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，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空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的40%以上，所以提高水泵的運行效率對節(jié)約能源具有重要意義。隨著技術(shù)的進步，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)中的實際運行效率只有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)中的運行效率。

1 現(xiàn)狀概述

珠海橫琴新區(qū)區(qū)域能源站項目共規(guī)劃為9個能源站，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，其中變頻水泵23臺，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)泵組的形式運行。傳統(tǒng)的控制方式中，當(dāng)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(lián)運行水泵以滿足負(fù)荷需要。在這種控制方式下，每臺并聯(lián)的變頻水泵通常運行在低效區(qū)，水泵運行能耗很高，最終導(dǎo)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(shù)，是在規(guī)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(xiàn)有并聯(lián)運行變頻水泵組控制方式進行優(yōu)化，以將有助于確保水泵運行在最佳節(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(jié)能運行策略，提升整個融冰供冷系統(tǒng)的能效。

2.1 水泵性能曲線分析

融冰供冷水泵組由3臺型號參數(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，揚程28 m，轉(zhuǎn)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(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(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(shù)下的等阻力系數(shù)線。

2.2 不同頻率下水泵并聯(lián)運行性能曲線

圖2 不同頻率下性能曲線

在某一轉(zhuǎn)速n下，根據(jù)運行負(fù)荷相似定律，水泵的流量、揚程、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，而揚程隨頻率成二次方關(guān)系變化，進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3 不同臺數(shù)水泵對應(yīng)的性能曲線

2.3 確定水泵并聯(lián)最佳運行臺數(shù)分區(qū)

根據(jù)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(jīng)過該點的等阻力系數(shù)線。最后可以繪制出水泵最佳運行臺數(shù)分區(qū)（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(shù)分區(qū)的等阻力系數(shù)線。

2.4 水泵臺數(shù)控制策略

確定水泵最佳運行臺數(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)閉臺數(shù)，根據(jù)運行分區(qū)直接確定控制水泵運行臺數(shù)。實時檢測系統(tǒng)流量和揚程，描繪實際工況點在如圖4中的位置，根據(jù)實際工況點落在哪個分區(qū)來控制當(dāng)前水泵運行臺數(shù)以滿足水泵最佳運行臺數(shù)：如果實際工況點落在了圖中2臺水泵最佳運行區(qū)，而檢測到系統(tǒng)目前有1臺水泵正在運行，則根據(jù)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(tǒng)有3臺水泵正在運行，則關(guān)閉1臺累計運行時間最長的水泵。

圖4 水泵運行臺數(shù)分區(qū)

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(tǒng)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(shù)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(yīng)開啟2臺水泵；開啟2臺水泵頻率超過33 Hz后，應(yīng)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(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。

3 實施節(jié)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(shù)組合工況下的水泵能耗對比分析。負(fù)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(shù)量采用單臺與2臺、2臺與3臺之間的能耗對比，測試結(jié)果見表1。

以上數(shù)據(jù)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(yīng)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(dá)57.6%，節(jié)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(jīng)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(jié)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(jié)能控制策略后，水泵數(shù)量由2臺變?yōu)?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(jié)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(jié)約電費1049.7元，每月節(jié)約電費3.2萬元人民幣，每年節(jié)約電費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)運行的變頻水泵組，整個能源站的節(jié)能效果將非?？捎^。

5 結(jié)束語

并聯(lián)運行水泵組的節(jié)能降耗，關(guān)鍵是使每臺水泵運行在高效區(qū)。而在制定水泵組控制策略的數(shù)據(jù)采集過程中，流量、揚程傳感器的測量精度也尤為重要，精確的水泵運行數(shù)據(jù)有利于制定更為準(zhǔn)確的水泵臺數(shù)切換頻率。只有在理論與實踐相結(jié)合的情況下不斷測試、探索，尋找更合理、經(jīng)濟的節(jié)能控制策略，并逐漸應(yīng)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(jīng)濟性。

［1］何川，郭立君.泵與風(fēng)機（第5版）［M］.北京：中國電力出版社，2016.

［2］柯水洲，張云，尚耀宗.變頻調(diào)速水泵幾個問題的探討［J］.給水排水，2001，27（9）：75-77.