二次(ci)(ci)泵(beng)變(bian)頻系(xi)統(tong)比較(jiao)適(shi)合系(xi)統(tong)大、空(kong)調負荷(he)變(bian)化大、能(neng)(neng)源(yuan)中心與空(kong)調建(jian)筑相對位(wei)置較(jiao)遠(yuan)的情況。本文以一大型工廠(chang)制冷站(zhan)為例，對一次(ci)(ci)泵(beng)和(he)二次(ci)(ci)泵(beng)水系(xi)統(tong)變(bian)流量控制進(jin)行能(neng)(neng)耗分析。

1、工程概況

江蘇某工廠項目占地面積45萬m?，建筑面積20萬m?，設有五大車間。所有生(sheng)產車間的供冷、供熱都由制(zhi)冷站負(fu)擔, 總(zong)冷負(fu)荷為50MW，總(zong)熱負(fu)荷為12.4MW。配(pei)置直(zhi)燃雙(shuang)效溴化鋰(li)吸收式機(ji)組13臺(tai)(tai)；螺(luo)桿式冷水機(ji)組3臺(tai)(tai)；初級泵(beng)15臺(tai)(tai)，每臺(tai)(tai)流量(liang)608m?/h，揚(yang)程15m，功(gong)率37kW；次級泵(beng)8臺(tai)(tai)，每臺(tai)(tai)流量(liang)1140m?/h，揚(yang)程47m，功(gong)率200kW。整個(ge)冷水循環(huan)系統采用次級泵(beng)變流量(liang)、初級泵(beng)定流量(liang)，水系統圖見圖1。

2、運(yun)行工況

在冷水(shui)二次(ci)(ci)泵(beng)變流(liu)(liu)量(liang)(liang)系統中，次(ci)(ci)級泵(beng)負責將(jiang)冷水(shui)分配給用戶，初級泵(beng)滿足一次(ci)(ci)循環(huan)回路(lu)(lu)中的(de)流(liu)(liu)量(liang)(liang)恒定。初級泵(beng)回路(lu)(lu)與次(ci)(ci)級泵(beng)回路(lu)(lu)通過連通管連接，這樣次(ci)(ci)級泵(beng)不受最小流(liu)(liu)量(liang)(liang)的(de)限制，可采用二通閥(fa)加(jia)變頻器來控制流(liu)(liu)量(liang)(liang)。制冷站供回水(shui)溫差(cha)5 ℃，供水(shui)溫度7 ℃。計算得到的(de)各車間需(xu)冷量(liang)(liang)及冷水(shui)流(liu)(liu)量(liang)(liang)見表1

實測(ce)發現，各車間(jian)和制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)站(zhan)水(shui)量(liang)基本滿足設(she)(she)計(ji)流(liu)量(liang)。由表1可以看(kan)出(chu)，4號(hao)車間(jian)需要(yao)的冷(leng)(leng)(leng)量(liang)最大，超過總冷(leng)(leng)(leng)量(liang)的50%。在空調運(yun)行期(qi)間(jian)，連通管起到了調節出(chu)水(shui)水(shui)溫(wen)(wen)的作用，部分冷(leng)(leng)(leng)水(shui)經連通管直(zhi)接與(yu)回水(shui)混合，降低(di)了回水(shui)溫(wen)(wen)度，這(zhe)樣保證(zheng)了有(you)特(te)殊工藝要(yao)求的油漆車間(jian)供水(shui)溫(wen)(wen)度不高于7℃。由于工廠生產廠房內(nei)(nei)熱源多、機器散(san)熱量(liang)大，在春季較早時(shi)間(jian)(5 月初)就需要(yao)供冷(leng)(leng)(leng)，而到秋(qiu)季較晚(11 月底)才能(neng)停止(zhi)供冷(leng)(leng)(leng)，所(suo)以供冷(leng)(leng)(leng)時(shi)間(jian)較長(chang)。以車身車間(jian)為例(li)，取室(shi)內(nei)(nei)設(she)(she)計(ji)干(gan)球溫(wen)(wen)度26 ℃、相對濕(shi)度55 %計(ji)算不同室(shi)外溫(wen)(wen)度下的各種冷(leng)(leng)(leng)負荷值，結果(guo)見圖2 。

