關于并聯(lián)變頻水泵的優(yōu)化運行策略分析

黃絲雨 詹利軍 劉 剛 施 龍東華大學環(huán)境科學與工程學院

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關于并聯(lián)變頻水泵的優(yōu)化運行策略分析

黃絲雨 詹利軍 劉 剛 施 龍
東華大學環(huán)境科學與工程學院

摘要：分析了同型號變頻冷凍水泵并聯(lián)運行時的特性模型，定義了同型號變頻冷凍水泵并聯(lián)運行時的高效流量區(qū)間。在干管定壓差控制下，以冷凍水泵高效運行為約束條件，給出了尋找并聯(lián)變頻水泵最優(yōu)轉(zhuǎn)速比和最優(yōu)臺數(shù)的優(yōu)化控制策略。最后，結(jié)合實例分析了該冷凍水系統(tǒng)優(yōu)化控制策略的節(jié)能效果。

關鍵詞：并聯(lián)水泵；變頻；轉(zhuǎn)速比；運行臺數(shù)；優(yōu)化策略

現(xiàn)如今人們對室內(nèi)空氣舒適性要求的日益提高，由此導致建筑能耗中空調(diào)系統(tǒng)的能耗高速增長，其能耗約占建筑總能耗的60%～70%。在供熱空調(diào)系統(tǒng)中，絕大部分能耗消耗在輸送冷量的水系統(tǒng)上，其中冷凍泵的全年耗電量約為冷機全年耗電量的15%～30%［1］。故研究空調(diào)冷凍水泵的節(jié)能潛力，對節(jié)約能源有重要意義。針對變頻水泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制，Stan分析了并聯(lián)變頻水泵運行時存在的安全性問題，并指出水泵在線狀態(tài)監(jiān)測或定期的水泵性能測試對指定合理的并聯(lián)水泵運行策略十分必要［2］。針對多臺水泵并聯(lián)運行的臺數(shù)優(yōu)化控制，符永正以流量增量為切入點進行了分析，為水泵系統(tǒng)提供了設計選型參考［3］。本文通過對并聯(lián)水泵進行建模，指出并聯(lián)水泵變頻運行高效區(qū)間，提出優(yōu)化并聯(lián)水泵變頻運行的控制策略。

1 并聯(lián)變頻水泵運行特性模型建立

根據(jù)水泵運行特性，我們認為水泵揚程、水泵效率與流量呈二次方關系，當水泵處于變頻調(diào)速工況（轉(zhuǎn)速比ω＜1）時，水泵對應揚程、效率及功率的計算模型：

式中，Hp—水泵揚程，m；

Gp—水泵總流量；m3/h

ηp—水泵效率，%；

ηM—電機效率，%；

ηVFD—變頻器效率，%；

a1、a2、a3、b1、b2、b3為水泵性能常數(shù)，由樣本數(shù)據(jù)或者實測數(shù)據(jù)擬合得到。

對于多臺并聯(lián)水泵，暖通空調(diào)水系統(tǒng)一般選擇同型號水泵。并且文獻［4］通過分析得出結(jié)論：對應相同型號的n臺并聯(lián)變頻水泵同時運行，其總能耗最小的必要條件是n臺并聯(lián)水泵的轉(zhuǎn)速比ω均相同。故可以得到n臺水泵并聯(lián)運行的數(shù)學模型：

由上述分析可知，在多臺并聯(lián)變頻水泵運行過程中，只要通過監(jiān)測系統(tǒng)得到系統(tǒng)總流量Gp、水泵運行臺數(shù)n、水泵轉(zhuǎn)速比ω（通過監(jiān)測電源頻率轉(zhuǎn)化），便可以求出當前工況下水泵運行效率ηp。

2 并聯(lián)變頻水泵運行高效區(qū)分析

根據(jù)流體力學理論知識，水泵變頻過程中滿足相似定律的條件是系統(tǒng)管網(wǎng)特性曲線保持一致，此時，水泵變頻運行前后的效率ηp保持不變。即每條固定工況的管網(wǎng)特性曲線都對應著一條等效率線，水泵運行工況點在同一條等效率曲線上時，任一點的水泵效率均相同。因此，變頻水泵的等效率曲線與管網(wǎng)系統(tǒng)阻力特性曲線方程形式一致，表示為：

式中，C—比例系數(shù)，為常數(shù)。

變頻水泵的高效區(qū)間指該水泵運行穩(wěn)定，且運行效率比較較高的區(qū)域（流量范圍）。若設備廠家沒有提供變頻水泵運行時的高效流量區(qū)間，可以認為水泵最高效率的90%～95%以上的區(qū)域為高效流量區(qū)間［5］。設εηmax為高效區(qū)間范圍內(nèi)的最低效率值，該效率值的等效率曲線為S1和S2，其中ε范圍為0.90～0.95。同時，變頻水泵在實際運行過程中為了保證其運行穩(wěn)定，存在最小轉(zhuǎn)速比ωmin，當轉(zhuǎn)速比低于最小轉(zhuǎn)速比時，水泵效率會急劇下降。因此單臺水泵高效流量區(qū)間的范圍可確定為S1、S2、額定轉(zhuǎn)速ω0時水泵特性曲線以及最小轉(zhuǎn)速比ωmin時水泵特性曲線所圍成的閉合區(qū)域（陰影部分），如圖1所示。

