多泵并聯離心水泵節能控制方法

李承泳

深圳達實智能股份有限公司

建筑節能中流體輸送循環水泵系統能耗占比很大，在集中空調的夏季用電能耗中，大約25%～30%用電負荷消耗用于空調水泵輸配上[1]。由于設計選型不合理，水泵選型流量大，揚程高，管網相對于正確設計流量的水阻力小于水泵選型揚程的程度較大，結果是水系統實際運行工況點相當程度地偏離合理運行工況點[2]，這導致建筑輸送能耗普遍偏高。也有多位學者對并聯變頻水泵控制，并聯變頻水泵實際運行效率，電耗進行了實測和討論分析[3-5]。而多泵并聯變頻運行是建筑中常用的流體輸送結構，水泵運行效率的高低直接影響流體輸送能耗和效率。本文基于管網某瞬時不同臺數水泵運行情況下對水泵頻率、工況點下，對應的水泵效率進行推導測算出該瞬時不同臺數水泵運行下的運行功率，并對最優解進行推送控制，保障輸送能效。

1 同一工況點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式可表達為二次多項式表達式為：

式中：H為管路阻力，m；Q為設計工況的流量，m3/h；a、b、c為常數。

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式為：

式中：f1、f2為工況1、工況2下水泵對應電源頻率，Hz；n1、n2為工況 1、工況 2 下水泵對應泵軸轉速，r/m in；Q1、Q2為工況 1、工況 2 下水泵對應流量，m3/h；H1、H2為工況 1、工況 2 下水泵對應揚程，m；P1、P2為工況 1、工況2下水泵對應功率，kW。

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

代入上式可知同一工況點不同頻率下的水泵特性曲線表達式為：

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式關系表達式為：

同一管網特性曲線，根據水泵相似定律得出不同頻率下的水泵特性曲線交點水泵效率點不變，得出不同頻率下的水泵效率曲線表達為：

式中：η為水泵效率，%；Q為設計工況的流量，m3/s；d、e、f為常數。

3 不同臺數下水泵功率的計算

根據水泵做功反導其功率計算公式表達為：

配置相同型號調速泵的水循環系統，若水泵并聯運行時各調速泵的流量(或轉速)相同，則水泵機組總的軸功率最小[6]，且同一管網下水泵并聯運行，不同開啟臺數下水泵揚程均需滿足管網供水揚程的需求，所以同一工況點下，水泵揚程均相等，可表達式為：

同一管網下水泵并聯運行，當水泵由1臺運行切換至n臺運行時，流量均勻分配至每一臺水泵，n臺水泵運行時流量為1臺水泵運行時的1/n倍流量，可表達式為：

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下運行流量及揚程，水泵效率值計算通過水泵流量與效率特性曲線和同一工況點不同頻率下的水泵特性曲線單變量求解可知。通過迭代法計算同一管網某一瞬時不同臺數投入使用時的功率最優解，取其合計功率最小值臺數進行水泵臺數控制。

3 節能控制方法邏輯

圖2為某辦公樓閉式水循環系統，定壓點設置在接近水泵進口，進口壓力恒定，出口壓力根據水泵出口集管設置壓力傳感器測算，水泵通過設定出口壓力值來控制頻率調節，水泵變頻器反饋瞬時開啟水泵臺數和頻率。

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，詳見圖3～4。通過MATLAB軟件對摘取參考數據進行擬合計算得出二次多項式常數，擬合水泵揚程-流量和效率-流量特性曲線公式錄入控制系統分析計算水泵不同流量、揚程下，計算其控制頻率，效率和功率。水泵二次多項式參數分別為：a=-0.00009；b=0.0053；c=34.693；d=-0.000014；e=0.006677；f=0.046014。

圖2 閉式水循環系統示意圖

圖3 水泵揚程-流量特性曲線參數

圖4 水泵效率-流量特性曲線參數

某一閉式循環水系統并聯4臺相同型號水泵，假設在某一管網瞬時測得水泵開啟一臺，進出口壓差為H'=22.4m，頻率f'讀取值為50Hz，根據50Hz下的水泵特性曲線公式可知，此時的流量值為400m3/h，根據同一工況點不同頻率下的水泵特性曲線公式進行單變量求解可知在開啟2臺、3臺、4臺時水泵頻率，將對應不同臺數水泵頻率帶入根據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 某一管網瞬時不同臺數水泵運行效率和功率

通過上面計算推導出當開啟2臺水泵時，效率最佳，水泵運行能耗最低，相對于開啟1臺水泵節能率達到了43.4%。當單臺水泵效率達到最高點時，開啟多臺水泵運行意義就不存在了。

5 結語

1）通過以上計算可知，當單臺泵運行能滿足末端需求，且水泵運行在高效區，時開啟一臺水泵功率最低，否則需通過計算預測水泵開啟臺數。

2）通過本文的節能控制方法，在水泵選型過大，工況點偏離嚴重的情況下，能控制水泵在高效工作區間中運行。

3）本文論述水泵變頻控制邏輯較為簡單，實際控制情況更為復雜，在并入阻力元件后，水泵并不是固定由進出口壓力控制。且在水泵從單臺切換至多臺運行時，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備管理者和水泵節能控制系統提供有效的節能控制建議，為設備使用者節省循環水系統運行能耗。

[1] 汪訓昌.空調冷水系統的沿革與變流量一次泵水系統的實踐[J].暖通空調,2006,36(7):32-40

[2] 伍小亭,蘆巖.循環水泵變頻調速運行實例研究[J].暖通空調,2006,36(8):25-32

[3] 趙天怡,張吉禮,馬良棟,等.并聯變頻水泵在線優化控制方法[J].暖通空調,2011,41(4):96-100

[4] 劉蘭斌,付林,江億.小區集中供熱系統循環水泵電耗實測分析[J].暖通空調,2008,38(1):123-126

[5] 崇寧,李歧強.變水量空調二次泵供水系統效率優化策略研究[J].計算機仿真,2009,26(2):269-253

[6] 汪建華.同型號調速泵并聯運行優化的簡便計算方法[J].暖通空調,2012,42(1):94-96