增压泵组的节能优化研究

蒙 晨，杨 帅，武 鹏，吴大转

(浙江大学，浙江杭州 310027)

1 前言

离心泵组变频恒压供水是目前国内广泛采用的一种节能供水模式，与传统供水设备相比，具有实时性好，节能效果强，避免水源二次污染等特点［1～4］。然而恒压供水设备在设计时，由于无法预估楼宇管路系统的流动损失及用户用水需求的波动性等因素，泵选型常留有较大余量，且供水需求在各个季节以及每天不同时段都不尽相同，这些因素常使得增压泵组运行偏离最佳工况点，效率较低。同时，末端用户侧水压偏高时，还会增加滴漏和故障率。因此，供水设备仍存在较大节能空间，在满足用水需求的前提下，进一步降低能耗是供水系统发展的必然趋势。

变频变压供水模式可以兼顾用水需求及管路系统特性，相比恒压供水模式，节能效果更为显著，智能性更强［5,6］。由于供水管路系统具有不确定性强、非线性、大时滞性等特点，系统控制过程极易造成波动，建立可靠精确的控制模型，提高实时性是推广变频变压供水技术的关键。汤跃等进行了变压模型辨识试验研究，确定变压供水控制模型是定结构的带延迟二阶模型，设计具有 PID 特性的变参数控制器，改善系统暂态性能［7］。Hammo，Viholainenx 等对变压供水参数测量及能效控制方面做了研究分析，但目前尚未建立准确的控制模型［8,9］。在供水系统变压控制方案设计中，需要保证最不利点压力恒定，众多学者对压力控制点的设置位置进行了研究。魏道联、邱寿华等对压力控制点设置于系统最不利点处与水泵出水总管2种情况做对比研究，认为按照传统实现方式将压力传感器置于末端用户侧，有利于降低运行能耗［10,11］。这种方式需将压力数据通过无线或有线方式传送至控制中心形成闭环控制，进而调控供水设备实现最不利点压力恒定。武荣等经研究认为，该方案虽然节能且理论可行，但是实际控制系统常远离最不利点，无线远传或有线反馈方法会造成供水设备复杂化，系统的稳定性和成本等问题都将受到考验［12］。因此，实现控制信号的就近布置极为重要。另外，传统评估用户用水需求判断常需要安装流量计，增加控制成本，尤其对于供水管径较粗的管网。这些都对于变压供水模式的推广造成阻力。

因此，本文从水泵运行原理出发，兼顾用水需求及管路系统特性，建立变频变压供水模型。具体以西门子PLC作为控制主体，建立变频器与泵的一对一控制，将实际的控压点置于供水设备出口，同时建立管网用水需求判断模型，保证远端最不利点供水压力的前提下实现控压点随用水量变化而变化［13］。另外，进一步建立以能效为主导的运行状态评估分析方法及水泵高效工作区约束机制，解决离心泵偏工况运行和增减泵控制问题，最终实现可靠性高并且在节能效果上明显优于变频恒压供水模式的智能变压供水设备。

2 增压泵组组成

变频变压增压泵组结构如图1所示，主要包括进出水管路、并联离心泵组、稳压罐及电气控制柜等。进出水总管分别布置压力传感器。电气控制柜主要由可编程控制器（PLC）、变频器及电气元件组成。PLC选用西门子S7－200系列，采集压力、转速、功率等信号并输出控制信号给变频器，实现泵组调速控制。

图1 增压泵组组成示意

3 增压泵组控制方案

3.1 变压控制模型

供水设备恒压控制模式通过调整水泵转速来维持供水压力的不变，满足用户用水量的变化，从而起到节能效果。而变压供水模式兼顾管路特性，通过置于增压泵组总出水口位置的控压点进行变压控制，根据管网流量需求的改变不断调整控压点数值，在保证最不利点供水压力前提下实现节能运行。增压泵组变频变压控制模型如图2所示。

图2 供水泵组变频变压控制模型

从图中可见，理想控压点与流量的关系为线性关系，并位于管路特性曲线上方。因此，变压运行曲线依然能够满足供水需求，与恒压运行曲线相比降低了供水压力，具有更好的节能效果。由于理想变压运行曲线中每个流量工况点都会调整控压点，实际调节控制难度较大，因此为提高供水系统的稳定性，实际变压运行曲线为阶梯线性曲线，即只有当控压目标压力与出口实际压力产生足够大的差值信号时，才会触发泵组调速稳压，调节至目标压力值。变压曲线零流量控压点由供水管路最不利点处静扬程增加部分扬程裕量确定，最大控压点由能满足最大供水流量时管路特性曲线确定。

如上所述，控制过程实际上为整体变压短时恒压，以离心泵变频调速方法为基础，结合用水需求预测模型与变压控制模型，基于实时监控模块采集的压力、转速信息，通过参数自整定PID控制算法生成控制信号，对供水系统进行调节，供水系统控制逻辑如图3所示。

