多泵并聯(lián)離心水泵節(jié)能控制方法

李承泳

深圳達(dá)實(shí)智能股份有限公司

建筑節(jié)能中流體輸送循環(huán)水泵系統(tǒng)能耗占比很大，在集中空調(diào)的夏季用電能耗中，大約25%～30%用電負(fù)荷消耗用于空調(diào)水泵輸配上[1]。由于設(shè)計(jì)選型不合理，水泵選型流量大，揚(yáng)程高，管網(wǎng)相對于正確設(shè)計(jì)流量的水阻力小于水泵選型揚(yáng)程的程度較大，結(jié)果是水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)相當(dāng)程度地偏離合理運(yùn)行工況點(diǎn)[2]，這導(dǎo)致建筑輸送能耗普遍偏高。也有多位學(xué)者對并聯(lián)變頻水泵控制，并聯(lián)變頻水泵實(shí)際運(yùn)行效率，電耗進(jìn)行了實(shí)測和討論分析[3-5]。而多泵并聯(lián)變頻運(yùn)行是建筑中常用的流體輸送結(jié)構(gòu)，水泵運(yùn)行效率的高低直接影響流體輸送能耗和效率。本文基于管網(wǎng)某瞬時不同臺數(shù)水泵運(yùn)行情況下對水泵頻率、工況點(diǎn)下，對應(yīng)的水泵效率進(jìn)行推導(dǎo)測算出該瞬時不同臺數(shù)水泵運(yùn)行下的運(yùn)行功率，并對最優(yōu)解進(jìn)行推送控制，保障輸送能效。

1 同一工況點(diǎn)不同頻率下的水泵特性曲線建模

在不同頻率下的水泵特性曲線表達(dá)式可表達(dá)為二次多項(xiàng)式表達(dá)式為：

式中：H為管路阻力，m；Q為設(shè)計(jì)工況的流量，m3/h；a、b、c為常數(shù)。

閉式離心水泵相似定律，詳見圖1。

圖1 水泵特性曲線示意圖

閉式離心水泵相似定律表達(dá)式為：

式中：f1、f2為工況1、工況2下水泵對應(yīng)電源頻率，Hz；n1、n2為工況 1、工況 2 下水泵對應(yīng)泵軸轉(zhuǎn)速，r/m in；Q1、Q2為工況 1、工況 2 下水泵對應(yīng)流量，m3/h；H1、H2為工況 1、工況 2 下水泵對應(yīng)揚(yáng)程，m；P1、P2為工況 1、工況2下水泵對應(yīng)功率，kW。

在管網(wǎng)阻力元件未發(fā)生變化的前提下，離心水泵符合相似定律，不同頻率下的水泵揚(yáng)程比值為其對應(yīng)頻率比值的二次方，不同頻率下的水泵流量比值與其對應(yīng)頻率比值成正比：

代入上式可知同一工況點(diǎn)不同頻率下的水泵特性曲線表達(dá)式為：

2 不同頻率下水泵流量與效率特性曲線的建模

水泵在特定頻率下流量與效率有如下二次多項(xiàng)式關(guān)系表達(dá)式為：

同一管網(wǎng)特性曲線，根據(jù)水泵相似定律得出不同頻率下的水泵特性曲線交點(diǎn)水泵效率點(diǎn)不變，得出不同頻率下的水泵效率曲線表達(dá)為：

式中：η為水泵效率，%；Q為設(shè)計(jì)工況的流量，m3/s；d、e、f為常數(shù)。

3 不同臺數(shù)下水泵功率的計(jì)算

根據(jù)水泵做功反導(dǎo)其功率計(jì)算公式表達(dá)為：

配置相同型號調(diào)速泵的水循環(huán)系統(tǒng)，若水泵并聯(lián)運(yùn)行時各調(diào)速泵的流量(或轉(zhuǎn)速)相同，則水泵機(jī)組總的軸功率最小[6]，且同一管網(wǎng)下水泵并聯(lián)運(yùn)行，不同開啟臺數(shù)下水泵揚(yáng)程均需滿足管網(wǎng)供水揚(yáng)程的需求，所以同一工況點(diǎn)下，水泵揚(yáng)程均相等，可表達(dá)式為：

同一管網(wǎng)下水泵并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)水泵由1臺運(yùn)行切換至n臺運(yùn)行時，流量均勻分配至每一臺水泵，n臺水泵運(yùn)行時流量為1臺水泵運(yùn)行時的1/n倍流量，可表達(dá)式為：