由圖2可看出室外溫度變化時各種負荷的變化趨勢，其中車間內部冷負荷所占比例很大，而且很穩定。當室外溫度為20～ 23 ℃時，開始有供冷需求，但只是在室外氣溫高于或等于34 ℃(江蘇省夏季室外計算溫度)時，系(xi)統(tong)才(cai)滿負荷運(yun)行(xing)，也就是說空(kong)調系(xi)統(tong)絕(jue)大部分(fen)(fen)時間處于部分(fen)(fen)負荷下運(yun)行(xing)。

3、變頻(pin)控制水系(xi)統的能耗分(fen)析

3.1、水泵(beng)變頻節能機理

圖3為水(shui)泵的(de)(de)(de)性(xing)能曲(qu)線(xian)與管(guan)(guan)網特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)圖。圖中(zhong)，S1，S2 為管(guan)(guan)網的(de)(de)(de)性(xing)能曲(qu)線(xian)，取(qu)決(jue)于管(guan)(guan)網的(de)(de)(de)特(te)性(xing)(水(shui)路中(zhong)的(de)(de)(de)管(guan)(guan)道、連(lian)接(jie)件、閥門及組合空調(diao)箱的(de)(de)(de)阻力特(te)性(xing))，且隨閥門開啟度的(de)(de)(de)變(bian)化而變(bian)化；Ⅰ，Ⅱ為水(shui)泵的(de)(de)(de)流量和揚(yang)程之間的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)，電流頻率改變(bian)引起水(shui)泵的(de)(de)(de)轉速改變(bian)，其特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)也隨著發生變(bian)化。

在設計工況(kuang)下(xia)，系(xi)統(tong)(tong)(tong)在設計壓(ya)力(li)(li)和(he)設計流(liu)量下(xia)運(yun)行(xing)，運(yun)行(xing)點就是水(shui)泵(beng)(beng)(beng)特性(xing)曲線(xian)與管(guan)網特性(xing)曲線(xian)的交點1。當空調(diao)系(xi)統(tong)(tong)(tong)在部分負(fu)荷下(xia)運(yun)行(xing)時(shi)(shi)，電動二通(tong)閥(fa)關小或末端某(mou)個空調(diao)箱停機，末端水(shui)量由Q1變至(zhi)Q2，系(xi)統(tong)(tong)(tong)阻力(li)(li)增加(jia)(jia)，引起管(guan)網特性(xing)曲線(xian)由S1變化至(zhi)S2，如果此(ci)時(shi)(shi)水(shui)泵(beng)(beng)(beng)恒速工作, 要使水(shui)泵(beng)(beng)(beng)流(liu)量變為Q2，就必(bi)須關小泵(beng)(beng)(beng)后閥(fa)門(men)，使系(xi)統(tong)(tong)(tong)阻力(li)(li)從p2增至(zhi)p3，水(shui)泵(beng)(beng)(beng)在點3 工作。此(ci)時(shi)(shi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的流(liu)量減(jian)少，要求(qiu)較小的壓(ya)力(li)(li)，但水(shui)泵(beng)(beng)(beng)壓(ya)力(li)(li)不(bu)(bu)僅沒有降低，反而升(sheng)高(gao)(gao)了，只有靠關小閥(fa)門(men)增加(jia)(jia)阻力(li)(li)來保(bao)證(zheng)流(liu)量。這樣水(shui)泵(beng)(beng)(beng)工作點脫離高(gao)(gao)效區，造成能(neng)源(yuan)的浪費和(he)運(yun)行(xing)維護費用的升(sheng)高(gao)(gao)，是很不(bu)(bu)合(he)理(li)的。

