增壓泵組的節(jié)能優(yōu)化研究

蒙 晨，楊 帥，武 鵬，吳大轉(zhuǎn)

(浙江大學(xué)，浙江杭州 310027)

1 前言

離心泵組變頻恒壓供水是目前國(guó)內(nèi)廣泛采用的一種節(jié)能供水模式，與傳統(tǒng)供水設(shè)備相比，具有實(shí)時(shí)性好，節(jié)能效果強(qiáng)，避免水源二次污染等特點(diǎn)［1～4］。然而恒壓供水設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，由于無(wú)法預(yù)估樓宇管路系統(tǒng)的流動(dòng)損失及用戶用水需求的波動(dòng)性等因素，泵選型常留有較大余量，且供水需求在各個(gè)季節(jié)以及每天不同時(shí)段都不盡相同，這些因素常使得增壓泵組運(yùn)行偏離最佳工況點(diǎn)，效率較低。同時(shí)，末端用戶側(cè)水壓偏高時(shí)，還會(huì)增加滴漏和故障率。因此，供水設(shè)備仍存在較大節(jié)能空間，在滿足用水需求的前提下，進(jìn)一步降低能耗是供水系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

變頻變壓供水模式可以兼顧用水需求及管路系統(tǒng)特性，相比恒壓供水模式，節(jié)能效果更為顯著，智能性更強(qiáng)［5,6］。由于供水管路系統(tǒng)具有不確定性強(qiáng)、非線性、大時(shí)滯性等特點(diǎn)，系統(tǒng)控制過(guò)程極易造成波動(dòng)，建立可靠精確的控制模型，提高實(shí)時(shí)性是推廣變頻變壓供水技術(shù)的關(guān)鍵。湯躍等進(jìn)行了變壓模型辨識(shí)試驗(yàn)研究，確定變壓供水控制模型是定結(jié)構(gòu)的帶延遲二階模型，設(shè)計(jì)具有 PID 特性的變參數(shù)控制器，改善系統(tǒng)暫態(tài)性能［7］。Hammo，Viholainenx 等對(duì)變壓供水參數(shù)測(cè)量及能效控制方面做了研究分析，但目前尚未建立準(zhǔn)確的控制模型［8,9］。在供水系統(tǒng)變壓控制方案設(shè)計(jì)中，需要保證最不利點(diǎn)壓力恒定，眾多學(xué)者對(duì)壓力控制點(diǎn)的設(shè)置位置進(jìn)行了研究。魏道聯(lián)、邱壽華等對(duì)壓力控制點(diǎn)設(shè)置于系統(tǒng)最不利點(diǎn)處與水泵出水總管2種情況做對(duì)比研究，認(rèn)為按照傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式將壓力傳感器置于末端用戶側(cè)，有利于降低運(yùn)行能耗［10,11］。這種方式需將壓力數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線或有線方式傳送至控制中心形成閉環(huán)控制，進(jìn)而調(diào)控供水設(shè)備實(shí)現(xiàn)最不利點(diǎn)壓力恒定。武榮等經(jīng)研究認(rèn)為，該方案雖然節(jié)能且理論可行，但是實(shí)際控制系統(tǒng)常遠(yuǎn)離最不利點(diǎn)，無(wú)線遠(yuǎn)傳或有線反饋方法會(huì)造成供水設(shè)備復(fù)雜化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和成本等問(wèn)題都將受到考驗(yàn)［12］。因此，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的就近布置極為重要。另外，傳統(tǒng)評(píng)估用戶用水需求判斷常需要安裝流量計(jì)，增加控制成本，尤其對(duì)于供水管徑較粗的管網(wǎng)。這些都對(duì)于變壓供水模式的推廣造成阻力。

因此，本文從水泵運(yùn)行原理出發(fā)，兼顧用水需求及管路系統(tǒng)特性，建立變頻變壓供水模型。具體以西門子PLC作為控制主體，建立變頻器與泵的一對(duì)一控制，將實(shí)際的控壓點(diǎn)置于供水設(shè)備出口，同時(shí)建立管網(wǎng)用水需求判斷模型，保證遠(yuǎn)端最不利點(diǎn)供水壓力的前提下實(shí)現(xiàn)控壓點(diǎn)隨用水量變化而變化［13］。另外，進(jìn)一步建立以能效為主導(dǎo)的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估分析方法及水泵高效工作區(qū)約束機(jī)制，解決離心泵偏工況運(yùn)行和增減泵控制問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)可靠性高并且在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于變頻恒壓供水模式的智能變壓供水設(shè)備。

