基于效率最高原則的變頻泵組控制策略

陳國平

摘 要：通過對并聯水泵變頻調速策略的分析，提出一種便于實現的基于并聯水泵組綜合效率最高原則的并聯變頻水泵運行策略

關鍵詞：變頻調速 變頻泵組 并聯控制器

空調機房能耗占建筑能耗60～70%，從空調機房的能耗部件來看，中央空調冷水機組占比較大，其次就是冷凍、冷卻水循環水泵等輸配系統。目前，變頻技術是空調機房節能技術的主要技術手段，并在實踐中得到了應用。應用變頻技術的冷水機組也已經從變頻渦旋壓縮機組、變頻螺桿壓縮機組逐步擴展到了變頻磁懸浮離心機組中。循環水泵的變頻技術也已經普及諸多的機房設計之中。循環水泵的變頻控制策略方式，對于循環水泵能耗，影響差異也是大相徑庭。水泵優化控制方法已成為暖通空調系統優化控制研究的熱點。本文主要就循環水泵的節能控制方法做一初步探討。

從實踐中可知，多臺水泵非同步變頻運行，節能效果不如多臺同時變頻運行[1]，因此一般多臺并聯水泵都是按多臺同性能水泵，同時變頻方式運行。兩臺同性能的水泵并聯運行，各性能參數曲線如下圖示意：AB為單臺水泵的流量-揚程（Q-H）曲線，AB’為兩臺水泵并聯時的流量-揚程（Q-H）曲線，實際上就是縱坐標揚程相同，橫坐標為單臺水泵加倍。空調冷凍水系統等閉式循環系統中，管網阻力曲線通過原點，OE為管網阻力曲線。系統滿足相似定律，即流量與轉速成正比，阻力與轉速平方成正比，功率與轉速的立方成正比。所以，當轉速降低后，功率會有很大的降低。我們就是利用這個規律，來實現我們的節能策略。冷卻水循環水泵等開式系統雖然系統已經不滿足相似定律，但是變化趨勢還是類似的。

從圖1中可知，當兩臺泵同時運行時，系統工作點為點1，系統總流量為Q1，揚程為H。兩臺水泵各自的工作點為點2，流量為Q2（Q2=0.5Q1），揚程為H。以點2參數選取水泵，并使得此時水泵的運行效率為最高效率區間。如果當此時在關掉一臺水泵，則單臺水泵的實際工作狀態點為曲線AB和管網曲線OE的交點3，明顯，此時Q2=2Q1>Q3>Q1。若兩臺水泵同時變頻降速，則CD’為降速后的并聯水泵流量-揚程曲線，4點為降速后的并聯水泵的工作點，單臺泵的工作點則位于5點，此時單臺水泵的效率仍然處于高效范圍。

一次泵變頻控制水流量控制模式通常采用一下方式：1.當末端系統全開，制冷主機及冷水循環水泵全開，水泵運行于工頻頻率50Hz。2.當末端負荷減小，兩臺水泵同時變頻頻降低轉速，直至到達設定的頻率fT，fT點為低頻運行兩臺水泵功耗單臺工頻功耗相等的頻率[2]。在此頻率下運行一個時間段后，關閉一臺水泵，泵組變為一臺水泵且工頻運行。3.當負荷再下降，單臺水泵繼續變頻降速運行，由于冷水機組最小流量及水泵高效運行區限制，變頻降速有個下限值，一般調速比≥0.5。4.當末端負荷增大，單臺水泵變頻提高轉速，直至回復頻率增大到fT，負荷繼續增大，轉為兩臺水泵投入運行，直至增大到設計全負荷運行。

上述控制方式。一般能滿足系統中各用戶對供水壓力及流量的要求。但是，fT點難以計算得到，往往需要多次實驗調試得出，工程應用中難以實現。汪建華就同型號調速泵并聯運行控制給出了以保證最小功耗時水泵臺數的計算優化方法[3]，具備一定的工程可操作性。

近年來，根據水泵效率最高原則的控制的產品也已經得到應用，下面就這種控制產品的控制策略，做以分析說明。

Amstrong 的IPS4000W智能變頻水泵控制器，它將水泵的性能曲線參數，如流量、揚程、功率、效率、電流等數據，均寫入并聯控制器中，管網中通過以下控制，實現變頻泵的變流量控制：末端壓差傳感器、回水溫度設定、最大閥門開度等，由并聯控制器對參數通過邏輯運算，判斷出目前各臺水泵的運行效率，然后統一協調多臺水泵乃至備用水泵參與運行，綜合壓差、負荷大小、水泵效率等參數進行加減機。這樣就避免了出現單一水泵在低負荷運行在低效區的情況。

根據水泵特性，在滿足相似定律時，水泵效率曲線一般不受水泵變頻調速影響。所以我們以水泵的運行效率曲線作為水泵調速及加減機的依據，以簡化并聯水泵組調節控制的難度。

如圖2所示，制冷機房設置3臺制冷機組，3臺循環水泵，柱狀圖為機房全年機房各負荷率下的運行時長。一般制冷系統，負荷率50、75%運行的時長都比較長。如果按常規控制，設定的轉速（頻率）作為水泵臺數切換主要依據（比如轉速為額定轉的0.6時切換），當在負荷率30～40%區間時為單臺泵運行，但此時單臺水泵運行效率遠低于高效區;而在50～65%負荷率時為2臺泵在運行，2臺泵的組合運行中，其效率也是在低效率區。

而依據并聯控制器對泵組的運行狀態判斷后，按水泵組總效率曲線分別以單臺泵與2臺泵組總效率曲線的交點點1，及2臺泵組與3臺泵組總效率曲線的交點點2為泵組加減機依據。當系統在管網阻力曲線1點右邊的區域運行時，我們采用3臺水泵并聯變頻運行，隨負荷波動，泵組整體同步變頻調速運行;當負荷降到點1和點2之間時，我們采用2條水泵同步變頻調速運行;當負荷降低到點1右側時，采用一臺水泵變頻調速運行。這樣，在圖示的原來的兩個低效運行區，變頻泵組均由較高的效率，也就是泵組整體的能耗處于一個較優的狀態。

綜上所述，水泵并聯變頻調速系統在應用上，首先，采用多臺同步變頻調節的水泵并聯變頻調速系統的能耗最小;其次，為減少系統能耗，多臺水泵并聯加減機判斷點選擇是其中的關鍵要素;最后，采用泵組效率曲線可以簡化控制系統。

參考文獻：

[1]許光映.變頻調速并聯水泵系統性能仿真研究[J].暖通空調，2007，37（3）：49—53

[2]呂文，陳洪亮.多臺并聯變頻調速水泵的控制方式[J].電力自動化設備.2005，25（4）：89-91.

[3]汪建華.同型號調速泵并聯運行優化的簡便計算方法[J].暖通空調，2012，42（1）：94-96.