式中：P為水泵輸入功率，kW；ρ為密度，1000 kg/m3；g為重力加速度，9.8m/s2。

通過上式可知水泵在不同臺數(shù)下運(yùn)行流量及揚(yáng)程，水泵效率值計(jì)算通過水泵流量與效率特性曲線和同一工況點(diǎn)不同頻率下的水泵特性曲線單變量求解可知。通過迭代法計(jì)算同一管網(wǎng)某一瞬時不同臺數(shù)投入使用時的功率最優(yōu)解，取其合計(jì)功率最小值臺數(shù)進(jìn)行水泵臺數(shù)控制。

3 節(jié)能控制方法邏輯

圖2為某辦公樓閉式水循環(huán)系統(tǒng)，定壓點(diǎn)設(shè)置在接近水泵進(jìn)口，進(jìn)口壓力恒定，出口壓力根據(jù)水泵出口集管設(shè)置壓力傳感器測算，水泵通過設(shè)定出口壓力值來控制頻率調(diào)節(jié)，水泵變頻器反饋瞬時開啟水泵臺數(shù)和頻率。

基于某廠商型號為KP5015-9/0的水泵在頻率50Hz下特性曲線摘取十個參考點(diǎn)，詳見圖3～4。通過MATLAB軟件對摘取參考數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算得出二次多項(xiàng)式常數(shù)，擬合水泵揚(yáng)程-流量和效率-流量特性曲線公式錄入控制系統(tǒng)分析計(jì)算水泵不同流量、揚(yáng)程下，計(jì)算其控制頻率，效率和功率。水泵二次多項(xiàng)式參數(shù)分別為：a=-0.00009；b=0.0053；c=34.693；d=-0.000014；e=0.006677；f=0.046014。

圖2 閉式水循環(huán)系統(tǒng)示意圖

圖3 水泵揚(yáng)程-流量特性曲線參數(shù)

圖4 水泵效率-流量特性曲線參數(shù)

某一閉式循環(huán)水系統(tǒng)并聯(lián)4臺相同型號水泵，假設(shè)在某一管網(wǎng)瞬時測得水泵開啟一臺，進(jìn)出口壓差為H'=22.4m，頻率f'讀取值為50Hz，根據(jù)50Hz下的水泵特性曲線公式可知，此時的流量值為400m3/h，根據(jù)同一工況點(diǎn)不同頻率下的水泵特性曲線公式進(jìn)行單變量求解可知在開啟2臺、3臺、4臺時水泵頻率，將對應(yīng)不同臺數(shù)水泵頻率帶入根據(jù)不同頻率下水泵流量與效率特性曲線公式和水泵功率公式可知水泵效率和功率，如表1。

表1 某一管網(wǎng)瞬時不同臺數(shù)水泵運(yùn)行效率和功率

通過上面計(jì)算推導(dǎo)出當(dāng)開啟2臺水泵時，效率最佳，水泵運(yùn)行能耗最低，相對于開啟1臺水泵節(jié)能率達(dá)到了43.4%。當(dāng)單臺水泵效率達(dá)到最高點(diǎn)時，開啟多臺水泵運(yùn)行意義就不存在了。

5 結(jié)語

1）通過以上計(jì)算可知，當(dāng)單臺泵運(yùn)行能滿足末端需求，且水泵運(yùn)行在高效區(qū)，時開啟一臺水泵功率最低，否則需通過計(jì)算預(yù)測水泵開啟臺數(shù)。

2）通過本文的節(jié)能控制方法，在水泵選型過大，工況點(diǎn)偏離嚴(yán)重的情況下，能控制水泵在高效工作區(qū)間中運(yùn)行。

3）本文論述水泵變頻控制邏輯較為簡單，實(shí)際控制情況更為復(fù)雜，在并入阻力元件后，水泵并不是固定由進(jìn)出口壓力控制。且在水泵從單臺切換至多臺運(yùn)行時，切換后剛開始的震蕩過程中水泵流量并不是均勻分配到每臺水泵的。

4）本文的控制方法能為設(shè)備管理者和水泵節(jié)能控制系統(tǒng)提供有效的節(jié)能控制建議，為設(shè)備使用者節(jié)省循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

[1] 汪訓(xùn)昌.空調(diào)冷水系統(tǒng)的沿革與變流量一次泵水系統(tǒng)的實(shí)踐[J].暖通空調(diào),2006,36(7):32-40

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[4] 劉蘭斌,付林,江億.小區(qū)集中供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵電耗實(shí)測分析[J].暖通空調(diào),2008,38(1):123-126

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[6] 汪建華.同型號調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行優(yōu)化的簡便計(jì)算方法[J].暖通空調(diào),2012,42(1):94-96