2 增壓泵組組成

變頻變壓增壓泵組結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括進(jìn)出水管路、并聯(lián)離心泵組、穩(wěn)壓罐及電氣控制柜等。進(jìn)出水總管分別布置壓力傳感器。電氣控制柜主要由可編程控制器（PLC）、變頻器及電氣元件組成。PLC選用西門子S7－200系列，采集壓力、轉(zhuǎn)速、功率等信號(hào)并輸出控制信號(hào)給變頻器，實(shí)現(xiàn)泵組調(diào)速控制。

圖1 增壓泵組組成示意

3 增壓泵組控制方案

3.1 變壓控制模型

供水設(shè)備恒壓控制模式通過(guò)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速來(lái)維持供水壓力的不變，滿足用戶用水量的變化，從而起到節(jié)能效果。而變壓供水模式兼顧管路特性，通過(guò)置于增壓泵組總出水口位置的控壓點(diǎn)進(jìn)行變壓控制，根據(jù)管網(wǎng)流量需求的改變不斷調(diào)整控壓點(diǎn)數(shù)值，在保證最不利點(diǎn)供水壓力前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。增壓泵組變頻變壓控制模型如圖2所示。

圖2 供水泵組變頻變壓控制模型

從圖中可見，理想控壓點(diǎn)與流量的關(guān)系為線性關(guān)系，并位于管路特性曲線上方。因此，變壓運(yùn)行曲線依然能夠滿足供水需求，與恒壓運(yùn)行曲線相比降低了供水壓力，具有更好的節(jié)能效果。由于理想變壓運(yùn)行曲線中每個(gè)流量工況點(diǎn)都會(huì)調(diào)整控壓點(diǎn)，實(shí)際調(diào)節(jié)控制難度較大，因此為提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)際變壓運(yùn)行曲線為階梯線性曲線，即只有當(dāng)控壓目標(biāo)壓力與出口實(shí)際壓力產(chǎn)生足夠大的差值信號(hào)時(shí)，才會(huì)觸發(fā)泵組調(diào)速穩(wěn)壓，調(diào)節(jié)至目標(biāo)壓力值。變壓曲線零流量控壓點(diǎn)由供水管路最不利點(diǎn)處?kù)o揚(yáng)程增加部分揚(yáng)程裕量確定，最大控壓點(diǎn)由能滿足最大供水流量時(shí)管路特性曲線確定。

如上所述，控制過(guò)程實(shí)際上為整體變壓短時(shí)恒壓，以離心泵變頻調(diào)速方法為基礎(chǔ)，結(jié)合用水需求預(yù)測(cè)模型與變壓控制模型，基于實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊采集的壓力、轉(zhuǎn)速信息，通過(guò)參數(shù)自整定PID控制算法生成控制信號(hào)，對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，供水系統(tǒng)控制邏輯如圖3所示。

圖3 變頻變壓控制邏輯

3.2 用水需求預(yù)測(cè)模型

由圖2可知，管網(wǎng)流量是決定控壓點(diǎn)變化的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確性對(duì)保證供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)管路中設(shè)置流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量采集，然而安裝流量計(jì)不僅增加管阻損失和設(shè)備成本，而且在系統(tǒng)中增加一個(gè)控制變量，一旦流量計(jì)由于某種不可測(cè)因素造成測(cè)量偏差或數(shù)據(jù)失真，將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)控制失靈［14］；另外，流量計(jì)的選型與管徑有關(guān)，使增壓供水設(shè)備的通用性下降。

鑒于此，本文所述供水系統(tǒng)管路不設(shè)流量計(jì)，采用揚(yáng)程－流量、功率－流量2種管網(wǎng)用水需求預(yù)測(cè)方法。揚(yáng)程－流量預(yù)測(cè)方法，通過(guò)進(jìn)出口壓力傳感器采集信號(hào)及離心泵結(jié)構(gòu)參數(shù)得到并聯(lián)泵組的揚(yáng)程，結(jié)合變頻器輸出的泵轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，基于泵特性曲線及相似性規(guī)律，預(yù)測(cè)當(dāng)前管網(wǎng)用水流量。功率－流量預(yù)測(cè)方法，則是通過(guò)變頻器輸出的功率、轉(zhuǎn)速信號(hào)，利用泵特性曲線及相似性規(guī)律，預(yù)測(cè)用水需求。2種預(yù)測(cè)方法原理如下：

根據(jù)離心泵相似性，揚(yáng)程H、功率P、流量Q及轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：

以H－Q預(yù)測(cè)方法為例，H－Q關(guān)系為：

式中a，b，c——根據(jù)泵特性確定的參數(shù)

