二次泵系统的设计及控制方法
[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。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。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。
图6是几种不同运行方式下的泵功率随负荷变化的曲线。定水量系统水泵运行工况点不变，泵功率不变；单泵定速系统仅靠二通阀的节流调节，水泵功率变化不大；多泵变速系统在低负荷时仍能保持较大的节能潜力。
图6 不同运行方式下的水泵功率对比
4、水泵变速调节的控制曲线
根据相似定律，相似工况点处水泵功率与其转速的三次方成正比。在忽略静扬程时，系统曲线上的点为相似工况点，满足相似定律。在变速变水量系统中，水泵变速调节常采用恒压差控制，控制曲线与系统曲线不重合。因此，水泵功率与转速也不满足三次方定律。
图7是水泵变速调节恒定压差控制时各曲线间的关系。水泵扬程由恒定压差和可变压差两部分组成：恒定压差即压差传感器控制回路，由盘管、平衡阀和控制阀组成，其值不随流量变化改变；可变压差为输配管网压降，与管网流量平方成正比。由管网曲线向上平移一个恒定压差即得控制曲线。由图可以看出，恒定压差越小，系统的节能效果就越好。
图7 水泵变速调节的控制曲线
需指出的是，控制曲线是假设用户负荷比例变化条件下得到的一条平均曲线。例如，当系统流量减少50％时，系统内各用户流量需求均为50％ 。在实际中，用户负荷是按各自需求确定的，各用户流量变化也很少能够保持一致。
下面以图8为例，计算系统在不同负荷分布不同控制方式下所需的水泵扬程。为简化分析，计算中假设用户设计负荷相等，且用流量代替用户负荷变化。
图8 带有6个相同末端的空调水系统图
不同负荷分布不同控制方式下水泵所需的扬程（单位：kPa） 表1
用户6处定压差
流量 用户1处定压差
负荷集中于近端 负荷集中于远端 比例负荷
0 m3/h 48.00 48.00 48.00 84.00
45 m3/h 48.67 58.57 49.65 84.66
90 m3/h 50.91 71.67 54.66 86.67
135 m3/h 55.34 83.55 63.00 90.00
180 m3/h 63.67 92.52 74.67 94.68
225 m3/h 78.71 100.68 89.67 100.97
270 m3/h 108.00 108.00 108.00 108.00
OP为水泵曲线；OQ为系统曲线；OAN为远端定压差、负荷集中于近端的控制曲线；OCN为远端定压差、负荷集中于远端的控制曲线；OBN为比例负荷变化时的控制曲线；由曲线OANCO组成的封闭区域即为远端定压差控制时系统工况点的变化范围；ODM为近端定压差控制曲线。
图9中，OP为水泵曲线；OQ为系统曲线；OAN为远端定压差、负荷集中于近端的控制曲线；OCN为远端定压差、负荷集中于远端的控制曲线；OBN为比例负荷变化时的控制曲线；由曲线OANCO组成的封闭区域即为远端定压差控制时系统工况点的变化范围；ODM为近端定压差控制曲线。
图9 不同用户负荷分配时的控制曲线
通过上述分析计算，可以得出以下结论：
① 系统近端定压差时，水泵扬程需求仅取决于负荷大小而与负荷分布无关；远端定压差时，水泵扬程需求不仅与负荷大小有关，还与负荷分布有关。
② 除用户全开或全关两种工况外，远端定压差时系统扬程需求较近端时小，系统运行较为节能。这是因为远端定压差时，系统具有最大的可变扬程。
③ 系统远端定压差时，用户负荷集中于近端时系统扬程需求较比例负荷时小，负荷集中于远端时系统扬程需求较比例负荷时大。这是因为远端负荷需要的输送能耗大。
结论
在空调变水量系统设计中，国内常采用分集水器压差旁通控制的一次泵系统，国外常采用带桥管的二次泵系统。本文对二次泵系统形式、负荷调节及压差控制策略进行了探讨，得出以下结论：
二次泵系统通过设置桥管，不仅有效地解决了冷机定流量负荷变流量的矛盾，而且实现了系统各部分水力工况隔离，同时具有分布式水泵水力稳定性好的特点；
当供冷系统容量较大且负荷变化范围较宽时，采用多泵并联变速运行可有效降低运行能耗，在低负荷时系统仍能保持较高的效率。
水泵调速采用远端恒定压差控制时，系统具有最大的可变扬程，运行能耗较近端压差控制要小。远端压差控制的扬程需求不仅与负荷大小有关，还与负荷分布有关。