图3 变频变压控制逻辑

3.2 用水需求预测模型

由图2可知，管网流量是决定控压点变化的重要参数，其准确性对保证供水系统的稳定性和可靠性至关重要。常规实现方法是通过管路中设置流量计实现流量采集，然而安装流量计不仅增加管阻损失和设备成本，而且在系统中增加一个控制变量，一旦流量计由于某种不可测因素造成测量偏差或数据失真，将会使整个系统控制失灵［14］；另外，流量计的选型与管径有关，使增压供水设备的通用性下降。

鉴于此，本文所述供水系统管路不设流量计，采用扬程－流量、功率－流量2种管网用水需求预测方法。扬程－流量预测方法，通过进出口压力传感器采集信号及离心泵结构参数得到并联泵组的扬程，结合变频器输出的泵转速数据，基于泵特性曲线及相似性规律，预测当前管网用水流量。功率－流量预测方法，则是通过变频器输出的功率、转速信号，利用泵特性曲线及相似性规律，预测用水需求。2种预测方法原理如下：

根据离心泵相似性，扬程H、功率P、流量Q及转速n的关系为：

以H－Q预测方法为例，H－Q关系为：

式中a，b，c——根据泵特性确定的参数

根据相似性规律，整理得：

式中n0——离心泵额定转速

n——当前变频器输出转速

因为每台泵的供水支路上均设置单向阀，阀门及管阻损失与流量的二次方成正比，计入式（3）则对于泵组内第i台泵，有：

式中d—— 供水支路流阻损失系数

i——下标，i=1,2,…,N

Hsi的值可根据进出口压力传感器的压力差得到。

如上所述，输入进出口压力传感器测定值及各台泵转速ni，即可得到每台泵的流量Qi，并联泵组流量：

同理，可以得到P－Q预测方法，第j台泵功率：

式中d1，d2，d3，d4——根据泵特性确定的参数j——下标，j=1,2,…,N

3.3 能效优化控制方案

增压泵组的恒压供水及变压供水模式都以保证用户用水需求作为首要前提，但当用户用水需求变化时，离心泵运行工况有可能偏离高效运行区域。因此，本节从能量角度进一步优化控制方案，结合功率－流量预测原理及水泵高效工作区约束，提供一种以能效为判据的增减泵控制方法，实现能效优化的变压控制模式。

3.3.1 基于功率－流量的能效控制

由于本文的变压供水模式，在每一个用水需求区间内是恒压模式，而在恒定供水压力下，增压泵组总功耗与流量关系如图4所示。因此，在一定流量区间内，泵运行数量决定了泵组的节能效果，不同数量泵功率曲线的分界点为节能控制提供了重要判据。

图4 供水泵组总功耗与流量关系

基于上述原理，结合功率－流量特性曲线和水泵运行转速，在保证管路用水需求和供水设备出口压力不变的前提下，可以预测增（减）一台泵之后的总功耗并与当前运行状态下供水设备总功耗相比较。如果预测功率小于当前供水设备总功耗，说明当前运行状态并非最佳组合工况，即切换运行状态，执行增（减）一台泵操作。此后继续循环判断进行能效分析。

3.3.2 基于泵高效区的能效控制

一般将水泵运行在最高效率点左右偏离7%范围内的区域称为高效工作区。高效工作区域外的左侧部分为高扬程区，右侧部分为大流量区，二者均属于水泵偏工况低效区。因此，水泵运行在高效工作区内，对节能运行、延长水泵使用寿命及提高系统可靠性方面都大有裨益，另外还可避免功率－流量用水需求预测模型在低转速下误差较大的问题。设置高效工作区边界，首先通过结合水泵特性曲线参数和相似定律划定高效工作区左右能效标记线。另外离心泵变频调速时，考虑到在低转速运行工况下，变频器自身效率降低且高效区间缩小，故将最低频率设定为35 Hz，该值会根据运行水泵数目不同进行调整［15～17］。基于水泵变频范围可以划定高效工作区上下能效标记线，高效工作区范围如图5所示。

图5 水泵高效工作区示意

高效工作区约束的基本控制流程如图5所示。以2台泵（A泵和B泵）增泵过程为例，假设A泵首先运行，当A泵运行到高效工作区右侧能效标记线时，对增加B泵后两泵各自的运行状况进行预判，若2台泵均可回到高效工作区范围，则启动B泵并调整A泵使得2台泵同转速运行；若预判B泵增加后，2台泵各自运行工况点均未落入高效工作区，则不增B泵而A泵继续增速，直至预判2台泵均可以进入高效工作区后再启动B泵。此外，若A泵触及上方能效标记线时，必然启动B泵。反之，对于减泵过程，当A泵或B泵运行到高效工作区左侧时，对减泵操作后另一台泵的运行状况进行预判。以停A泵为例，若停A泵后B泵运行在高效区，则执行停泵命令，若停A泵后B泵超出上方能效标记线，则2台泵走出高效区继续降速，直至预判B泵可运行在左侧能效线右方时再停A泵。此外，若A泵或B泵触及下方能效标记线，则必停泵。此外，为避免在左右侧能效线出现反复切换工况，在左侧和右侧能效线增加了切换裕量判据，保证工作点均能回到高效工作区且有一定裕量的前提下，再执行增泵或减泵命令。供水泵组由上述2台泵增加到多台泵并联时，增减泵也遵循同样的规则，各台泵根据工作时间确定增减优先级，工作时间短的泵先增后减，时间长的泵先减后增。