圖1　變頻水泵高效區(qū)間示意圖

對于多臺并聯(lián)變頻水泵，根據(jù)數(shù)學模型，就可在同一坐標系做出多臺同型號并聯(lián)水泵實際變頻運行時的高效流量區(qū)間。本文對格蘭富水泵（上海）有限公司生產(chǎn)的KP8015-3/4型號變頻水泵進行建模計算，以3臺為例，每臺該型號變頻泵的額定流量為560 m3/h，額定揚程為35 m，最高效率為88%。根據(jù)實際情況取ωmin=0.6，根據(jù)樣本得到所需參數(shù)，最終得到三臺同型號并聯(lián)水泵變頻運行高效流量區(qū)間如圖2陰影部分所示。

圖2中，Smax和Smin分別對應前文提到的εηmax，圖中ε取0.9，最低轉(zhuǎn)速比設為0.6。可以看出：1）三臺同型號變頻水泵并聯(lián)運行時，調(diào)節(jié)過程中有3個流量高效區(qū)間，分別對應圖中一臺水泵單獨工作時的高效區(qū)間（紅色陰影區(qū)域）、2臺水泵同時工作時的高效區(qū)間（藍色陰影區(qū)域）以及3臺水泵同時工作時的高效區(qū)間（黑色陰影區(qū)域）；2）3個高效流量區(qū)間均有部分是相互重合的，即在重合部分的工況下，不同運行數(shù)量的水泵經(jīng)變頻調(diào)節(jié)均可達到高效運行的目的；3）在高效區(qū)間重疊區(qū)域，雖然n臺或者n+1臺水泵運行都能實現(xiàn)高效率運行，然而ηn和ηn+1有大小之分，不同的臺數(shù)運行水泵消耗功率不同。

3 冷凍水系統(tǒng)并聯(lián)水泵優(yōu)化控制策略

分析多臺變頻水泵并聯(lián)優(yōu)化運行策略，做一下假設：

（1）最低轉(zhuǎn)速比設為0.6，當ω＞0.6，轉(zhuǎn)速比變化幅度較小時，電動機效率和變頻器效率可認為是不變的，即忽略ηM和ηVFD對總功率Np的影響；

（2）忽略臺數(shù)切換時整個冷凍水管網(wǎng)阻力系數(shù)的變化。由于在臺數(shù)切換時僅水泵并聯(lián)處的阻力系數(shù)有所變化，而且絕大部分阻力降消耗在末端設備上，故可近似認為臺數(shù)切換后系統(tǒng)所需流量Gp和壓頭Hp均保持不變。

在以上兩個假設的前提下，對當前m臺變頻水泵運行時進行臺數(shù)優(yōu)化。除了當前水泵運行臺數(shù)m，還需要通過BA監(jiān)測系統(tǒng)得到當前冷凍水系統(tǒng)冷水總流量Gp、水泵兩端總壓頭Hp以及每臺水泵運行轉(zhuǎn)速比ωm。

根據(jù)式（5）便可求出當前m臺水泵轉(zhuǎn)速最優(yōu)時每臺水泵的效率ηm。

同時，由于切換臺數(shù)后系統(tǒng)所需流量Gp和壓頭Hp均保持不變，我們對式（4）和（5）進行聯(lián)立計算，便可以得到（m-1）或者（m+1）臺冷凍水泵運行時的轉(zhuǎn)速比ωm-1、ωm+1水泵效率ηm-1、ηm+1。

根據(jù)以上分析，便可以總結(jié)出適合應用于多臺同型號冷凍水泵并聯(lián)運行時，在定供回水干管壓差情況下的在線優(yōu)化控制策略，如圖3所示。該控制策略包括水泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化和水泵運行臺數(shù)優(yōu)化兩部分。其中監(jiān)測點包括當前水泵運行臺數(shù)m、供回水干管壓差ΔP、系統(tǒng)總流量G，其中計算過程均有自控系統(tǒng)進行計算，最終指令變頻器或開關進行動作，實現(xiàn)冷凍水系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化控制。

圖2　3臺同型號并聯(lián)水泵變頻運行高效流量區(qū)間

4 實例分析

本節(jié)以定干管壓差與水泵定頻運行為例，對上述優(yōu)化控制策略進行分析。如圖4為系統(tǒng)原理圖，包括4個用戶，3臺水泵和1個冷熱源。系統(tǒng)用戶的額定水流量為2.13 m3/h。水泵型號為KQW40/235-0.75/4。

