一次泵变流量系统的应用探讨

１、前言
一次泵变流量系统是根据负荷的变化，利用水泵变频调节一次水流量来达到节能的目的。随着制冷机技术的不断提高以及自控技术的发展,变流量技术的可靠性已经大大提高,同时由于水泵的功率与流量的三次成正比,降低系统的水流量可以大大的降低水泵的能耗,因此一次泵变流量系统具有巨大的节能潜力。本文将结合已普遍应用的一次泵定流量系统和二次泵系统，对一次泵变流量系统的应用进行探讨。

2、空调水系统形式
2.1、一次泵定流量系统 一次泵定流量系统如图1(a)所示。该系统中通常每台机组配有一台水泵，水泵保持定流量运行，水泵与机组联动，当加载一台冷水机组时，其对应的水泵先启动，当减载一台机组时,先关闭机组,然后关闭水泵；系统末端安装电动二通调节阀,中间的旁通管上设有压差旁通阀,用来平衡一次水和二次水的流量。机组的加减机控制分别是通过控制供水温度和旁通水量来实现的。当供水温度高于设定温度运行一段时间(通常为10~15min)，就会启动另一台冷水机组,当旁通水量达到单台机组设计流量的110%~120%，并持续运行一段时间(通常10~15min)，系统会减载一台机组。



2.2、二次泵系统 二次泵系统如图1(b)所示。该系统中每台机组同样需要配备一台定速一次泵来维持恒定流量，一次泵与机组联动,系统加减机组的控制原理也与一次泵定流量系统相同；系统末端采用二通调节阀调节流量，二次水根据系统最远端的压差变化变频调节二次泵转速来维持设定的压差值;二次泵系统的旁通管不需要设压差控制器。
　 2.3、一次泵变流量系统 一次泵变流量系统见图1(c)。该系统采用变频调节，不设定泵速,旁通管上设有压差控制阀。当系统水量降低到单台冷水机组的最小允许流量时,旁通一部分水量,使冷水机组维持定流量运行。最小流量由流量计或压差传感器测得。系统末端仍然安装二通调节阀,水泵的转速由系统最远端压差的变化来控制。冷水机组和水泵不必一一对应,它们的启停也分别独立控制。该系统的加机控制原理仍是控制机组的出水温度,而减机控制原理是以负荷为依据,通过运行电流比来控制。

3、一次泵变流量系统的技术关键
　 3.1、冷水机组的流量范围 由于受传热效率等因素的影响,为了安全运行和防止蒸发器结冰,一次水流量必须在一定范围内,因此需要选择最小流量尽可能低的冷水机组。机组蒸发器最小流量由其类型、回程以及管束尺寸决定。同时,对不同的机组效率也对应不同的蒸发器最小流量。一般,机组效率越高,机组蒸发器流量变化的范围就越窄。目前离心机的最小流量一般都能达到设计流量的30%左右。
　 3.2、冷水机组的部分负荷特性 如图2所示(以1000t离心机为例)，在负荷为50%~100%的范围内,蒸发器分别为定流量和变流量的冷水机组的效率几乎是相同的。图3所示为变流量时流量与压降的变化曲线(以1000t离心机为例)。由图3可知,在蒸发器可变范围内机组负荷与流量压降基本成线性关系。


　　　
　 3.3、旁通控制阀 旁通控制阀的选型一定要合理。阀门的流量必须满足单台冷水机组的最小流量，并且应具有线性控制特性，即流量与阀门的开度成线性关系。当系统压力减小，阀门仍然可以正常打开，当系统压力升高,阀门应具有正确的关断能力，并且在设计压力下不渗漏。阀门还必须有弹簧复位功能，当系统关闭或流量测定装置失灵时,为了确保冷水机组的安全运行，阀门自动复位到开启状态。尽量缩短流量测定的信号和阀门控制信号的时间滞后，以提高反应和控制速度。
　 3.4、可允许流量变化率 可允许流量变化率(即冷水机组所允许的，每分钟相对设计流量的变化率)是一次泵变流量系统中冷水机组选型的重要参数。 在系统发生加减冷水机组时会出现最大的流量变化。如图4所示,当系统在一台机组运行的状态下,加载另一台机组的瞬间,两台机组的流量各自减少和增加了50%。当机组内流量减少50%的瞬间，机组会计算出温差需要加倍，这意味着冷冻水的出水温度要大大降低，甚至降到零度以下。在这种情况下，机组会根据温度判断蒸发器将结冰，于是机组控制器会做出停机或卸载的指令。实际上，阀门打开需要一定时间，并不是瞬时完成的，但是在短时间内完成如此大的流量变化仍然存在上述危险。
　　　　
解决这一问题的通常做法是：在加载一台冷水机组之前,先卸载正在运行的机组。但是对于出水温度精度要求较高的工艺性空调来说，不能有很长的卸载时间。因此，在机组选型时，可允许流量变化率的值越高越好。在一般的一次泵变流量系统中，可允许流量变化率应至少取25%~30%。这意味着加载一台冷水机组后,大约需要1.5min系统就可以稳定下来。

