融冰供冷变频水泵节能控制策略研究

曾贺湛

（珠海横琴能源发展有限公司，广东珠海 519000）

0 引言

据统计，中央空调供冷系统的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中水泵的耗电量约占整个空调系统总耗电量的40%以上，所以提高水泵的运行效率对节约能源具有重要意义。随着技术的进步，我国生产的水泵的效率已超过80%。但是，很多水泵在系统中的实际运行效率只有40%左右，比发达国家低10%～20%。为此，除提高泵的自身效率外，还需要提高其在系统中的运行效率。

1 现状概述

珠海横琴新区区域能源站项目共规划为9个能源站，主要用户为各类公共建筑、工业建筑及部分住宅，每个能源站的服务半径范围约为1.5 km。其中，3#能源站目前已建成供冷，站内水泵共有51台，其中变频水泵23台，占水泵总数的45%，变频水泵总功率占了水泵总功率的47.3%，且变频水泵中基本上都是以并联泵组的形式运行。传统的控制方式中，当1台水泵运行在40 Hz以上甚至是工频模式下流量仍不能满足需求时，往往会增开1台并联运行水泵以满足负荷需要。在这种控制方式下，每台并联的变频水泵通常运行在低效区，水泵运行能耗很高，最终导致能源站整体的运行能效偏低。

为了降低水泵运行能耗，提高能源站整体COP（Coefficient Of Performance，名义工况性能系数，是在规定工况下，机组以同一单位表示的制冷（热）量除以总输入电功率得出的比值），需对现有并联运行变频水泵组控制方式进行优化，以将有助于确保水泵运行在最佳节能的状态，从而达到节能增效的作用。

2 融冰供冷变频水泵控制策略分析

横琴能源公司3#能源站采用蓄冰、蓄水、电制冷和溴化锂制冷技术等多重供冷保障措施，其中蓄冰系统的融冰供冷变频水泵组存在运行时间长，运行能耗高等问题。本次把融冰供冷变频水泵作为研究对象，对水泵组的运行能耗高原因进行分析，目的是制定融冰供冷变频水泵组最佳节能运行策略，提升整个融冰供冷系统的能效。

2.1 水泵性能曲线分析

融冰供冷水泵组由3台型号参数一致的水泵并联安装组成（图1）。其中，水泵流量为1260 m3/h，扬程28 m，转速1490 r/min，功率113.8 kW；电机型号为ILE0001-3AB4 3-3AA4，额定电压380 V，额定电流240 A，转速1486 r/min，功率132 kW，频率50 Hz，效率为 80.8%。

图1 水泵性能测试曲线

融冰供冷泵在50 Hz下的流量—扬程、流量—效率曲线如图2所示。对于实际运行中的不同工况点，变频水泵都可以通过改变频率来满足工况条件，如图3所示。对于水泵实际运行中相同的阻力系数与不同频率曲线相交，形成了一条等阻力系数线。根据融冰泵性能曲线绘制不同频率下单台水泵运行的性能曲线（图2）。图中流量—扬程线从下而上分别为 20 Hz，25 Hz，30 Hz，35 Hz，40 Hz，45 Hz和 50 Hz时水泵的运行曲线，虚线为某阻力系数下的等阻力系数线。

2.2 不同频率下水泵并联运行性能曲线

在某一转速n下，根据运行负荷相似定律，水泵的流量、扬程、与转速之间有如下关系：。其中，Qm，Hm，Nm，nm分别为额定流量、额定扬程、额定功率和额定转速。根据同一频率下水泵性能曲线，水泵在不同频率下，流量随频率成正比变化，而扬程随频率成二次方关系变化，进而可以绘制出不同频率下水泵并联的性能曲线（图3）。图中3条扬程较高的流量—扬程曲线，从左至右分别代表1、2、3台水泵50 Hz工作曲线；3条扬程较低的流量—扬程曲线，从左至右分别代表1、2、3台水泵20 Hz工作曲线；3条流量—效率曲线，从左至右分别代表1、2、3台水泵50 Hz工作曲线。

