某能源站项目变频水泵与变频控制的合理化建议

由于水泵电机在变频运行时，其异步鼠笼电机的不同频率工作下，其发热量变化不大，而与水泵电机同轴的冷却风扇在会在低频/低转速运行造成其冷却风量降低，为了解决此问题，水泵厂家会在其电机结构上另外设置一个定频的冷却风扇，无论水泵电机在何种转速情况下，都可以获得足够的冷却风量，这类产品被称为“变频水泵”（实际上更为准确的名称应为变频电机水泵）。

由于离心式水泵的运行特性，其转速与其流速并不为线性对应关系，绝大部分水泵不需要进行宽频调节，因此一般情况下，对于普通水泵的供电回路配置变频器，既可以满足其工艺变流量的要求，这种方式则称为“变频控制”。

虽然目前其他水泵厂家并没有提供具体的技术参数，目前仅有格兰富用户手册中明确注明其普通水泵的变频调节下限频率为30Hz，考虑到10%的安全冗余，下限频率控制在33Hz，这就是许多设计说明中所提及的变流量水泵的变频控制下限频率为33Hz的由来。根据西门子电机用户手册，其下限频率为25Hz（如果采用宽频调节，则需要另外配置电机冷却风扇选配的非标产品），其下限频率应为27.5Hz。

由于能源站项目，绝大部分变流量范围，在其33~50Hz频率范围内运行都可以满足其变流量工况，因此目前对于能源站项目的变流量水泵都会采用变频控制，而无需采用专用变频电机的水泵。

由于专用变频电机水泵的电机结构有所变化，其采购成本会增加约10%，而且需要电控柜及配电回路都需要增加元器件和线缆，因此从经济性和技术必要性考虑，能源站项目无需采用变频电机水泵，采用普通电机水泵，在其33~50Hz频率范围内实施变频控制，完全可以满足水泵变流量的工艺要求。

离心式冷水机组由于在其80%以上带载率时，可以保持高COP值运行，而在低于80%的带载率时，其COP值将明显降低，为了提高其离心式冷水机组在低于80%带载率工况下的COP值，应该采用变频离心式冷水机组。 

因此，虽然区域能源站的离心式冷水机组在标准工况条件下，其离心式冷水机组不会低于80%带载率下运行的，但实际上，当其冷却水温度降低后，由于其压缩机的COP值提高，其离心式冷水机组的带载率会下降，为了解决区域能源站全年运行工况的COP值，因此会采用变频离心式冷水机组（目前本项目的离心式冷水机组也是采用的变频机组）。

特别注意：由于10kV变频器不属于标准的工业变频器，目前仅为民用制冷行业的定制产品。因此某些厂家对于10kV变频离心机会采用“10kV/6kV变压器+6kV变频器+6kV压缩机电机”的方式，此方式一方面增加了10kV/6kV变压器的能耗，另一方面变频启动柜所占地面积增加约1/3。因此用户在招标采购10kV变频离心机时，一定约定必须采用10kV变频控制的方式。

实际上不采用变频离心式冷水机组，用提高蒸发器侧（即冷冻水）的流量方式也可以提高离心式冷水机组的带载率，从而不必要一定采用变频离心式冷水机组，由于冷机压缩机的电功率远远大于循环水泵的电功率，因此为了解决离心式冷水机组能够在能源站全年工况条件下的带载率达到80%以上，以确保在全年工况条件下的高COP运行，采用蒸发器侧循环水泵变频远比冷机压缩机实现变频更加经济，而且在冷却水温度低于32℃标准工况条件下时，由于单台冷机的供冷量大于标称冷量，因此可以减少冷机投入的数量。由于能源站项目的冷机数量基本都处于5台以上，每台冷机供冷量所占系统的比例仅为20%，而其80%的带载率为系统负荷的16%，因此从冷量需求而言，系统负荷的变化，完全可以确保每台冷机均可处于80%的带载率以上。

综上所述，从技术及经济上分析，采用蒸发器侧循环水泵的变频运行，以冷机带载率80~90%为控制目标值，提高其流量，确保冷机始终处于高效运行工况的技术方案最为合理。

对于离心式热泵机组，其一级循环泵，在制冷工况条件下，其循环水流经冷机的蒸发器，而在制热工况条件下，其循环水则流经冷机的冷凝器。由于两种工况条件下，其离心机冷机的COP不一样，制冷工况时，其压缩机的运行发热量实际上是蒸发冷却的负载，而热泵工况运行时，其压缩机的运行发热量实际上是供给热量的一部分。因此其制冷工况的标称冷量和热泵工况的标称热量是不相同的，由于其温差相同，因此需要其一级循环泵实现变流量运行，因此对其一次循环泵需要实施变频控制，以满足制冷工况和热泵制热工况的不同工况要求。

对于夏季制冷、冬季热泵制冷的离心式冷机机组，在设备选型时，其冷凝器夏季工况为5℃温差，因此绝大部分厂家在选型时其热泵工况，其冷凝器的也是5℃温差。因此目前业内绝大部分厂家对于需要制冷和热泵双工况运行的机组其冷凝器均采用5℃温差设计。当然对于仅仅为热泵工况运行的机组，其冷凝器确实完全可以根据热泵工况进行选型，理论上应该是可以的。目前绝大部分采用冷机热泵运行的水源热泵工程项目，其夏季制冷和冬季热泵供暖都是采用5℃的相同温差，如果通过对其热泵一次循环泵和水源循环水泵均实现变流量控制，强行达到冷凝器制冷工况采用5℃温差和制热工况采用10℃温差设计工况的可行性，需要冷机厂家通过选型给予复核验证，但目前对于水源热泵工程项目，均没有采用这样的设计工况。

综上分析，本项目其离心式热泵机组的一次循环泵应采用变频控制。

任何水泵在设计选型时，都是在某流量值条件下，确定其水泵的扬程也就是水泵的进出口压差。根据其水泵运行特性曲线，在不同的流量工况下，其扬程是发生变化的。为了解决其流量变化条件下，改变水泵的运行转速，改变其运行特性曲线，确保在不同的流量下，可以保持其扬程恒定，因此采用变频控制水泵实现定压就是利用这个原理。

但由于系统补水量波动较大，正常情况下很低，远远低于补水泵的设计流量（补水泵的流量是按照系统总流量的1~5%），甚至达到运行流量达到零，一方面流经水泵的水还有一个作用就是给水泵轴冷却降温，否则就可能出现抱轴故障，另一方面其变频水泵下限频率为33Hz，由于其流量很低或为零的时候，其压力可能高于系统所需的定压值。因此采用变频水泵定压很难实现正常的定压运行，提供稳定的定压值。

因此目前在工程实践中，能够正常稳定运行的定压补水装置应是采用定频补水泵，并设置定压罐，实施“下限启泵、上限停泵、超限电磁阀泄压”，并设置机械式安全阀，在泄压电磁阀故障情况下，机械式安全阀实现泄压。