4、能耗与经济性分析
　　对空调系统来说，在大部分的运行时间内，系统的负荷在75%左右。对于一次泵定流量系统来说，若总是维持100%的设计流量，则会造成大流量小温差现象。为了循环旁通管内的水量，则导致水泵的能耗被白白浪费。对于二次泵系统来说，由于二次水侧采用变频调节，能耗比比一次泵定流量系统有所降低，但由于其一次水侧仍保持定流量运行，仍会造成部分水泵能耗浪费。
　　
　　一次泵变流量系统的水量根据末端负荷的变化来调节，只有在达到冷水机组最小允许流量时维持定流量运行，因此最大限度地节省了水泵的能耗。下面将通过一个具体的例子对三种水系统形式的能耗进行分析。
　　
　　苏州某大酒店建筑面积为3000m2，共18层。其中主楼部分(7~18层)为4星级客房,裙房部分(1~6层)为集餐饮、娱乐为一体的休闲场所。该建筑设计冷负荷为4330kW，采用1268kW及968kW冷量的螺杆机各两台。3种水系统冷冻水泵的选型如下：　　(1)一次泵定流量　　IS200－150－315A×2:
　　　Q=280m3/h,H=44m,P=55kW
　　B125－100－200A×2:
　　　Q=187m3/h,H=44m,P=37kW　　(2)二次泵变流量 一次泵:　　IS200－150－250×2:
　　　Q=280m3/h,H=20m,P=37kW
　　IS150－125－315A×2:
　　　Q=187m3/h,H=20m,P=22Kw 二次泵:　　IS200－150－315A×2:
　　　Q=280m3/h,H=44m,P=55kW
　　IS150－125－400A:
　　　Q=187m3/h,H=38m,P=37Kw (3)一次泵变流量 IS200－150－315A×2:
Q=280m3/h,H=44m,P=55kW
IS125－100－200A×2:
Q=187m3/h,H=44m,P=37kW


　　
利用Trace700对这3个水系统方案进行比较,结果如表1所示。
从表1可以明显地看出一次泵变流量系统在冷却水泵上的节能效果是十分明显的。就水泵的能耗来说，其比一次泵定流量系统节约了75%，比二次泵变流量系统节约了60%。

注：回报周期：一次泵变流量与一次泵定流量：2年；二次泵变流量与一次泵定流量：5.2年。 但是,在实际工程中，业主不仅关注节能效果，对经济效益更加关注。如果初投资过大，因收周期太长，就会降低业主使用这项节能技术的积极性。表2给出了对上述三种方案进行经济性分析的结果，结果表明一次泵变流量系统所增加的投资只需要2年就可以回收。

5、结论
(1)随着制冷机技术与自控技术的发展，冷水机组变流量运行的安全性已可以得到保障，突破冷水机组定流量的设计理念成为可能；同时，变流量系统自控系统也比其他水系统形式复杂很多；
(2)一次泵变流量系统利用变频装置，根据末端负荷调节系统水流量，最大限度地降低了水泵的能耗，与传统的一次泵定流量系统和二次泵系统相比具有很大的节能优势，对空调系统节能具有很大意义；
(3)目前，一次泵变流量技术的推广尚处在起步阶段，一次泵变流量系统得以应用的工程实例还很少，但也正是因此，这项技术还有相当大的应用潜力。

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