关于并联变频水泵的优化运行策略分析

黄丝雨 詹利军 刘 刚 施 龙东华大学环境科学与工程学院



关于并联变频水泵的优化运行策略分析

黄丝雨 詹利军 刘 刚 施 龙
东华大学环境科学与工程学院

摘要：分析了同型号变频冷冻水泵并联运行时的特性模型，定义了同型号变频冷冻水泵并联运行时的高效流量区间。在干管定压差控制下，以冷冻水泵高效运行为约束条件，给出了寻找并联变频水泵最优转速比和最优台数的优化控制策略。最后，结合实例分析了该冷冻水系统优化控制策略的节能效果。

关键词：并联水泵；变频；转速比；运行台数；优化策略

现如今人们对室内空气舒适性要求的日益提高，由此导致建筑能耗中空调系统的能耗高速增长，其能耗约占建筑总能耗的60%～70%。在供热空调系统中，绝大部分能耗消耗在输送冷量的水系统上，其中冷冻泵的全年耗电量约为冷机全年耗电量的15%～30%［1］。故研究空调冷冻水泵的节能潜力，对节约能源有重要意义。针对变频水泵转速优化控制，Stan分析了并联变频水泵运行时存在的安全性问题，并指出水泵在线状态监测或定期的水泵性能测试对指定合理的并联水泵运行策略十分必要［2］。针对多台水泵并联运行的台数优化控制，符永正以流量增量为切入点进行了分析，为水泵系统提供了设计选型参考［3］。本文通过对并联水泵进行建模，指出并联水泵变频运行高效区间，提出优化并联水泵变频运行的控制策略。

1 并联变频水泵运行特性模型建立

根据水泵运行特性，我们认为水泵扬程、水泵效率与流量呈二次方关系，当水泵处于变频调速工况（转速比ω＜1）时，水泵对应扬程、效率及功率的计算模型：

式中，Hp—水泵扬程，m；

Gp—水泵总流量；m³/h

ηp—水泵效率，%；

ηM—电机效率，%；

ηVFD—变频器效率，%；

a1、a2、a3、b1、b2、b3为水泵性能常数，由样本数据或者实测数据拟合得到。

对于多台并联水泵，暖通空调水系统一般选择同型号水泵。并且文献［4］通过分析得出结论：对应相同型号的n台并联变频水泵同时运行，其总能耗最小的必要条件是n台并联水泵的转速比ω均相同。故可以得到n台水泵并联运行的数学模型：

由上述分析可知，在多台并联变频水泵运行过程中，只要通过监测系统得到系统总流量Gp、水泵运行台数n、水泵转速比ω（通过监测电源频率转化），便可以求出当前工况下水泵运行效率ηp。

2 并联变频水泵运行高效区分析

根据流体力学理论知识，水泵变频过程中满足相似定律的条件是系统管网特性曲线保持一致，此时，水泵变频运行前后的效率ηp保持不变。即每条固定工况的管网特性曲线都对应着一条等效率线，水泵运行工况点在同一条等效率曲线上时，任一点的水泵效率均相同。因此，变频水泵的等效率曲线与管网系统阻力特性曲线方程形式一致，表示为：

式中，C—比例系数，为常数。

变频水泵的高效区间指该水泵运行稳定，且运行效率比较较高的区域（流量范围）。若设备厂家没有提供变频水泵运行时的高效流量区间，可以认为水泵最高效率的90%～95%以上的区域为高效流量区间［5］。设εηmax为高效区间范围内的最低效率值，该效率值的等效率曲线为S1和S2，其中ε范围为0.90～0.95。同时，变频水泵在实际运行过程中为了保证其运行稳定，存在最小转速比ωmin，当转速比低于最小转速比时，水泵效率会急剧下降。因此单台水泵高效流量区间的范围可确定为S1、S2、额定转速ω0时水泵特性曲线以及最小转速比ωmin时水泵特性曲线所围成的闭合区域（阴影部分），如图1所示。

图1　变频水泵高效区间示意图

对于多台并联变频水泵，根据数学模型，就可在同一坐标系做出多台同型号并联水泵实际变频运行时的高效流量区间。本文对格兰富水泵（上海）有限公司生产的KP8015-3/4型号变频水泵进行建模计算，以3台为例，每台该型号变频泵的额定流量为560 m³/h，额定扬程为35 m，最高效率为88%。根据实际情况取ωmin=0.6，根据样本得到所需参数，最终得到三台同型号并联水泵变频运行高效流量区间如图2阴影部分所示。

图2中，Smax和Smin分别对应前文提到的εηmax，图中ε取0.9，最低转速比设为0.6。可以看出：1）三台同型号变频水泵并联运行时，调节过程中有3个流量高效区间，分别对应图中一台水泵单独工作时的高效区间（红色阴影区域）、2台水泵同时工作时的高效区间（蓝色阴影区域）以及3台水泵同时工作时的高效区间（黑色阴影区域）；2）3个高效流量区间均有部分是相互重合的，即在重合部分的工况下，不同运行数量的水泵经变频调节均可达到高效运行的目的；3）在高效区间重叠区域，虽然n台或者n+1台水泵运行都能实现高效率运行，然而ηn和ηn+1有大小之分，不同的台数运行水泵消耗功率不同。