查閱相關規(guī)范資料，計算出系統(tǒng)各個管件（包括管道及局部阻力構(gòu)件）的阻力系數(shù)，如表1所示。

通過Matlab程序計算，可以獲得在額定工況下，系統(tǒng)經(jīng)過初調(diào)節(jié)后，管網(wǎng)總阻抗為0.21279m/ （m3/h）2，此時，通過各個用戶的流量為2.165m3/h?？倝侯^為15.8mH2O，此時定壓差值Δp=10mH2O。

圖3　冷凍水系統(tǒng)并聯(lián)水泵優(yōu)化控制流程圖

我們通過關閉用戶來模擬建筑負荷的變化，分別得到不同用戶情況下開啟不同水泵臺數(shù)的水泵運行參數(shù)，如圖5～圖7所示。

如圖5所示，關閉1個用戶時，系統(tǒng)冷水流量為6.81 m3/h時，無變頻調(diào)節(jié)是能耗為：1 254.070 5 W，2臺水泵同步變頻調(diào)節(jié)后，能耗為983.9084 W，節(jié)約能耗為270.162 2 W；3臺水泵同步變頻調(diào)節(jié)后，能耗為1031.1887 W，節(jié)約能耗為222.8818 W。此工況點2臺水泵運行比3臺水泵運行多節(jié)能4.6%。

如圖6所示，關閉2個用戶時，系統(tǒng)冷水流量為4.86m3/h時，無變頻調(diào)節(jié)是能耗為：932.5291 W，2臺水泵同步變頻調(diào)節(jié)后，能耗為631.5927 W，節(jié)約能耗為300.9364 W；3臺水泵同步變頻調(diào)節(jié)后，能耗為648.5394 W，節(jié)約能耗為283.9897 W。此工況點2臺水泵運行比3臺水泵運行多節(jié)能2.8%。

如圖7所示，關閉2個用戶時，系統(tǒng)冷水流量為2.41m3/h時，無變頻調(diào)節(jié)是能耗為：468.096 9 W，1臺水泵同步變頻調(diào)節(jié)后，能耗為264.5996 W，節(jié)約能耗為193.4973 W；2臺水泵同步變頻調(diào)節(jié)后，能耗為285.2266 W，節(jié)約能耗為182.8703 W；3臺水泵同步變頻調(diào)節(jié)后，能耗為291.7238 W，節(jié)約能耗為182.3731 W。此工況點單臺水泵最為節(jié)能，較2臺多節(jié)能7.4%，較3臺多節(jié)能8.9%

綜上所述，該冷凍水優(yōu)化控制策略相比與傳統(tǒng)定壓差控制方式，平均節(jié)約能耗5.1%。

圖4　定壓差系統(tǒng)原理圖

表4　系統(tǒng)管網(wǎng)阻力計算表

圖5　關閉1個用戶時系統(tǒng)分析圖

圖6　關閉2個用戶時系統(tǒng)分析圖

圖7　關閉3個用戶時系統(tǒng)分析圖

5 結(jié)論

（1）通過理論分析，定義了并聯(lián)水泵變頻運行的高效流量區(qū)間，指出并聯(lián)變頻水泵以相同轉(zhuǎn)速比運行時更加節(jié)能。

（2）提出的冷凍水系統(tǒng)在線優(yōu)化控制策略，通過自動程序計算出當前臺數(shù)以及相鄰臺數(shù)水泵運行時的水泵效率，進行比較，從而確定合適的運行臺數(shù)。

（3）對于定干管壓差冷凍水系統(tǒng)，采用本文提出的優(yōu)化控制策略可以更好地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速比和運行水泵臺數(shù)，比傳統(tǒng)的定干管壓差控制節(jié)能效果要好。

參考文獻

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［5］付祥釗. 流體輸配管網(wǎng)［M］. 北京：建筑工業(yè)出版社，2005：191.

Strategy Analysis on Variable Frequency Pumps in Parallel Optimization Operation

Huang Siyu， Zhan Lijun， Liu Gang， Shi Long
Donghua University Environment Science and Engineering College

Abstract：The article analyzes characteristics model of same type variable frequency chilled water pumps in parallel and defines high efficiency flow interval of same type variable frequency chilled water pumps in parallel during operation. Under the constant pressure difference control of main pipe with high efficiency operating chilled pumps as constraint condition， it looks for optimal control strategy of variable frequency water pumps optimal speed ratio and optimal operation pumps numbers in parallel. Finally it analyzes energy saving effect of chilled water pumps system after optimal control strategy combined with case study.

Key words：Pumps in Parallel， Variable Frequency， Speed Ratio， Pumps Numbers in Operation，Optimal Strategy

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.05.010