根據(jù)相似性規(guī)律，整理得：

式中n0——離心泵額定轉(zhuǎn)速

n——當(dāng)前變頻器輸出轉(zhuǎn)速

因?yàn)槊颗_(tái)泵的供水支路上均設(shè)置單向閥，閥門及管阻損失與流量的二次方成正比，計(jì)入式（3）則對(duì)于泵組內(nèi)第i臺(tái)泵，有：

式中d—— 供水支路流阻損失系數(shù)

i——下標(biāo)，i=1,2,…,N

Hsi的值可根據(jù)進(jìn)出口壓力傳感器的壓力差得到。

如上所述，輸入進(jìn)出口壓力傳感器測(cè)定值及各臺(tái)泵轉(zhuǎn)速ni，即可得到每臺(tái)泵的流量Qi，并聯(lián)泵組流量：

同理，可以得到P－Q預(yù)測(cè)方法，第j臺(tái)泵功率：

式中d1，d2，d3，d4——根據(jù)泵特性確定的參數(shù)j——下標(biāo)，j=1,2,…,N

3.3 能效優(yōu)化控制方案

增壓泵組的恒壓供水及變壓供水模式都以保證用戶用水需求作為首要前提，但當(dāng)用戶用水需求變化時(shí)，離心泵運(yùn)行工況有可能偏離高效運(yùn)行區(qū)域。因此，本節(jié)從能量角度進(jìn)一步優(yōu)化控制方案，結(jié)合功率－流量預(yù)測(cè)原理及水泵高效工作區(qū)約束，提供一種以能效為判據(jù)的增減泵控制方法，實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化的變壓控制模式。

3.3.1 基于功率－流量的能效控制

由于本文的變壓供水模式，在每一個(gè)用水需求區(qū)間內(nèi)是恒壓模式，而在恒定供水壓力下，增壓泵組總功耗與流量關(guān)系如圖4所示。因此，在一定流量區(qū)間內(nèi)，泵運(yùn)行數(shù)量決定了泵組的節(jié)能效果，不同數(shù)量泵功率曲線的分界點(diǎn)為節(jié)能控制提供了重要判據(jù)。

圖4 供水泵組總功耗與流量關(guān)系

基于上述原理，結(jié)合功率－流量特性曲線和水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，在保證管路用水需求和供水設(shè)備出口壓力不變的前提下，可以預(yù)測(cè)增（減）一臺(tái)泵之后的總功耗并與當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下供水設(shè)備總功耗相比較。如果預(yù)測(cè)功率小于當(dāng)前供水設(shè)備總功耗，說(shuō)明當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)并非最佳組合工況，即切換運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行增（減）一臺(tái)泵操作。此后繼續(xù)循環(huán)判斷進(jìn)行能效分析。

3.3.2 基于泵高效區(qū)的能效控制

一般將水泵運(yùn)行在最高效率點(diǎn)左右偏離7%范圍內(nèi)的區(qū)域稱為高效工作區(qū)。高效工作區(qū)域外的左側(cè)部分為高揚(yáng)程區(qū)，右側(cè)部分為大流量區(qū)，二者均屬于水泵偏工況低效區(qū)。因此，水泵運(yùn)行在高效工作區(qū)內(nèi)，對(duì)節(jié)能運(yùn)行、延長(zhǎng)水泵使用壽命及提高系統(tǒng)可靠性方面都大有裨益，另外還可避免功率－流量用水需求預(yù)測(cè)模型在低轉(zhuǎn)速下誤差較大的問(wèn)題。設(shè)置高效工作區(qū)邊界，首先通過(guò)結(jié)合水泵特性曲線參數(shù)和相似定律劃定高效工作區(qū)左右能效標(biāo)記線。另外離心泵變頻調(diào)速時(shí)，考慮到在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況下，變頻器自身效率降低且高效區(qū)間縮小，故將最低頻率設(shè)定為35 Hz，該值會(huì)根據(jù)運(yùn)行水泵數(shù)目不同進(jìn)行調(diào)整［15～17］。基于水泵變頻范圍可以劃定高效工作區(qū)上下能效標(biāo)記線，高效工作區(qū)范圍如圖5所示。