上述2种能效优化方法各有利弊。基于功率－流量的能效控制，是从泵组角度控制总功耗最小化进行的，控制区间比较连续，在水泵高频运行时准确性高，但在泵低频运行时预测误差较大，不能保证每台泵高效运行。而基于泵高效区的能效控制方法，是从单泵角度出发，保证每台泵都高效运行，可以防止泵偏工况运行，控制效果不受频率影响，但控制区间可能出现间断，不能保证泵组整体节能。本文将2种方法相结合，扬长避短，针对不同的泵组选择最优的控制方法，可保证满足管网用水需求的前提下，维持并联泵组高效稳定运行。

4 变频变压供水试验

设计并搭建变频变压增压泵组试验系统对控制程序进行测试，试验系统如图1所示。其中离心泵数量为4台。

4.1 用水需求预测模型测试

不同转速下单泵实测得到的H－Q和P－Q性能曲线如图6，7所示。以额定转速（3400 r/min）性能数据作为基础，对流量预测模型进行验证。以扬程－流量预测模型为例，通过额定工况稳态性能曲线可以获得式（3）多项式系数，结合实测转速和泵扬程，即可求得当前工况的预测流量，将推测流量点绘制在图6中。同样类似过程，可以获得功率－流量模型下的推测流量，如图7所示。

图6 H－Q预测模型相似性数据

图7 P－Q预测模型相似性数据

由于曲线斜度越大，数据的辨识度和敏感性越好，对预测结果的准确性越有利，故对2种预测方法进行对比分析。从曲线变化趋势方面可知，随着流量增大，H－Q曲线趋向陡峭而P－Q曲线趋于平缓，故H－Q预测模型比P－Q预测模型具有更好的数据辨识度和敏感性。从相似性转换方面可知，H－Q曲线能够较好满足相似性换算规律，预测值与实测值在偏差5%以内；对于P－Q预测方法，泵工作转速超过额定转速的85%时，预测数据与流量计实测数据之间的偏差基本在1%～5%以内，低于此转速范围时，预测精确度大幅降低，偏差超过10%～20%。P－Q预测模型误差较大，另外一个原因是实测功率为电机功率而非泵的输入功率，低转速工况下，变频器自身能耗加大，使得实测功率数值不够准确。对于基于轴功率－流量的流量预测模型，准确度会有所增高。对于供水增压泵组，由于H－Q预测方法在流量预测精确度、数据敏感性、不同转速下的相似性方面均优于P－Q预测方法。因此，本文所述用水需求预测模型选用H－Q预测模型。

4.2 泵组变频变压控制效果

将泵组中从开始就一直运行的泵作为基础泵，记录基础泵在增减泵及调速过程中的工作点数据，绘制在单泵高效工作区H－Q图上，如图8所示。

图8 基础泵工作点轨迹分布

基础泵工作点的分布具有以下特点：并联泵组处于变频运行状态的泵数量超过2台时，各台泵基本工作在高效区内，且工作泵转速未达到额定转速和转速下限时，根据能效判据增泵减泵，使其始终处于高效率运行状态；小于2台时，水泵小范围内偏离高效工作区偏工况运行。分析认为，变频变压控制模型基于供水系统最大需求点设计，大流量范围内可以保证高效节能运行，而小流量区控制扬程较低，以保证最大程度节能，也造成泵偏离高效点工作。因此，实际供水系统设计选型时，注意尽量满足供水泵组的小流量区与管网用水需求常用范围不相交，或者设计供水泵组分梯级搭配工作，避免此影响。

供水泵组总能耗随流量变化关系如图9所示。结果表明，管网用水量增大过程中，能效点分布呈现不连续趋势，变频泵运行数量的切换基本满足图4规律。基于功率－流量预测原理的能效分析可以保证供水泵组节能运行。

图9 供水泵组功率点分布

5 结语

本文通过建立管网系统用水需求预测模型及具有阶梯性跳跃稳压性能的变压控制模型实现变压供水，并进一步优化控制方案，建立能效预测分析及约束方法，解决离心泵偏工况运行和增减泵控制问题。另外，通过增压泵组实验台对用水需求预测模型的可靠性及变频变压控制效果进行验证。研究结果表明，变频变压供水模式兼顾了管路系统阻力的变化，在保证最不利点供水需求的前提下实现比恒压供水模式更具节能效果。建立的用水需求预测模型，可避免安装流量计，从而实现较高准确度预判管路用水需求。同时，本文还对建立的2种预测模型进行了对比分析。另外，从能量的角度进一步优化控制方案，结合功率－流量预测原理及水泵高效工作区约束，提供一种以能效为判据的增泵减泵控制方法，可参考用于供水设备设计及节能运行控制。

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