水(shui)泵系統增(zeng)加變(bian)頻調(diao)速(su)(su)器可(ke)使(shi)其從(cong)恒速(su)(su)狀(zhuang)態轉變(bian)為(wei)變(bian)速(su)(su)變(bian)流量狀(zhuang)態，從(cong)而節省能(neng)源并增(zeng)強(qiang)了(le)控制(zhi)能(neng)力，同時避(bi)免了(le)控制(zhi)閥壓力過大的現象。對于三相異步電動機，存在關系式：n=60f/m（1）

式中(zhong)n 為電(dian)動(dong)機(ji)同步轉速(su)；f 為交流電(dian)頻(pin)(pin)率(lv)；m為電(dian)動(dong)機(ji)極對數。即(ji)水(shui)泵(beng)轉速(su)與電(dian)流頻(pin)(pin)率(lv)成(cheng)正比。變(bian)(bian)頻(pin)(pin)器根據系(xi)統要求運行，當末(mo)端空(kong)調(diao)箱(xiang)的(de)二通(tong)閥(fa)關小(xiao)或末(mo)端空(kong)調(diao)箱(xiang)停機(ji)時，末(mo)端的(de)流量減至Q2，管(guan)網特(te)性曲線變(bian)(bian)為S2，水(shui)泵(beng)變(bian)(bian)頻(pin)(pin)后特(te)性曲線由Ⅰ變(bian)(bian)至Ⅱ，水(shui)泵(beng)流量由Q1變(bian)(bian)至Q2，揚程變(bian)(bian)為p2 ，此時的(de)工作點為圖3 中(zhong)的(de)點2，不需要關小(xiao)閥(fa)門來增加系(xi)統阻(zu)力，從而降(jiang)低了能耗。

3.2、二次泵變頻控制系統能(neng)耗分析(xi)

 在空調能(neng)耗計(ji)算(suan)中，溫度(du)頻率(lv)法(fa)是一種實用(yong)(yong)簡化(hua)的分(fen)析方(fang)(fang)法(fa)，使用(yong)(yong)簡便，精度(du)又能(neng)滿足全年能(neng)耗分(fen)析的要求。以車身車間為(wei)例估(gu)算(suan)整個(ge)空調系統的負荷(he)率(lv)。取室內設計(ji)干球溫度(du)為(wei)26℃，相(xiang)(xiang)對濕(shi)度(du)55%，計(ji)算(suan)不(bu)(bu)(bu)同(tong)溫度(du)下(xia)(xia)的負荷(he)率(lv)和(he)水(shui)泵(beng)(beng)功率(lv)。在圖3中，點(dian)(dian)1 和(he)點(dian)(dian)2 并不(bu)(bu)(bu)滿足水(shui)泵(beng)(beng)相(xiang)(xiang)似(si)定律，即水(shui)泵(beng)(beng)消耗的功率(lv)不(bu)(bu)(bu)與流量的三(san)次方(fang)(fang)成(cheng)正比，而是介于一次方(fang)(fang)和(he)三(san)次方(fang)(fang)之間。為(wei)了(le)便于計(ji)算(suan)，仍按三(san)次方(fang)(fang)關系計(ji)算(suan)不(bu)(bu)(bu)同(tong)負荷(he)率(lv)下(xia)(xia)的次級泵(beng)(beng)功率(lv)。根據江蘇(su)的溫度(du)頻率(lv)統計(ji)數據列出表2 。

 從表(biao)2 可(ke)以看出，在部(bu)分負荷下(xia)變(bian)頻(pin)次級泵(beng)總耗(hao)電(dian)量為不變(bian)頻(pin)時的74%(不包(bao)括(kuo)初(chu)級泵(beng)耗(hao)電(dian)量)，雖然(ran)二次泵(beng)變(bian)頻(pin)控制系統的初(chu)投資(zi)較(jiao)大，但其運(yun)行費用會(hui)降低。