图2 不同频率下性能曲线

图3 不同台数水泵对应的性能曲线

2.3 确定水泵并联最佳运行台数分区

根据1～2台水泵、2～3台水泵效率曲线的交点，可以分别计算出1～2台水泵、2～3台水泵最佳效率切换点的扬程和流量，继而计算出经过该点的等阻力系数线。最后可以绘制出水泵最佳运行台数分区（图4）。图中3条扬程较高的流量—扬程曲线，从左至右分别代表1、2、3台水泵50 Hz时的工作曲线；3条扬程较低的流量—扬程曲线，从左至右分别代表1、2、3台水泵20 Hz时的工作曲线；2条虚线表示最佳运行台数分区的等阻力系数线。

2.4 水泵台数控制策略

确定水泵最佳运行台数的分区后，根据此分区即可通过不同控制策略确定水泵的开启或关闭台数，根据运行分区直接确定控制水泵运行台数。实时检测系统流量和扬程，描绘实际工况点在如图4中的位置，根据实际工况点落在哪个分区来控制当前水泵运行台数以满足水泵最佳运行台数：如果实际工况点落在了图中2台水泵最佳运行区，而检测到系统目前有1台水泵正在运行，则根据控制策略开启1台运行时间最短的水泵；反之，如果检测到系统有3台水泵正在运行，则关闭1台累计运行时间最长的水泵。

随着流量的增加，所需的水泵扬程增加则更加缓慢，其水系统阻力特性曲线分别穿过了1～2台水泵、2～3台水泵最佳效率切换的等阻力系数线。其中，1～2台水泵最佳效率切换的频率为27 Hz，2～3台水泵最佳效率切换的频率为33 Hz。因此，此时开启1台水泵频率超过27 Hz后，应开启2台水泵；开启2台水泵频率超过33 Hz后，应开启3台水泵。

以上为通过理论计算的最佳效率切换频率。在实际控制时，为了防止水泵在减泵后又马上达到加泵条件、造成水泵频繁启停的现象，在确定从n到n-1（n=2，3）台泵最佳减泵频率时，建议水泵在减为n-1台泵后的频率比从n-1台泵到n台泵的加泵频率低3 Hz以上。

图4 水泵运行台数分区

3 实施节能控制策略前后水泵运行工况测试对比

在满足相同流量、扬程情况下，采用不同水泵台数组合工况下的水泵能耗对比分析。负荷流量选择了4个测试点，分别为1300 m3/h，1550 m3/h，2550 m3/h 和 2700 m3/h。在满足各个流量工况的情形下，水泵运行数量采用单台与2台、2台与3台之间的能耗对比，测试结果见表1。

以上数据表可以看出，实施策略前水泵运行频率均超过40 Hz以上，耗电功率大幅上升，应用合理的控制策略后水泵能耗大幅下降，试验过程中在1550 m3/h工作点水泵运行能耗降低最高可达57.6%，节能效果显著。

表1 不同流量下水泵采用单台与2台、2台与3台能耗对比

4 经济效益

以融冰取冷泵运行工作点流量为2550 m3/h作为典型测试点，实施节能控制策略前需2台水泵同时运行在45 Hz才能满足流量需求。实施节能控制策略后，水泵数量由2台变为3台，运行频率下降至33 Hz，水泵运行总能耗降低38.9%，每小时节省电量79 kW·h。以水泵每天运行16 h（峰时6 h，平时10 h），每年运行8个月（除去停冷季4个月），按峰时电价1.085 8元/（kW·h），平时电价0.677 3元/（kW·h）计算，每天节约电费1049.7元，每月节约电费3.2万元人民币，每年节约电费25.6万元人民币。如果将节能控制策略应用到其他并联运行的变频水泵组，整个能源站的节能效果将非常可观。

5 结束语

并联运行水泵组的节能降耗，关键是使每台水泵运行在高效区。而在制定水泵组控制策略的数据采集过程中，流量、扬程传感器的测量精度也尤为重要，精确的水泵运行数据有利于制定更为准确的水泵台数切换频率。只有在理论与实践相结合的情况下不断测试、探索，寻找更合理、经济的节能控制策略，并逐渐应用于整个能源站中的水泵控制，才能大幅提升水泵运行能效，降低运营成本，提高能源输送的经济性。