較高的流量—揚程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺水泵50 Hz時的工作曲線；3條揚程較低的流量—揚程曲線，從左至右分別代表1、2、3臺水泵20 Hz時的工作曲線；2條虛線表示最佳運行臺數分區的等阻力系數線。

2.4 水泵臺數控制策略

確定水泵最佳運行臺數的分區后，根據此分區即可通過不同控制策略確定水泵的開啟或關閉臺數，根據運行分區直接確定控制水泵運行臺數。實時檢測系統流量和揚程，描繪實際工況點在如圖4中的位置，根據實際工況點落在哪個分區來控制當前水泵運行臺數以滿足水泵最佳運行臺數：如果實際工況點落在了圖中2臺水泵最佳運行區，而檢測到系統目前有1臺水泵正在運行，則根據控制策略開啟1臺運行時間最短的水泵；反之，如果檢測到系統有3臺水泵正在運行，則關閉1臺累計運行時間最長的水泵。

隨著流量的增加，所需的水泵揚程增加則更加緩慢，其水系統阻力特性曲線分別穿過了1～2臺水泵、2～3臺水泵最佳效率切換的等阻力系數線。其中，1～2臺水泵最佳效率切換的頻率為27 Hz，2～3臺水泵最佳效率切換的頻率為33 Hz。因此，此時開啟1臺水泵頻率超過27 Hz后，應開啟2臺水泵；開啟2臺水泵頻率超過33 Hz后，應開啟3臺水泵。

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

圖4 水泵運行臺數分區

3 實施節能控制策略前后水泵運行工況測試對比

在滿足相同流量、揚程情況下，采用不同水泵臺數組合工況下的水泵能耗對比分析。負荷流量選擇了4個測試點，分別為1300 m3/h，1550 m3/h，2550 m3/h 和 2700 m3/h。在滿足各個流量工況的情形下，水泵運行數量采用單臺與2臺、2臺與3臺之間的能耗對比，測試結果見表1。

以上數據表可以看出，實施策略前水泵運行頻率均超過40 Hz以上，耗電功率大幅上升，應用合理的控制策略后水泵能耗大幅下降，試驗過程中在1550 m3/h工作點水泵運行能耗降低最高可達57.6%，節能效果顯著。

表1 不同流量下水泵采用單臺與2臺、2臺與3臺能耗對比

4 經濟效益

以融冰取冷泵運行工作點流量為2550 m3/h作為典型測試點，實施節能控制策略前需2臺水泵同時運行在45 Hz才能滿足流量需求。實施節能控制策略后，水泵數量由2臺變為3臺，運行頻率下降至33 Hz，水泵運行總能耗降低38.9%，每小時節省電量79 kW·h。以水泵每天運行16 h（峰時6 h，平時10 h），每年運行8個月（除去停冷季4個月），按峰時電價1.085 8元/（kW·h），平時電價0.677 3元/（kW·h）計算，每天節約電費1049.7元，每月節約電費3.2萬元人民幣，每年節約電費25.6萬元人民幣。如果將節能控制策略應用到其他并聯運行的變頻水泵組，整個能源站的節能效果將非常可觀。

5 結束語

并聯運行水泵組的節能降耗，關鍵是使每臺水泵運行在高效區。而在制定水泵組控制策略的數據采集過程中，流量、揚程傳感器的測量精度也尤為重要，精確的水泵運行數據有利于制定更為準確的水泵臺數切換頻率。只有在理論與實踐相結合的情況下不斷測試、探索，尋找更合理、經濟的節能控制策略，并逐漸應用于整個能源站中的水泵控制，才能大幅提升水泵運行能效，降低運營成本，提高能源輸送的經濟性。