另外，在圖1中，次級泵是并聯在一起的，每臺泵的揚程都必須大于額定工況下最不利環路的阻力，近端用戶只能靠增加阻力(選小管徑或關小閥門)使系統阻力平衡，造成不必要的能源浪費。如果對各用戶的次級供水泵分開布置(如圖5)， 并采取變頻控制, 將更有利于初投資的減少和節能。比如離制冷站較近的沖壓車間和油漆車間空調箱在滿足流量的(de)前提下配(pei)置(zhi)(zhi)揚程較(jiao)小(不足47m)的(de)次級泵，其(qi)功(gong)率也隨(sui)之(zhi)降(jiang)低，而較(jiao)遠(yuan)車間空調箱配(pei)置(zhi)(zhi)揚程大的(de)水泵。這(zhe)樣使(shi)資源(yuan)的(de)配(pei)置(zhi)(zhi)更加優化和(he)合理，降(jiang)低了初投資和(he)運(yun)行費用。

3.3、一次泵變流量系(xi)統(tong)

為了保護(hu)蒸發(fa)(fa)器，傳統(tong)的(de)(de)制(zhi)(zhi)冷(leng)機(ji)(ji)設(she)計盡量(liang)(liang)(liang)(liang)使通過蒸發(fa)(fa)器的(de)(de)水流量(liang)(liang)(liang)(liang)保持(chi)恒定。如果水流量(liang)(liang)(liang)(liang)下(xia)降太快，超(chao)過制(zhi)(zhi)冷(leng)機(ji)(ji)安(an)全范圍內(nei)的(de)(de)反應(ying)能力時(shi)，就會導(dao)致非正常關機(ji)(ji)，甚(shen)至可能會導(dao)致蒸發(fa)(fa)器結冰、管(guan)道損壞以(yi)(yi)及設(she)備停止運行。所以(yi)(yi)傳統(tong)設(she)計大都是初級泵(beng)定流量(liang)(liang)(liang)(liang)、次級泵(beng)變流量(liang)(liang)(liang)(liang)設(she)計，即(ji)二次泵(beng)變流量(liang)(liang)(liang)(liang)系(xi)(xi)統(tong)。隨著控制(zhi)(zhi)技術的(de)(de)發(fa)(fa)展，設(she)置前(qian)饋反應(ying)控制(zhi)(zhi)、有即(ji)時(shi)反應(ying)能力的(de)(de)控制(zhi)(zhi)系(xi)(xi)統(tong)可以(yi)(yi)使蒸發(fa)(fa)器在(zai)(zai)水流量(liang)(liang)(liang)(liang)變化(不(bu)低于(yu)其(qi)最(zui)(zui)(zui)小(xiao)流量(liang)(liang)(liang)(liang))時(shi)，也能正常工作。所以(yi)(yi)人們開(kai)始重視一(yi)次泵(beng)變流量(liang)(liang)(liang)(liang)系(xi)(xi)統(tong)(圖6)。根據空調(diao)生產廠家的(de)(de)選型數(shu)據，對(dui)(dui)于(yu)螺桿機(ji)(ji)，制(zhi)(zhi)冷(leng)機(ji)(ji)最(zui)(zui)(zui)小(xiao)流量(liang)(liang)(liang)(liang)應(ying)是設(she)計流量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)50%～ 60%；對(dui)(dui)于(yu)離心(xin)機(ji)(ji)，最(zui)(zui)(zui)小(xiao)流量(liang)(liang)(liang)(liang)應(ying)是設(she)計流量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)25%～35%;而對(dui)(dui)于(yu)溴化鋰(li)吸收式(shi)制(zhi)(zhi)冷(leng)機(ji)(ji)，其(qi)制(zhi)(zhi)冷(leng)溫(wen)度(du)只要在(zai)(zai)0℃以(yi)(yi)上，凍(dong)結的(de)(de)危險(xian)就很小(xiao)，所以(yi)(yi)其(qi)最(zui)(zui)(zui)小(xiao)冷(leng)水流量(liang)(liang)(liang)(liang)會更(geng)小(xiao)。

