在空调系统能耗中，水泵耗能占很大一部分。变频技术在冷水泵中的合理应用，可以有效地减少空调能耗。然而,水泵变频控制技术在国内的应用并不很普及, 空调工程中水泵采用变频技术的仅10%左右,由于人们对一次泵变频系统的可靠性存在怀疑,故对一次泵进行变频的应用实例尤其少, 但它有着较大的节能空间。二次泵变频控制技术用于空调冷水泵在美国已将近30年,在我国也有成功运行的例子。二次泵变频系统比较适合系统大、空调负荷变化大、能源中心与空调建筑相对位置较远的情况。本文以一大型工厂制冷站为例, 对一次泵和二次泵水系统变流量控制进行能耗分析。

1 工程概况

上海通用汽车有限公司(以下简称通用公司)占地面积55万m ² ,建筑面积23万m ² , 设有冲压、车身、油漆、总装和动力总成五大车间。所有生产车间的供冷、供热都由制冷站负担, 总冷负荷为54MW , 总热负荷为16.4 MW 。配置16DF100 直燃双效溴化锂吸收式机组15 台;23XL-290螺杆式冷水机组2 台;初级泵15 台, 每台流量608m ³ /h,扬程15 m , 功率37 kW ;次级泵8台, 每台流量1140 m ³ /h, 扬程47m, 功率200 kW。整个冷水循环系统采用次级泵变流量、初级泵定流量, 水系统图见图1。

2 运行工况

在冷水二次泵变流量系统中, 次级泵负责将冷水分配给用户, 初级泵满足一次循环回路中的流量恒定。初级泵回路与次级泵回路通过连通管连接,这样次级泵不受最小流量的限制, 可采用二通阀加变频器来控制流量。制冷站供回水温差5 ℃, 供水温度7 ℃。计算得到的各车间需冷量及冷水流量见表1 。

实测发现, 各车间和制冷站水量基本满足设计流量。由表1 可以看出, 油漆车间需要的冷量最大,超过总冷量的50%。在空调运行期间, 连通管起到了调节出水水温的作用, 部分冷水经连通管直接与回水混合, 降低了回水温度, 这样保证了有特殊工艺要求的油漆车间供水温度不高于7 ℃。由于通用公司生产厂房内热源多、机器散热量大, 在春季较早时间(5 月初)就需要供冷, 而到秋季较晚(11 月底)才能停止供冷, 所以供冷时间较长。以车身车间为例, 取室内设计干球温度26 ℃、相对湿度55 %计算不同室外温度下的各种冷负荷值, 结果见图2 。

由图2 可看出室外温度变化时各种负荷的变化趋势, 其中车间内部冷负荷所占比例很大, 而且很稳定。当室外温度为20～23 ℃时, 开始有供冷需求, 但只是在室外气温高于或等于34 ℃(上海市夏季室外计算温度)时, 系统才满负荷运行, 也就是说空调系统绝大部分时间处于部分负荷下运行。

3 变频控制水系统的能耗分析

3.1  水泵变频节能机理

图3 为水泵的性能曲线与管网特性曲线的关系图。图中, S1 , S2 为管网的性能曲线, 取决于管网的特性(水路中的管道、连接件、阀门及组合空调箱的阻力特性), 且随阀门开启度的变化而变化;Ⅰ,Ⅱ为水泵的流量和扬程之间的关系特性曲线,电流频率改变引起水泵的转速改变, 其特性曲线也随着发生变化。

在设计工况下, 系统在设计压力和设计流量下运行, 运行点就是水泵特性曲线与管网特性曲线的交点1。当空调系统在部分负荷下运行时, 电动二通阀关小或末端某个空调箱停机, 末端水量由Q1变至Q2 , 系统阻力增加, 引起管网特性曲线由S1变化至S2 ,如果此时水泵恒速工作,要使水泵流量变为Q2 , 就必须关小泵后阀门, 使系统阻力从p2增至p3 , 水泵在点3 工作。此时系统的流量减少,要求较小的压力, 但水泵压力不仅没有降低, 反而升高了, 只有靠关小阀门增加阻力来保证流量。这样水泵工作点脱离高效区, 造成能源的浪费和运行维护费用的升高, 是很不合理的。

水泵系统增加变频调速器可使其从恒速状态转变为变速变流量状态,从而节省能源并增强了控制能力, 同时避免了控制阀压力过大的现象。对于三相异步电动机, 存在关系式：n= 60 f/m。

