冷凍、冷卻水泵及循環水泵自動控製系統節能方案

在眾多製冷設備中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按照***設計熱負載 (即***氣溫時)選定的，且留有10%左右的餘量。在一年四季中，水泵系統長期在固定的***水流量下工作。由於季節、晝夜的溫度變化及用戶負荷的變化，設備實際的熱負載在絕大部分時間內遠比設計負載低。由圖1可見，與決定水泵流量和壓力的***設計負載(負載率為100%)相比，一年中負載率在50%以下的運行小時數約占全部運行時間的50%以上。一般冷凍水設計溫差為6-8℃，冷卻水的設計溫差5-7℃最為理想，而事實上在全年絕大部分運行時間裏，冷凍水、冷卻水的溫差僅為2-4℃、即水泵系統長期在低溫差、大流量情況下工作，從而增加了管路系統的能量損失、浪費了水泵運行的輸送能量。

因此，采用本節能控製系統，可使水泵的轉速隨室內溫度的變化而自動調整轉速 (或自動停止、啟動水泵)水泵全年平均節能率保證達到30%以上。

水泵轉速與節能率的關系

對於水泵來說，流量Q與轉速N成正比，溫差ΔT與轉速N成反比，楊程H與轉速N的二次方成正比，而軸功率P與轉速N的三次方成正比，下表告訴我們上述幾量的變化關系：

顯然，變流量控製系統的節能效果是十分突出的，請見下面的比較曲線：

方案要點

1.對於冷凍水泵組 (管道並聯)，安裝1套相應功率的節能控製系統，采用一拖N的辦法在多台冷凍水泵之間切換(視具體使用現場而定)。並且有自動和手動進行切換。

2.對於冷卻水泵組 (管道並聯)，安裝1套相應功率的節能控製系統，采用一拖N的辦法在多台冷凍水泵之間切換(視具體使用現場而定)。並且有自動和手動進行切換。

3.對冷凍泵及冷卻泵組采用微電腦恒壓供水控製系統，使水泵根據外界溫度的變化及用戶使用空調的狀況，在不影響冷氣效果的前提下實現對工頻運行水泵“自動停止、自動啟動”控製，***限度地提高節能效果有效地降低值班人員的工作強度。

控製方案

A.對於冷凍水系統，低溫冷凍水(出水)的溫度由製冷主機控製(7℃左右)，一般來說，我們隻需控製高溫冷凍水(回水)的溫度，即可控製冷凍水的溫差。但是，對於一些用冷量變化較大的系統，盡管製冷主機對低溫冷凍水(出水)有調節作用，但其溫度仍有較大的波動。為此，我們采用兩個溫度變送器、一個PID溫差調節器和一台變頻器組成溫差閉環控製系統，對冷凍水的出水、回水的溫度進行控製，使冷凍水泵的轉速相應於熱負載的變化而變化。

B.對於冷卻水系統，由於其高溫冷卻水 (出水)和低溫冷卻水(回水)的溫度變化較大，為保證工藝需求，我們隻能采用溫差控製方式，即采用兩個溫度變送器、一個PID溫差調節器和一台變頻器組成閉環控製系統，對冷卻水進行溫差控製，使冷卻水泵的轉速相應於熱負載的變化而變化。

系統主要特點

1.變頻器閉環控製電機，按工藝要求設定時、出水溫差，電機輸出功率隨熱負載的變化而變化，在滿足使用要求的前提下達到***限度的節能。

2.由於降速運行和軟啟動，減少了振動、噪聲和磨損，延長了設備維修周期和使用壽命，並減少了對電網衝擊。

3.先進的設置和監控及調節功能改善了系統運行特性使系統使用方便。

4.系統具有各種保護措施，使系統的運轉率和安全可靠性大大提高。

5.系統具有故障報警及自動切換功能(即變頻器故障時自動切換到原工頻系統運行)保證了運行的可靠性。

關於冷凍水泵末端的壓力問題

冷凍水泵降低轉速運行，人們擔心會不會影響末端壓力不足，導緻缺水現象。實際上，由於轉速雖然會使水泵供水壓力降低，然而管道特性的壓力損失也會隨流量的減少而減少，即需要的壓力也會減少，供水壓力與轉速的二次方成正比例降低，需要壓力(管道損失)則與流量的二次方成正比減少，二者可以相互補償。另外，由於冷凍水系統是一個閉環的水系統，瓷瓶流動提供動力，即水泵轉速下降對冷凍水系統的正常工作沒有影響，這與普通的供水系統有所區別。許多單位的實踐也證明了這一點。