3 冷冻水系统并联水泵优化控制策略

分析多台变频水泵并联优化运行策略，做一下假设：

（1）最低转速比设为0.6，当ω＞0.6，转速比变化幅度较小时，电动机效率和变频器效率可认为是不变的，即忽略ηM和ηVFD对总功率Np的影响；

（2）忽略台数切换时整个冷冻水管网阻力系数的变化。由于在台数切换时仅水泵并联处的阻力系数有所变化，而且绝大部分阻力降消耗在末端设备上，故可近似认为台数切换后系统所需流量Gp和压头Hp均保持不变。

在以上两个假设的前提下，对当前m台变频水泵运行时进行台数优化。除了当前水泵运行台数m，还需要通过BA监测系统得到当前冷冻水系统冷水总流量Gp、水泵两端总压头Hp以及每台水泵运行转速比ωm。

根据式（5）便可求出当前m台水泵转速最优时每台水泵的效率ηm。

同时，由于切换台数后系统所需流量Gp和压头Hp均保持不变，我们对式（4）和（5）进行联立计算，便可以得到（m-1）或者（m+1）台冷冻水泵运行时的转速比ωm-1、ωm+1水泵效率ηm-1、ηm+1。

根据以上分析，便可以总结出适合应用于多台同型号冷冻水泵并联运行时，在定供回水干管压差情况下的在线优化控制策略，如图3所示。该控制策略包括水泵转速优化和水泵运行台数优化两部分。其中监测点包括当前水泵运行台数m、供回水干管压差ΔP、系统总流量G，其中计算过程均有自控系统进行计算，最终指令变频器或开关进行动作，实现冷冻水系统动态优化控制。

图2　3台同型号并联水泵变频运行高效流量区间

4 实例分析

本节以定干管压差与水泵定频运行为例，对上述优化控制策略进行分析。如图4为系统原理图，包括4个用户，3台水泵和1个冷热源。系统用户的额定水流量为2.13 m³/h。水泵型号为KQW40/235-0.75/4。

查阅相关规范资料，计算出系统各个管件（包括管道及局部阻力构件）的阻力系数，如表1所示。

通过Matlab程序计算，可以获得在额定工况下，系统经过初调节后，管网总阻抗为0.21279m/ （m³/h）2，此时，通过各个用户的流量为2.165m³/h。总压头为15.8mH2O，此时定压差值Δp=10mH2O。

图3　冷冻水系统并联水泵优化控制流程图

我们通过关闭用户来模拟建筑负荷的变化，分别得到不同用户情况下开启不同水泵台数的水泵运行参数，如图5～图7所示。

如图5所示，关闭1个用户时，系统冷水流量为6.81 m³/h时，无变频调节是能耗为：1 254.070 5 W，2台水泵同步变频调节后，能耗为983.9084 W，节约能耗为270.162 2 W；3台水泵同步变频调节后，能耗为1031.1887 W，节约能耗为222.8818 W。此工况点2台水泵运行比3台水泵运行多节能4.6%。

如图6所示，关闭2个用户时，系统冷水流量为4.86m³/h时，无变频调节是能耗为：932.5291 W，2台水泵同步变频调节后，能耗为631.5927 W，节约能耗为300.9364 W；3台水泵同步变频调节后，能耗为648.5394 W，节约能耗为283.9897 W。此工况点2台水泵运行比3台水泵运行多节能2.8%。

如图7所示，关闭2个用户时，系统冷水流量为2.41m³/h时，无变频调节是能耗为：468.096 9 W，1台水泵同步变频调节后，能耗为264.5996 W，节约能耗为193.4973 W；2台水泵同步变频调节后，能耗为285.2266 W，节约能耗为182.8703 W；3台水泵同步变频调节后，能耗为291.7238 W，节约能耗为182.3731 W。此工况点单台水泵最为节能，较2台多节能7.4%，较3台多节能8.9%

综上所述，该冷冻水优化控制策略相比与传统定压差控制方式，平均节约能耗5.1%。

图4　定压差系统原理图

表4　系统管网阻力计算表

图5　关闭1个用户时系统分析图

图6　关闭2个用户时系统分析图

图7　关闭3个用户时系统分析图

5 结论

（1）通过理论分析，定义了并联水泵变频运行的高效流量区间，指出并联变频水泵以相同转速比运行时更加节能。

（2）提出的冷冻水系统在线优化控制策略，通过自动程序计算出当前台数以及相邻台数水泵运行时的水泵效率，进行比较，从而确定合适的运行台数。

（3）对于定干管压差冷冻水系统，采用本文提出的优化控制策略可以更好地调节水泵转速比和运行水泵台数，比传统的定干管压差控制节能效果要好。

参考文献

［1］朱伟峰，空调冷冻水系统的特性研究：［D］.北京：清华大学，2002

［2］ Stan Shiels. Centrifugal pump academy： The risk of parallel operation［J］. World Pumps， 1997（1）：34-37

［3］符永正. 水泵并联运行的流量增量即相关问题分析［J］.暖通空调，2004，34（11）：83—85

［4］赵天怡，张吉礼，马良栋，孙德兴. 并联变频水泵在线优化控制方法［J］.暖通空调，2011， （04）：96-100+84.

［5］付祥钊. 流体输配管网［M］. 北京：建筑工业出版社，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