基于效率最高原则的变频泵组控制策略

陈国平

摘 要：通过对并联水泵变频调速策略的分析，提出一种便于实现的基于并联水泵组综合效率最高原则的并联变频水泵运行策略

关键词：变频调速 变频泵组 并联控制器

空调机房能耗占建筑能耗60～70%，从空调机房的能耗部件来看，中央空调冷水机组占比较大，其次就是冷冻、冷却水循环水泵等输配系统。目前，变频技术是空调机房节能技术的主要技术手段，并在实践中得到了应用。应用变频技术的冷水机组也已经从变频涡旋压缩机组、变频螺杆压缩机组逐步扩展到了变频磁悬浮离心机组中。循环水泵的变频技术也已经普及诸多的机房设计之中。循环水泵的变频控制策略方式，对于循环水泵能耗，影响差异也是大相径庭。水泵优化控制方法已成为暖通空调系统优化控制研究的热点。本文主要就循环水泵的节能控制方法做一初步探讨。

从实践中可知，多台水泵非同步变频运行，节能效果不如多台同时变频运行[1]，因此一般多台并联水泵都是按多台同性能水泵，同时变频方式运行。两台同性能的水泵并联运行，各性能参数曲线如下图示意：AB为单台水泵的流量-扬程（Q-H）曲线，AB’为两台水泵并联时的流量-扬程（Q-H）曲线，实际上就是纵坐标扬程相同，横坐标为单台水泵加倍。空调冷冻水系统等闭式循环系统中，管网阻力曲线通过原点，OE为管网阻力曲线。系统满足相似定律，即流量与转速成正比，阻力与转速平方成正比，功率与转速的立方成正比。所以，当转速降低后，功率会有很大的降低。我们就是利用这个规律，来实现我们的节能策略。冷却水循环水泵等开式系统虽然系统已经不满足相似定律，但是变化趋势还是类似的。

从图1中可知，当两台泵同时运行时，系统工作点为点1，系统总流量为Q1，扬程为H。两台水泵各自的工作点为点2，流量为Q2（Q2=0.5Q1），扬程为H。以点2参数选取水泵，并使得此时水泵的运行效率为最高效率区间。如果当此时在关掉一台水泵，则单台水泵的实际工作状态点为曲线AB和管网曲线OE的交点3，明显，此时Q2=2Q1>Q3>Q1。若两台水泵同时变频降速，则CD’为降速后的并联水泵流量-扬程曲线，4点为降速后的并联水泵的工作点，单台泵的工作点则位于5点，此时单台水泵的效率仍然处于高效范围。

一次泵变频控制水流量控制模式通常采用一下方式：1.当末端系统全开，制冷主机及冷水循环水泵全开，水泵运行于工频频率50Hz。2.当末端负荷减小，两台水泵同时变频频降低转速，直至到達设定的频率fT，fT点为低频运行两台水泵功耗单台工频功耗相等的频率[2]。在此频率下运行一个时间段后，关闭一台水泵，泵组变为一台水泵且工频运行。3.当负荷再下降，单台水泵继续变频降速运行，由于冷水机组最小流量及水泵高效运行区限制，变频降速有个下限值，一般调速比≥0.5。4.当末端负荷增大，单台水泵变频提高转速，直至回复频率增大到fT，负荷继续增大，转为两台水泵投入运行，直至增大到设计全负荷运行。

上述控制方式。一般能满足系统中各用户对供水压力及流量的要求。但是，fT点难以计算得到，往往需要多次实验调试得出，工程应用中难以实现。汪建华就同型号调速泵并联运行控制给出了以保证最小功耗时水泵台数的计算优化方法[3]，具备一定的工程可操作性。

近年来，根据水泵效率最高原则的控制的产品也已经得到应用，下面就这种控制产品的控制策略，做以分析说明。

Amstrong 的IPS4000W智能变频水泵控制器，它将水泵的性能曲线参数，如流量、扬程、功率、效率、电流等数据，均写入并联控制器中，管网中通过以下控制，实现变频泵的变流量控制：末端压差传感器、回水温度设定、最大阀门开度等，由并联控制器对参数通过逻辑运算，判断出目前各台水泵的运行效率，然后统一协调多台水泵乃至备用水泵参与运行，综合压差、负荷大小、水泵效率等参数进行加减机。这样就避免了出现单一水泵在低负荷运行在低效区的情况。

根据水泵特性，在满足相似定律时，水泵效率曲线一般不受水泵变频调速影响。所以我们以水泵的运行效率曲线作为水泵调速及加减机的依据，以简化并联水泵组调节控制的难度。

如图2所示，制冷机房设置3台制冷机组，3台循环水泵，柱状图为机房全年机房各负荷率下的运行时长。一般制冷系统，负荷率50、75%运行的时长都比较长。如果按常规控制，设定的转速（频率）作为水泵台数切换主要依据（比如转速为额定转的0.6时切换），当在负荷率30～40%区间时为单台泵运行，但此时单台水泵运行效率远低于高效区;而在50～65%负荷率时为2台泵在运行，2台泵的组合运行中，其效率也是在低效率区。

而依据并联控制器对泵组的运行状态判断后，按水泵组总效率曲线分别以单台泵与2台泵组总效率曲线的交点点1，及2台泵组与3台泵组总效率曲线的交点点2为泵组加减机依据。当系统在管网阻力曲线1点右边的区域运行时，我们采用3台水泵并联变频运行，随负荷波动，泵组整体同步变频调速运行;当负荷降到点1和点2之间时，我们采用2条水泵同步变频调速运行;当负荷降低到点1右侧时，采用一台水泵变频调速运行。这样，在图示的原来的两个低效运行区，变频泵组均由较高的效率，也就是泵组整体的能耗处于一个较优的状态。

综上所述，水泵并联变频调速系统在应用上，首先，采用多台同步变频调节的水泵并联变频调速系统的能耗最小;其次，为减少系统能耗，多台水泵并联加减机判断点选择是其中的关键要素;最后，采用泵组效率曲线可以简化控制系统。

参考文献：

[1]许光映.变频调速并联水泵系统性能仿真研究[J].暖通空调，2007，37（3）：49—53

[2]吕文，陈洪亮.多台并联变频调速水泵的控制方式[J].电力自动化设备.2005，25（4）：89-91.

[3]汪建华.同型号调速泵并联运行优化的简便计算方法[J].暖通空调，2012，42（1）：94-96.