圖5 水泵高效工作區(qū)示意

高效工作區(qū)約束的基本控制流程如圖5所示。以2臺(tái)泵（A泵和B泵）增泵過(guò)程為例，假設(shè)A泵首先運(yùn)行，當(dāng)A泵運(yùn)行到高效工作區(qū)右側(cè)能效標(biāo)記線時(shí)，對(duì)增加B泵后兩泵各自的運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)判，若2臺(tái)泵均可回到高效工作區(qū)范圍，則啟動(dòng)B泵并調(diào)整A泵使得2臺(tái)泵同轉(zhuǎn)速運(yùn)行；若預(yù)判B泵增加后，2臺(tái)泵各自運(yùn)行工況點(diǎn)均未落入高效工作區(qū)，則不增B泵而A泵繼續(xù)增速，直至預(yù)判2臺(tái)泵均可以進(jìn)入高效工作區(qū)后再啟動(dòng)B泵。此外，若A泵觸及上方能效標(biāo)記線時(shí)，必然啟動(dòng)B泵。反之，對(duì)于減泵過(guò)程，當(dāng)A泵或B泵運(yùn)行到高效工作區(qū)左側(cè)時(shí)，對(duì)減泵操作后另一臺(tái)泵的運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)判。以停A泵為例，若停A泵后B泵運(yùn)行在高效區(qū)，則執(zhí)行停泵命令，若停A泵后B泵超出上方能效標(biāo)記線，則2臺(tái)泵走出高效區(qū)繼續(xù)降速，直至預(yù)判B泵可運(yùn)行在左側(cè)能效線右方時(shí)再停A泵。此外，若A泵或B泵觸及下方能效標(biāo)記線，則必停泵。此外，為避免在左右側(cè)能效線出現(xiàn)反復(fù)切換工況，在左側(cè)和右側(cè)能效線增加了切換裕量判據(jù)，保證工作點(diǎn)均能回到高效工作區(qū)且有一定裕量的前提下，再執(zhí)行增泵或減泵命令。供水泵組由上述2臺(tái)泵增加到多臺(tái)泵并聯(lián)時(shí)，增減泵也遵循同樣的規(guī)則，各臺(tái)泵根據(jù)工作時(shí)間確定增減優(yōu)先級(jí)，工作時(shí)間短的泵先增后減，時(shí)間長(zhǎng)的泵先減后增。

上述2種能效優(yōu)化方法各有利弊?；诠β剩髁康哪苄Э刂?，是從泵組角度控制總功耗最小化進(jìn)行的，控制區(qū)間比較連續(xù)，在水泵高頻運(yùn)行時(shí)準(zhǔn)確性高，但在泵低頻運(yùn)行時(shí)預(yù)測(cè)誤差較大，不能保證每臺(tái)泵高效運(yùn)行。而基于泵高效區(qū)的能效控制方法，是從單泵角度出發(fā)，保證每臺(tái)泵都高效運(yùn)行，可以防止泵偏工況運(yùn)行，控制效果不受頻率影響，但控制區(qū)間可能出現(xiàn)間斷，不能保證泵組整體節(jié)能。本文將2種方法相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，針對(duì)不同的泵組選擇最優(yōu)的控制方法，可保證滿足管網(wǎng)用水需求的前提下，維持并聯(lián)泵組高效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 變頻變壓供水試驗(yàn)

設(shè)計(jì)并搭建變頻變壓增壓泵組試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)控制程序進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。其中離心泵數(shù)量為4臺(tái)。

4.1 用水需求預(yù)測(cè)模型測(cè)試

不同轉(zhuǎn)速下單泵實(shí)測(cè)得到的H－Q和P－Q性能曲線如圖6，7所示。以額定轉(zhuǎn)速（3400 r/min）性能數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對(duì)流量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。以揚(yáng)程－流量預(yù)測(cè)模型為例，通過(guò)額定工況穩(wěn)態(tài)性能曲線可以獲得式（3）多項(xiàng)式系數(shù)，結(jié)合實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速和泵揚(yáng)程，即可求得當(dāng)前工況的預(yù)測(cè)流量，將推測(cè)流量點(diǎn)繪制在圖6中。同樣類似過(guò)程，可以獲得功率－流量模型下的推測(cè)流量，如圖7所示。

圖6 H－Q預(yù)測(cè)模型相似性數(shù)據(jù)

圖7 P－Q預(yù)測(cè)模型相似性數(shù)據(jù)