式中　n 为电动机同步转速;f 为交流电频率;m为电动机极对数。即水泵转速与电流频率成正比。变频器根据系统要求运行, 当末端空调箱的二通阀关小或末端空调箱停机时, 末端的流量减至Q2 , 管网特性曲线变为S2 , 水泵变频后特性曲线由Ⅰ变至Ⅱ , 水泵流量由Q1 变至Q2 , 扬程变为p2 , 此时的工作点为图3 中的点2, 不需要关小阀门来增加系统阻力, 从而降低了能耗。

3. 2 二次泵变频控制系统能耗分析

在空调能耗计算中, 温度频率法是一种实用简化的分析方法, 使用简便, 精度又能满足全年能耗分析的要求。以车身车间为例估算整个空调系统的负荷率。取室内设计干球温度为26℃, 相对湿度55%, 计算不同温度下的负荷率和水泵功率。在图3 中, 点1 和点2 并不满足水泵相似定律, 即水泵消耗的功率不与流量的三次方成正比, 而是介于一次方和三次方之间。为了便于计算, 仍按三次方关系计算不同负荷率下的次级泵功率。根据上海的温度频率统计数据列出表2 。

从表2 可以看出, 在部分负荷下变频次级泵总耗电量为不变频时的74 %(不包括初级泵耗电量), 虽然二次泵变频控制系统的初投资较大, 但其运行费用会降低。

另外, 在图1中, 次级泵是并联在一起的, 每台泵的扬程都必须大于额定工况下最不利环路的阻力, 近端用户只能靠增加阻力(选小管径或关小阀门)使系统阻力平衡, 造成不必要的能源浪费。如果对各用户的次级供水泵分开布置(如图5), 并采取变频控制, 将更有利于初投资的减少和节能。比如离制冷站较近的冲压车间和油漆车间空调箱在满足流量的前提下配置扬程较小(不足47m)的次级泵, 其功率也随之降低, 而较远车间空调箱配置扬程大的水泵。这样使资源的配置更加优化和合理, 降低了初投资和运行费用。

3. 3  一次泵变流量系统

为了保护蒸发器, 传统的制冷机设计尽量使通过蒸发器的水流量保持恒定。如果水流量下降太快, 超过制冷机安全范围内的反应能力时, 就会导致非正常关机, 甚至可能会导致蒸发器结冰、管道损坏以及设备停止运行。所以传统设计大都是初级泵定流量、次级泵变流量设计, 即二次泵变流量系统。随着控制技术的发展, 设置前馈反应控制、有即时反应能力的控制系统可以使蒸发器在水流量变化(不低于其最小流量)时, 也能正常工作。所以人们开始重视一次泵变流量系统(图6)。根据某些空调生产厂家的选型数据,对于螺杆机, 制冷机最小流量应是设计流量的50%～ 60 %;对于离心机, 最小流量应是设计流量的25%～ 35%;而对于溴化锂吸收式制冷机,其制冷温度只要在0℃以上,冻结的危险就很小,所以其最小冷水流量会更小。

很显然, 采用一次泵变流量系统,无论初投资还是运行费用都是更加节省的, 因为减少了冷水泵的台数, 但自控要求将更高。实测可知, 通用公司制冷站二次泵变流量系统, 初级泵扬程12.3m 就可满足系统要求, 次级泵扬程仅需31 m 。显然, 一次回路和二次回路水泵均考虑了较大余量。如采用一次泵变流量系统, 不设次级泵, 总水流量9120m ³ /h , 扬程按原二次泵变流量系统的两个回路(一次回路和二次回路)叠加后43.3 m 进行选泵, 选取流量1150m ³ /h 、扬程52 m 、功率200kW 的水泵8 台就可。仍以车身车间估算整个系统的部分负荷率, 对一次泵变流量系统和二次泵变流量系统进行能耗分析比较, 列于表3 。

可见, 一次泵变流量系统水泵的总耗电量是整个二次泵变流量系统的68%, 使用一次泵变流量系统将更加节省能源, 从而也降低了运行费用。但由于人们对一次泵变流量系统的可靠性还不放心,所以现在实际应用较少。但不容否认, 其节能效果是非常好的, 相信在以后几年中, 随着各种技术的进步, 一次泵变流量系统将得到广泛应用。

4 结论

4.1 水泵变频控制技术运用在空调水系统中可以节省能源, 从而降低运行费用。通过分析通用公司空调冷水系统能耗, 得出该制冷站在次级泵变频后, 耗电量为不变频的74%, 这对于大型生产厂房来说, 节电量是可观的。

4.2 在次级泵变流量系统中, 由于到各用户的分支管路阻力不同, 导致对次级泵的扬程要求不同。

如能将次级泵分开配置, 运行就会变得更灵活, 更加节能。

4.3  在该系统中若采用一次泵变流量系统, 其耗电量为二次泵变流量系统的68%。