多泵并联离心水泵节能控制方法

李承泳

深圳达实智能股份有限公司

建筑节能中流体输送循环水泵系统能耗占比很大，在集中空调的夏季用电能耗中，大约25%～30%用电负荷消耗用于空调水泵输配上[1]。由于设计选型不合理，水泵选型流量大，扬程高，管网相对于正确设计流量的水阻力小于水泵选型扬程的程度较大，结果是水系统实际运行工况点相当程度地偏离合理运行工况点[2]，这导致建筑输送能耗普遍偏高。也有多位学者对并联变频水泵控制，并联变频水泵实际运行效率，电耗进行了实测和讨论分析[3-5]。而多泵并联变频运行是建筑中常用的流体输送结构，水泵运行效率的高低直接影响流体输送能耗和效率。本文基于管网某瞬时不同台数水泵运行情况下对水泵频率、工况点下，对应的水泵效率进行推导测算出该瞬时不同台数水泵运行下的运行功率，并对最优解进行推送控制，保障输送能效。

1 同一工况点不同频率下的水泵特性曲线建模

在不同频率下的水泵特性曲线表达式可表达为二次多项式表达式为：

式中：H为管路阻力，m；Q为设计工况的流量，m3/h；a、b、c为常数。

闭式离心水泵相似定律，详见图1。

图1 水泵特性曲线示意图

闭式离心水泵相似定律表达式为：

式中：f1、f2为工况1、工况2下水泵对应电源频率，Hz；n1、n2为工况 1、工况 2 下水泵对应泵轴转速，r/m in；Q1、Q2为工况 1、工况 2 下水泵对应流量，m3/h；H1、H2为工况 1、工况 2 下水泵对应扬程，m；P1、P2为工况 1、工况2下水泵对应功率，kW。

在管网阻力元件未发生变化的前提下，离心水泵符合相似定律，不同频率下的水泵扬程比值为其对应频率比值的二次方，不同频率下的水泵流量比值与其对应频率比值成正比：

代入上式可知同一工况点不同频率下的水泵特性曲线表达式为：

2 不同频率下水泵流量与效率特性曲线的建模

水泵在特定频率下流量与效率有如下二次多项式关系表达式为：

同一管网特性曲线，根据水泵相似定律得出不同频率下的水泵特性曲线交点水泵效率点不变，得出不同频率下的水泵效率曲线表达为：

式中：η为水泵效率，%；Q为设计工况的流量，m3/s；d、e、f为常数。

3 不同台数下水泵功率的计算

根据水泵做功反导其功率计算公式表达为：

配置相同型号调速泵的水循环系统，若水泵并联运行时各调速泵的流量(或转速)相同，则水泵机组总的轴功率最小[6]，且同一管网下水泵并联运行，不同开启台数下水泵扬程均需满足管网供水扬程的需求，所以同一工况点下，水泵扬程均相等，可表达式为：

同一管网下水泵并联运行，当水泵由1台运行切换至n台运行时，流量均匀分配至每一台水泵，n台水泵运行时流量为1台水泵运行时的1/n倍流量，可表达式为：

式中：P为水泵输入功率，kW；ρ为密度，1000 kg/m3；g为重力加速度，9.8m/s2。

通过上式可知水泵在不同台数下运行流量及扬程，水泵效率值计算通过水泵流量与效率特性曲线和同一工况点不同频率下的水泵特性曲线单变量求解可知。通过迭代法计算同一管网某一瞬时不同台数投入使用时的功率最优解，取其合计功率最小值台数进行水泵台数控制。

3 节能控制方法逻辑

图2为某办公楼闭式水循环系统，定压点设置在接近水泵进口，进口压力恒定，出口压力根据水泵出口集管设置压力传感器测算，水泵通过设定出口压力值来控制频率调节，水泵变频器反馈瞬时开启水泵台数和频率。

基于某厂商型号为KP5015-9/0的水泵在频率50Hz下特性曲线摘取十个参考点，详见图3～4。通过MATLAB软件对摘取参考数据进行拟合计算得出二次多项式常数，拟合水泵扬程-流量和效率-流量特性曲线公式录入控制系统分析计算水泵不同流量、扬程下，计算其控制频率，效率和功率。水泵二次多项式参数分别为：a=-0.00009；b=0.0053；c=34.693；d=-0.000014；e=0.006677；f=0.046014。

图2 闭式水循环系统示意图

图3 水泵扬程-流量特性曲线参数

图4 水泵效率-流量特性曲线参数

某一闭式循环水系统并联4台相同型号水泵，假设在某一管网瞬时测得水泵开启一台，进出口压差为H'=22.4m，频率f'读取值为50Hz，根据50Hz下的水泵特性曲线公式可知，此时的流量值为400m3/h，根据同一工况点不同频率下的水泵特性曲线公式进行单变量求解可知在开启2台、3台、4台时水泵频率，将对应不同台数水泵频率带入根据不同频率下水泵流量与效率特性曲线公式和水泵功率公式可知水泵效率和功率，如表1。

表1 某一管网瞬时不同台数水泵运行效率和功率

通过上面计算推导出当开启2台水泵时，效率最佳，水泵运行能耗最低，相对于开启1台水泵节能率达到了43.4%。当单台水泵效率达到最高点时，开启多台水泵运行意义就不存在了。

5 结语

1）通过以上计算可知，当单台泵运行能满足末端需求，且水泵运行在高效区，时开启一台水泵功率最低，否则需通过计算预测水泵开启台数。

2）通过本文的节能控制方法，在水泵选型过大，工况点偏离严重的情况下，能控制水泵在高效工作区间中运行。

3）本文论述水泵变频控制逻辑较为简单，实际控制情况更为复杂，在并入阻力元件后，水泵并不是固定由进出口压力控制。且在水泵从单台切换至多台运行时，切换后刚开始的震荡过程中水泵流量并不是均匀分配到每台水泵的。

4）本文的控制方法能为设备管理者和水泵节能控制系统提供有效的节能控制建议，为设备使用者节省循环水系统运行能耗。

[1] 汪训昌.空调冷水系统的沿革与变流量一次泵水系统的实践[J].暖通空调,2006,36(7):32-40

[2] 伍小亭,芦岩.循环水泵变频调速运行实例研究[J].暖通空调,2006,36(8):25-32

[3] 赵天怡,张吉礼,马良栋,等.并联变频水泵在线优化控制方法[J].暖通空调,2011,41(4):96-100

[4] 刘兰斌,付林,江亿.小区集中供热系统循环水泵电耗实测分析[J].暖通空调,2008,38(1):123-126

[5] 崇宁,李歧强.变水量空调二次泵供水系统效率优化策略研究[J].计算机仿真,2009,26(2):269-253

[6] 汪建华.同型号调速泵并联运行优化的简便计算方法[J].暖通空调,2012,42(1):94-96