二次泵系统的设计及控制方法探讨(一)

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摘要：本文分析了空调二次泵变水量系统的特点及其负荷调节方法，探讨了水泵变速调节中系统定压差控制的相关问题。结论指出，二次泵系统通过桥管设置实现了水力工况隔离，具有较好的水力稳定性；水泵调速采用远端定压差控制时，水泵扬程需求与负荷分布有关。
关键词：二次泵系统 桥管 定压差控制 负荷分布 1 引言
近年来，随着中央空调的大量使用，我国建筑能耗增长迅速。据统计，1990-2000十年间建筑能耗年均增长5.8％，大大超过同期能源生产2.4％的增长率。在空调能耗中，系统输送能耗约占1/3[1]。因此，变流量技术在空调系统节能设计日益受到重视。
对于空调水系统来说，输送能耗占总能耗的比例随系统规模的增大而增加。变水量系统（VWV）通过改变输送管网内的冷水流量满足用户负荷要求，可有效降低系统输送能耗。
2 二次泵系统的设计
如上所述，用户负荷的变化可以通过改变系统冷水流量实现。但是，为保证水力热力工况稳定，冷水机组所允许的流量波动范围很小。解决这一矛盾，通常有两种方法。
图1为国内设计中较多采用的压差旁通控制方法。当负荷减小时，用户阀门关小，分集水器压差增加，电动调节阀开大，部分冷水经旁通短路，维持机组流量不变，用户负荷增加时动作相反。

图1 一次泵系统
图2为国外设计中常见的桥管旁通控制方法[2][3]。通过设置桥管将整个系统分隔为两个水力工况相对独立的回路：冷水生产和冷水输送。各区均设有循环泵负责提供本区循环动力。当冷机负荷与用户负荷相等时，桥管内流量为零；当用户负荷减少时，桥管内流量从供水流向回水。

图2 二次泵系统
对于大型的区域供冷系统，常采用三次泵系统（PST：Primary-Secondary-Tertiary Pumping System），如图3所示[4]。从系统形式上看，三次泵系统只是扩展了桥管应用，仍属于二次泵系统范畴。

图3 三次泵系统
三次泵系统将冷水分隔为三个独立的回路：生产（Production）、输送（Transmission）和分配（Distribution）。从循环水泵设置看，三次泵系统属于分布式加压泵系统[5]。一次泵负责冷水产生，二次泵负责冷水输送，三次泵负责冷水分配。各回路间水力工况相对独立，各用户间水力耦合性小，无最不利用户存在，系统水力稳定性较好[6]。
三次泵系统用户可根据各自需要配置相应的循环水泵，并通过调节水泵转速来匹配负荷要求，桥管的设置有效地避免了用户间调节工况的干扰。在理想工况下，一次泵、二次泵的扬程之和与一次泵系统水泵扬程相等。因此，三次泵系统的水泵能耗不会高于一次泵系统。
3 二次泵系统的负荷调节
二次泵系统是一个变水量系统，通过改变循环水量实现对用户的负荷调节。常见的变水量调节方法有台数调节和变速调节两种。
3.1 台数调节
传统一次泵系统的台数调节较多采用差压控制，二次泵系统的台数调节主要采用流量控制，在控制精度较高的场合多采用负荷控制。
差压控制是利用水泵并联特性曲线，设定一个供回水压力的波动范围，当负荷变化引起管网流量改变时，供回水压力也随之波动，当超过设定上限值时增泵；当低于设定下限值时减泵。
流量控制是根据桥管内水流的方向和大小控制水泵及相对应冷机的开停。当用户负荷下降，二次流量减少时，一次流量过剩，桥管内冷水由供水流向回水。当流量大于单泵流量110%时，关闭一台冷机及相应水泵；当用户负荷增加，一次流量出现不足，桥管内冷水逆向流动。当流量大于单泵流量20%时，开启一台水泵及相应的冷机。提前开启冷机的目的是为避免二次供水温度出现较大波动。

图4 风机盘管制冷量与流量关系
图4为空调系统常见末端设备风机盘管的制冷量与流量的关系图[7]。由于末端设备热特性具有非线性特点[8]-[10]，当流量需求减至一台水泵时，并非意味着用户负荷也减至一台冷机容量。因此，在控制要求较高的场合应采用负荷控制。负荷控制是通过检测一次侧供回水管上的温差和流量计算得到需冷量，当需冷量降至相当于一台冷机的容量时停一台水泵及相应的冷机。较之流量控制，负荷控制可有效解决水力、热力工况不协调的问题[1]。
3.2 变速调节
二次泵扬程克服的阻力包括管网、盘管、平衡阀及控制阀等。在定速变水量系统中，当流量减少时，管网、盘管及平衡阀的压力降也减少，但循环泵扬程不仅没有降低，反而还有所增加，二者之间的差值就必须由控制阀（二通阀）来负担，见图5。因此，定速变水量系统的节能效果并不明显。在极低负荷时，控制阀会因压差过大失控，使过量冷水通过盘管。

图5 定速变水量系统控制阀上的压差变化
采用水泵变速调节可以克服上述弊端。当负荷减少时，通过改变水泵转速使扬程和流量减少，可以获得明显的节能效果。考虑变频器效率和电机散热等因素，变速调节应有一个最低转速限制（一般为额定转速的30%）。当负荷变化范围较大时，常采用多泵并联变速调节实现节能运行。