循環水泵控製系統的節能

循環水泵在供暖、空調等系統中處於心臟位置，為系統運行提供動力，因此是極為重要的。然而，在眾多運行著的循環水泵中，由於各種原因，這個"心臟"並不能發揮應有的作用，應當改善這些水泵，使之為業主節省電費、節約能源。

1.小區、樓宇、廠房的供暖、空調負荷，會隨著外界的氣象條件而變化，如果采用流量調節的方法，就要求循環水泵的流量能容易調節和控製。尤其是現代化的熱網和智能建築與智能小區，對這一方面的要求是迫切的。

在一般供熱、空調系統中，用戶側采用二通閥調節流量，當總管上流量減小時，壓差控製閥就會旁通掉多餘的流量，多餘的壓頭消耗在閥門節流上。但是，泵的流量沒有發生變化，能量沒有節約。

2.舊有的系統，由於選型不合理，或系統實際供熱、供冷面積發生變化，造成水泵運行壓力和流量遠離額定工況，產生諸如水泵電機超電流，“大馬拉小車”等情況。

當水泵實際工作點由於選擇不當或熱網阻力減小時，水泵工作點向右移動，如下圖水泵與熱網特性曲線分析圖所示：

由圖可見，當循環水泵與管路特性曲線不相匹配時，如果仍采用原水泵並不加節流時，工作點將會超過水泵***流量，長期運行會燒毀電機。為了不燒毀電機，就必須采用閥門節流，水泵工作點將從C點移到A點，這樣大量電能消耗在閥門節流上。由於閥門開得過小，會有大量管網資用壓頭浪費在閥門上，閥後壓頭減少，遠端用戶水量不足，造成嚴重的水力失調。

當選擇水泵流量、揚程過大造成“大馬拉小車”時，在這種情況下，如果不采用節流，就會使系統流量過大，造成大流量、小溫差的運行方式，這顯然是不經濟的。如果采用節流，使流量達到實際所需要的，浪費在閥門上的能量一定會很大，而且閥門老是工作在節流狀態下，對閥門不利（因為一般水泵出口閥門是起關斷作用的，不適合節流）。對水泵而言，一般這種情況下，水泵會偏離***效率點，容易損壞。

3.分期建設的熱網或房地產項目中，供熱、空調面積加大後，流量也要加大，此時如果按照一期完成的負荷選擇循環水泵，二期完成後，就得重新換泵；如果按照二期完成後的負荷選擇循環水泵，一期到二期這段時間內就會浪費很多能量，而且系統運行狀況不佳。

針對以上三種情況，人們有各種各樣的解決方案，下面隻對水泵超電流這種情況比較以下各種方案的優劣。

注：

1，閥門節流指上文提到的使電動機不燒毀而關小水泵出口閥門方案；

2，並聯運行指設置兩台一用一備的水泵，現在一同運行，不設備用；

3，系統安全性是指水泵、閥門是否易於損壞，系統備用是否得當；

4，對電力負荷的影響是指水泵啟動安全性，是否需要增容。

對循環水泵進行變頻控製有兩種策略，一種為“定壓變流量”，另一種為“變壓變流量”;“定壓變流量”的控製方式就是通過變頻器恒定循環水泵的進出口壓差或最不利熱用戶的資用壓差，來實現循環水泵的變流量運行。由下圖可以看到，如果不采用閥門節流的措施，是無法按照系統實際需要進行調整的。如果采用“變壓變流量”，根本無須調節閥門，是最方便和最節能的方式。

