關(guān)于并聯(lián)變頻水泵的優(yōu)化運(yùn)行策略分析

黃絲雨 詹利軍 劉 剛 施 龍東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

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關(guān)于并聯(lián)變頻水泵的優(yōu)化運(yùn)行策略分析

黃絲雨 詹利軍 劉 剛 施 龍
東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

摘要：分析了同型號(hào)變頻冷凍水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特性模型，定義了同型號(hào)變頻冷凍水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)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(yùn)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(tái)數(shù)的優(yōu)化控制策略。最后，結(jié)合實(shí)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(guān)鍵詞：并聯(lián)水泵；變頻；轉(zhuǎn)速比；運(yùn)行臺(tái)數(shù)；優(yōu)化策略

現(xiàn)如今人們對(duì)室內(nèi)空氣舒適性要求的日益提高，由此導(dǎo)致建筑能耗中空調(diào)系統(tǒng)的能耗高速增長(zhǎng)，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(jī)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(duì)節(jié)約能源有重要意義。針對(duì)變頻水泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化控制，Stan分析了并聯(lián)變頻水泵運(yùn)行時(shí)存在的安全性問題，并指出水泵在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)或定期的水泵性能測(cè)試對(duì)指定合理的并聯(lián)水泵運(yùn)行策略十分必要［2］。針對(duì)多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)優(yōu)化控制，符永正以流量增量為切入點(diǎn)進(jìn)行了分析，為水泵系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)選型參考［3］。本文通過對(duì)并聯(lián)水泵進(jìn)行建模，指出并聯(lián)水泵變頻運(yùn)行高效區(qū)間，提出優(yōu)化并聯(lián)水泵變頻運(yùn)行的控制策略。

1 并聯(lián)變頻水泵運(yùn)行特性模型建立

根據(jù)水泵運(yùn)行特性，我們認(rèn)為水泵揚(yáng)程、水泵效率與流量呈二次方關(guān)系，當(dāng)水泵處于變頻調(diào)速工況（轉(zhuǎn)速比ω＜1）時(shí)，水泵對(duì)應(yīng)揚(yáng)程、效率及功率的計(jì)算模型：

式中，Hp—水泵揚(yáng)程，m；

Gp—水泵總流量；m3/h

ηp—水泵效率，%；

ηM—電機(jī)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到。

對(duì)于多臺(tái)并聯(lián)水泵，暖通空調(diào)水系統(tǒng)一般選擇同型號(hào)水泵。并且文獻(xiàn)［4］通過分析得出結(jié)論：對(duì)應(yīng)相同型號(hào)的n臺(tái)并聯(lián)變頻水泵同時(shí)運(yùn)行，其總能耗最小的必要條件是n臺(tái)并聯(lián)水泵的轉(zhuǎn)速比ω均相同。故可以得到n臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型：

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

2 并聯(lián)變頻水泵運(yùn)行高效區(qū)分析

根據(jù)流體力學(xué)理論知識(shí)，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(shí)，水泵變頻運(yùn)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(duì)應(yīng)著一條等效率線，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)在同一條等效率曲線上時(shí)，任一點(diǎn)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(yùn)行穩(wěn)定，且運(yùn)行效率比較較高的區(qū)域（流量范圍）。若設(shè)備廠家沒有提供變頻水泵運(yùn)行時(shí)的高效流量區(qū)間，可以認(rèn)為水泵最高效率的90%～95%以上的區(qū)域?yàn)楦咝Я髁繀^(qū)間［5］。設(shè)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(shí)，變頻水泵在實(shí)際運(yùn)行過程中為了保證其運(yùn)行穩(wěn)定，存在最小轉(zhuǎn)速比ωmin，當(dāng)轉(zhuǎn)速比低于最小轉(zhuǎn)速比時(shí)，水泵效率會(huì)急劇下降。因此單臺(tái)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(shí)水泵特性曲線以及最小轉(zhuǎn)速比ωmin時(shí)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(duì)于多臺(tái)并聯(lián)變頻水泵，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，就可在同一坐標(biāo)系做出多臺(tái)同型號(hào)并聯(lián)水泵實(shí)際變頻運(yùn)行時(shí)的高效流量區(qū)間。本文對(duì)格蘭富水泵（上海）有限公司生產(chǎn)的KP8015-3/4型號(hào)變頻水泵進(jìn)行建模計(jì)算，以3臺(tái)為例，每臺(tái)該型號(hào)變頻泵的額定流量為560 m3/h，額定揚(yáng)程為35 m，最高效率為88%。根據(jù)實(shí)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(tái)同型號(hào)并聯(lián)水泵變頻運(yùn)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(duì)應(yīng)前文提到的εηmax，圖中ε取0.9，最低轉(zhuǎn)速比設(shè)為0.6。可以看出：1）三臺(tái)同型號(hào)變頻水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)過程中有3個(gè)流量高效區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)圖中一臺(tái)水泵單獨(dú)工作時(shí)的高效區(qū)間（紅色陰影區(qū)域）、2臺(tái)水泵同時(shí)工作時(shí)的高效區(qū)間（藍(lán)色陰影區(qū)域）以及3臺(tái)水泵同時(shí)工作時(shí)的高效區(qū)間（黑色陰影區(qū)域）；2）3個(gè)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(yùn)行數(shù)量的水泵經(jīng)變頻調(diào)節(jié)均可達(dá)到高效運(yùn)行的目的；3）在高效區(qū)間重疊區(qū)域，雖然n臺(tái)或者n+1臺(tái)水泵運(yùn)行都能實(shí)現(xiàn)高效率運(yùn)行，然而ηn和ηn+1有大小之分，不同的臺(tái)數(shù)運(yùn)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(tái)變頻水泵并聯(lián)優(yōu)化運(yùn)行策略，做一下假設(shè)：