很顯(xian)然，采(cai)用(yong)(yong)一次(ci)泵(beng)(beng)變(bian)(bian)(bian)流(liu)(liu)(liu)量系(xi)統(tong)(tong)(tong)，無論初投資還是運(yun)行(xing)費用(yong)(yong)都(dou)是更加節省的，因為減(jian)少了冷水泵(beng)(beng)的臺數，但自控要求將更高。實(shi)測(ce)可(ke)知(zhi)，通用(yong)(yong)公司制冷站二(er)(er)(er)次(ci)泵(beng)(beng)變(bian)(bian)(bian)流(liu)(liu)(liu)量系(xi)統(tong)(tong)(tong)，初級(ji)泵(beng)(beng)揚(yang)程(cheng)(cheng)12.3m 就(jiu)可(ke)滿足系(xi)統(tong)(tong)(tong)要求，次(ci)級(ji)泵(beng)(beng)揚(yang)程(cheng)(cheng)僅需31m 。顯(xian)然，一次(ci)回(hui)路和(he)二(er)(er)(er)次(ci)回(hui)路水泵(beng)(beng)均(jun)考慮(lv)了較(jiao)大余量。如采(cai)用(yong)(yong)一次(ci)泵(beng)(beng)變(bian)(bian)(bian)流(liu)(liu)(liu)量系(xi)統(tong)(tong)(tong)，不設次(ci)級(ji)泵(beng)(beng)，總水流(liu)(liu)(liu)量9120m?/h，揚(yang)程(cheng)(cheng)按原(yuan)二(er)(er)(er)次(ci)泵(beng)(beng)變(bian)(bian)(bian)流(liu)(liu)(liu)量系(xi)統(tong)(tong)(tong)的兩(liang)個(ge)(ge)回(hui)路(一次(ci)回(hui)路和(he)二(er)(er)(er)次(ci)回(hui)路)疊加后43.3m 進行(xing)選泵(beng)(beng)，選取(qu)流(liu)(liu)(liu)量1150m3/h、揚(yang)程(cheng)(cheng)52m、功(gong)率200 kW的水泵(beng)(beng)8臺就(jiu)可(ke)。仍以車(che)(che)身車(che)(che)間估算整個(ge)(ge)系(xi)統(tong)(tong)(tong)的部分負荷率，對一次(ci)泵(beng)(beng)變(bian)(bian)(bian)流(liu)(liu)(liu)量系(xi)統(tong)(tong)(tong)和(he)二(er)(er)(er)次(ci)泵(beng)(beng)變(bian)(bian)(bian)流(liu)(liu)(liu)量系(xi)統(tong)(tong)(tong)進行(xing)能耗分析比較(jiao)，列于表3。

可見，一次泵變流量系統水泵的總耗電量是整個二次泵變流量系統的68%，使用一次泵變流量系統將更加節省能源，從而也降低了運行費用。但由于人們對(dui)一(yi)次泵變(bian)流量(liang)(liang)系(xi)(xi)統的可靠性(xing)還(huan)不放心，所(suo)以現在實際應(ying)用較少。但不容(rong)否認，其(qi)節(jie)能效果是非常好(hao)的，相信在以后幾年中，隨著各種技術的進(jin)步(bu)，一(yi)次泵變(bian)流量(liang)(liang)系(xi)(xi)統將得到廣(guang)泛應(ying)用。

4、結論

4.1、水泵(beng)變頻(pin)控制(zhi)技術運(yun)用在空調水系統(tong)(tong)中(zhong)可(ke)以節省(sheng)能源，從而降低運(yun)行(xing)費用。通過分析通用公(gong)司空調冷水系統(tong)(tong)能耗，得出該制(zhi)冷站在次級泵(beng)變頻(pin)后，耗電量不(bu)變頻(pin)的74%，這(zhe)對于大型生產廠房來說，節電量是(shi)可(ke)觀(guan)的。

4.2、在次(ci)級泵變流量系統中(zhong)，由于到(dao)各用戶(hu)的(de)分(fen)支管路阻(zu)力不(bu)同，導(dao)致對(dui)次(ci)級泵的(de)揚程要求不(bu)同。如(ru)能(neng)將次(ci)級泵分(fen)開(kai)配置，運行就會變得更靈活，更加節能(neng)。

4.3、在該系統(tong)中若采用一(yi)次泵(beng)變流量系統(tong)，其耗電(dian)量為二次泵(beng)變流量系統(tong)的68%。