下圖為采用變頻後的節能比較效果圖，A為采用閥門節流後的水泵工作狀態點，B為采用定壓變流量控製方式水泵工作狀態點，C為采用變壓變流量控製方式水泵工作狀態點，O為零點。由圖可見，采用變壓變流量，由於功率和流量是三次方的關系，當流量下降為額定流量的80%時，功率下降為原功率的51.2%，當流量下降為原來的50%時，功率隻有原來的12.5%。節能效果不僅大大超過了閥門節流的方法，也遠勝於“定壓變流量”。大量統計結果表明，采用變頻後，每年節約電量可達30～60%，兩年內即可回收全部投資於變頻裝置的成本。

下圖是按月份計算的節能比較效果圖。很明顯：循環水泵采用"變壓變流量"的控製方式是最節能的。

循環水泵設置的兩種形式：

對於換熱器來說，在運行期間，換熱器對循環流量大小並無嚴格限製。因此，循環水泵的設置一般如圖所示，換熱站循環泵與熱用戶循環泵合二為一。這種情況也適用於采用吸收式冷熱水機組，吸收式冷水機組的負荷調節可以在10～100%內無極調節；冷水流量可在50～100%內無極調節，如果采用兩台機組即可在25～100%內進行調節。

對於鍋爐來說，鍋爐循環流量一般不應小於額定流量的70%，當循環流量過小時，會引起鍋爐浸水管水量分配不均，出現熱偏差，導緻鍋爐爆管等事故；同時由於回水溫度過低，造成鍋爐尾部腐蝕。因此常采用雙級泵系統。

對於壓縮式冷水機組，流經蒸發器的流量低於其額定流量時，冷水溫度會很低，甚至結冰，造成喘振，可能引起機器停車，造成冷量波動。所以，壓縮式冷水機組也得采用雙級泵系統。冷熱源側循環泵一般采用定流量運行，負荷側泵采用變流量運行，以適應負荷的變化。

控製策略

對於流量-揚程曲線比較平緩循環水泵，采用壓差控製比較困難，可以采用流量控製，就是時時采集泵出口流量的數值，將其與當時外溫條件下為保證室溫所需要的流量比較，進而通過變頻控製水泵流量，實現系統的變流量運行。

但是一個問題是，流量的測量比較麻煩，尤其對於大管徑的流量測量裝置，造價十分昂貴，技術人員在綜合研究國內外供熱/空調現狀的基礎上，推出了獨特的控製策略。

不論供熱/空調系統是采用質調節、量調節，還是質量並調的調節方式，系統供回水溫度在室內溫度要求恒定、室外溫度已知的情況下，都是系統循環流量的單值函數，這樣，時時采集系統回水溫度或分集水器的壓差，並反饋至變頻器中，與系統在當時外溫條件下計算出的回水溫度或壓差進行比較，指導變頻器控製循環水泵的運行頻率。

對於不同的供熱/空調系統，是采用壓差控製、流量控製還是溫度控製，應當綜合考慮水泵流量特性、系統調節方式，各種系統參數變送器的取得難易與否來確定。

這套控製策略實現於變頻控製櫃中非常容易，並可以通過一定的通訊方式與上位機聯系，實現集散式控製。

系統特點

變壓變流

總能量實現“按需供給”

高效節能，高達30～60％，優於定壓變流量控製

供回水壓力、溫度顯示

各用戶流量變化比率一緻

系統動態調節元件動作小或不變，延長使用壽命

水泵軟啟動，延長水泵壽命

循環水泵噪聲降低，無汙染

冷、熱源流量保護

遠程通訊

遠程控製

按照循環水泵的功率進行選擇。如果循環水泵已有了電控櫃，僅需加一個“智能控製櫃”，即可實現上述功能。

CPCS－X－XX－1/2

X-循環水泵功率

XX-循環水泵台數

1/2-1表示循環水泵無電控櫃；2表示循環水泵已有電控櫃，隻需要智能控製櫃。