（1）最低轉(zhuǎn)速比設(shè)為0.6，當(dāng)ω＞0.6，轉(zhuǎn)速比變化幅度較小時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率和變頻器效率可認(rèn)為是不變的，即忽略ηM和ηVFD對(duì)總功率Np的影響；

（2）忽略臺(tái)數(shù)切換時(shí)整個(gè)冷凍水管網(wǎng)阻力系數(shù)的變化。由于在臺(tái)數(shù)切換時(shí)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(shè)備上，故可近似認(rèn)為臺(tái)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(gè)假設(shè)的前提下，對(duì)當(dāng)前m臺(tái)變頻水泵運(yùn)行時(shí)進(jìn)行臺(tái)數(shù)優(yōu)化。除了當(dāng)前水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)m，還需要通過BA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到當(dāng)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(tái)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速比ωm。

根據(jù)式（5）便可求出當(dāng)前m臺(tái)水泵轉(zhuǎn)速最優(yōu)時(shí)每臺(tái)水泵的效率ηm。

同時(shí)，由于切換臺(tái)數(shù)后系統(tǒng)所需流量Gp和壓頭Hp均保持不變，我們對(duì)式（4）和（5）進(jìn)行聯(lián)立計(jì)算，便可以得到（m-1）或者（m+1）臺(tái)冷凍水泵運(yùn)行時(shí)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(yīng)用于多臺(tái)同型號(hào)冷凍水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行臺(tái)數(shù)優(yōu)化兩部分。其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括當(dāng)前水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)m、供回水干管壓差ΔP、系統(tǒng)總流量G，其中計(jì)算過程均有自控系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，最終指令變頻器或開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)冷凍水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制。

圖2　3臺(tái)同型號(hào)并聯(lián)水泵變頻運(yùn)行高效流量區(qū)間

4 實(shí)例分析

本節(jié)以定干管壓差與水泵定頻運(yùn)行為例，對(duì)上述優(yōu)化控制策略進(jìn)行分析。如圖4為系統(tǒng)原理圖，包括4個(gè)用戶，3臺(tái)水泵和1個(gè)冷熱源。系統(tǒng)用戶的額定水流量為2.13 m3/h。水泵型號(hào)為KQW40/235-0.75/4。

查閱相關(guān)規(guī)范資料，計(jì)算出系統(tǒng)各個(gè)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(jì)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(shí)，通過各個(gè)用戶的流量為2.165m3/h。總壓頭為15.8mH2O，此時(shí)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(guān)閉用戶來模擬建筑負(fù)荷的變化，分別得到不同用戶情況下開啟不同水泵臺(tái)數(shù)的水泵運(yùn)行參數(shù)，如圖5～圖7所示。

如圖5所示，關(guān)閉1個(gè)用戶時(shí)，系統(tǒng)冷水流量為6.81 m3/h時(shí)，無變頻調(diào)節(jié)是能耗為：1 254.070 5 W，2臺(tái)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(tái)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(diǎn)2臺(tái)水泵運(yùn)行比3臺(tái)水泵運(yùn)行多節(jié)能4.6%。

如圖6所示，關(guān)閉2個(gè)用戶時(shí)，系統(tǒng)冷水流量為4.86m3/h時(shí)，無變頻調(diào)節(jié)是能耗為：932.5291 W，2臺(tái)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(tái)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(diǎn)2臺(tái)水泵運(yùn)行比3臺(tái)水泵運(yùn)行多節(jié)能2.8%。

如圖7所示，關(guān)閉2個(gè)用戶時(shí)，系統(tǒng)冷水流量為2.41m3/h時(shí)，無變頻調(diào)節(jié)是能耗為：468.096 9 W，1臺(tái)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(tái)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(tái)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(diǎn)單臺(tái)水泵最為節(jié)能，較2臺(tái)多節(jié)能7.4%，較3臺(tái)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(jì)算表

圖5　關(guān)閉1個(gè)用戶時(shí)系統(tǒng)分析圖

圖6　關(guān)閉2個(gè)用戶時(shí)系統(tǒng)分析圖

圖7　關(guān)閉3個(gè)用戶時(shí)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(yùn)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(yùn)行時(shí)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(dòng)程序計(jì)算出當(dāng)前臺(tái)數(shù)以及相鄰臺(tái)數(shù)水泵運(yùn)行時(shí)的水泵效率，進(jìn)行比較，從而確定合適的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。

（3）對(duì)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(yùn)行水泵臺(tái)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(xiàn)

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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