由于曲線斜度越大，數(shù)據(jù)的辨識(shí)度和敏感性越好，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性越有利，故對(duì)2種預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析。從曲線變化趨勢(shì)方面可知，隨著流量增大，H－Q曲線趨向陡峭而P－Q曲線趨于平緩，故H－Q預(yù)測(cè)模型比P－Q預(yù)測(cè)模型具有更好的數(shù)據(jù)辨識(shí)度和敏感性。從相似性轉(zhuǎn)換方面可知，H－Q曲線能夠較好滿足相似性換算規(guī)律，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值在偏差5%以內(nèi)；對(duì)于P－Q預(yù)測(cè)方法，泵工作轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的85%時(shí)，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與流量計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的偏差基本在1%～5%以內(nèi)，低于此轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，預(yù)測(cè)精確度大幅降低，偏差超過(guò)10%～20%。P－Q預(yù)測(cè)模型誤差較大，另外一個(gè)原因是實(shí)測(cè)功率為電機(jī)功率而非泵的輸入功率，低轉(zhuǎn)速工況下，變頻器自身能耗加大，使得實(shí)測(cè)功率數(shù)值不夠準(zhǔn)確。對(duì)于基于軸功率－流量的流量預(yù)測(cè)模型，準(zhǔn)確度會(huì)有所增高。對(duì)于供水增壓泵組，由于H－Q預(yù)測(cè)方法在流量預(yù)測(cè)精確度、數(shù)據(jù)敏感性、不同轉(zhuǎn)速下的相似性方面均優(yōu)于P－Q預(yù)測(cè)方法。因此，本文所述用水需求預(yù)測(cè)模型選用H－Q預(yù)測(cè)模型。

4.2 泵組變頻變壓控制效果

將泵組中從開始就一直運(yùn)行的泵作為基礎(chǔ)泵，記錄基礎(chǔ)泵在增減泵及調(diào)速過(guò)程中的工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制在單泵高效工作區(qū)H－Q圖上，如圖8所示。

圖8 基礎(chǔ)泵工作點(diǎn)軌跡分布

基礎(chǔ)泵工作點(diǎn)的分布具有以下特點(diǎn)：并聯(lián)泵組處于變頻運(yùn)行狀態(tài)的泵數(shù)量超過(guò)2臺(tái)時(shí)，各臺(tái)泵基本工作在高效區(qū)內(nèi)，且工作泵轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速下限時(shí)，根據(jù)能效判據(jù)增泵減泵，使其始終處于高效率運(yùn)行狀態(tài)；小于2臺(tái)時(shí)，水泵小范圍內(nèi)偏離高效工作區(qū)偏工況運(yùn)行。分析認(rèn)為，變頻變壓控制模型基于供水系統(tǒng)最大需求點(diǎn)設(shè)計(jì)，大流量范圍內(nèi)可以保證高效節(jié)能運(yùn)行，而小流量區(qū)控制揚(yáng)程較低，以保證最大程度節(jié)能，也造成泵偏離高效點(diǎn)工作。因此，實(shí)際供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型時(shí)，注意盡量滿足供水泵組的小流量區(qū)與管網(wǎng)用水需求常用范圍不相交，或者設(shè)計(jì)供水泵組分梯級(jí)搭配工作，避免此影響。

供水泵組總能耗隨流量變化關(guān)系如圖9所示。結(jié)果表明，管網(wǎng)用水量增大過(guò)程中，能效點(diǎn)分布呈現(xiàn)不連續(xù)趨勢(shì)，變頻泵運(yùn)行數(shù)量的切換基本滿足圖4規(guī)律?；诠β剩髁款A(yù)測(cè)原理的能效分析可以保證供水泵組節(jié)能運(yùn)行。

圖9 供水泵組功率點(diǎn)分布

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立管網(wǎng)系統(tǒng)用水需求預(yù)測(cè)模型及具有階梯性跳躍穩(wěn)壓性能的變壓控制模型實(shí)現(xiàn)變壓供水，并進(jìn)一步優(yōu)化控制方案，建立能效預(yù)測(cè)分析及約束方法，解決離心泵偏工況運(yùn)行和增減泵控制問(wèn)題。另外，通過(guò)增壓泵組實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)用水需求預(yù)測(cè)模型的可靠性及變頻變壓控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，變頻變壓供水模式兼顧了管路系統(tǒng)阻力的變化，在保證最不利點(diǎn)供水需求的前提下實(shí)現(xiàn)比恒壓供水模式更具節(jié)能效果。建立的用水需求預(yù)測(cè)模型，可避免安裝流量計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確度預(yù)判管路用水需求。同時(shí)，本文還對(duì)建立的2種預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了對(duì)比分析。另外，從能量的角度進(jìn)一步優(yōu)化控制方案，結(jié)合功率－流量預(yù)測(cè)原理及水泵高效工作區(qū)約束，提供一種以能效為判據(jù)的增泵減泵控制方法，可參考用于供水設(shè)備設(shè)計(jì)及節(jié)能運(yùn)行控制。

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