并联水泵高效区间变频节能研究

朱俊斌，刘刚，甘长德，夏建红

(东华大学环境科学与工程学院，上海201620)

摘要：为对空调水系统进行节能，分析了多台水泵并联变频运行的性能曲线方程及能耗方程，依据水泵高效率运行的要求，给出了水泵运行的高效流量区间。在恒定管网阻力系数工况及恒定用户侧压差工况两种情况下，结合实例，以高效流量区为约束条件进行仿真计算，给出了各自的转速比取值范围及对应的能耗范围，与工频运行下的能耗进行对比，获得节能效果的曲线。

关键词：变频；并联水泵；转速比；高效流量区间；变流量

中图分类号：TU831.6;TH3文献标识码：A

收稿日期2014-07-21修订稿日期2014-10-24

作者简介：朱俊斌(1990~)，男，硕士研究生，研究方向为中央空调水系统变频节能。

Energy-saving Research of Parallel-pumps Run with Variable Speed at High-efficient RangeZHU Jun-bin,LIU Gang, GAN Chang-de,XIA Jian-hong

(College of Environmental Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract：In order to save energy on chilled water system, analyzing the energy and performance curve equation of parallel pumps that running at variable speed, providing the high efficiency flow range of variable flow system according to the demand of high-efficiency operation. Under the cases of constant impedance and constant available differential pressure, the expression of speed ratio and energy consumption on the constraint condition of high efficiency flow range are given.Then curve compare with rated frequency condition is gained.

Key words：variable speed; parallel-pumps; speed ratio; high-efficiency flow range; variable flow

变频及自控技术的发展促进了变频技术在空调系统领域的应用，目前国内外对空调水系统变频技术的应用已经做了多方面的探讨研究[1-2]，但对空调水系统进行变频的研究只集中探讨了其节能效果及控制方式，很少考虑变频的合理性，忽略了水泵高效区间对变频的约束作用，使得变频技术在工程中的实用效果大打折扣。另有实际工程多采用一变多定运行方式[3]，此种变频方式节能效果有待商榷[4]。通过对变频水泵性能方程的分析，提出高效流量区间概念，可以对多台水泵并联变频运行的节能情况进行分析。

1并联水泵变频运行特性模型的建立

水泵的扬程与流量呈二次方关系，在运用数据拟合时只需三对参数即可，厂家给出的水泵参数手册上一般给出水泵特性曲线的三个工况点，包括流量对应的扬程及效率，满足流量—扬程、流量—效率两条曲线的数据拟合需求。水泵曲线的表达式为

(1)

式中Hp——水泵扬程/m;

η——水泵效率/[%]；

Q——水泵流量/m3·s-1;

a1、a2、a3——水泵性能曲线系数；

b1、b2、b3——水泵效率曲线系数。

上面两式可化为下列拟合方程通过该方程即可求出扬程及效率对应的曲线方程的系数

(2)

令上式中Hi为ηi则可以得到对应的效率-扬程方程的系数。

更进一步，定义水泵变频运行时水泵转速与额定工况下的转速的比值为转速比k，则n台水泵并联在转速比k下运行的水泵性能模型表达式[5]

(3)

式中n——水泵并联台数；

k——水泵同步变频转速比。

水泵对流体的输运过程中，根据对能量的一般定义，为流体的质量流量与输送高度的乘积，故水泵能耗与流量关系

(4)

式中Np——水泵功耗/kW。

2冷冻水系统运行控制策略

随着各个空调房间负荷发生变化，每个支路冷冻水流量随之变化。如果各个支路的流量值同比例变化，此时可以使系统阀门保持设计初始状态，只需改变水泵运行频率来满足负荷需求，如图1所示的A-B过程，这是采用变频技术最节能的情况，定义为恒定管网阻力系数工况。但实际工程中，极少出现各支路流量同比例变化。目前普遍采用的控制策略是用户侧定压差控制，即保持供回水压差不变来满足负荷需求，如图1的A-D过程，但此时节能效果不明显。故此时可以考虑先采用恒定管网阻力系数变频，后再调节各个阀门开度，同时调节水泵频率以满足不同负荷比例需求，如图1的A-B-C过程，此为用户侧变压差运行策略。

图1　水泵运行分析图

在实际运行过程中，C点的参数由于负荷变化比例不明确而无法确定，因此现分析两种临界状态点的运行策略，即对恒定管网阻力系数工况及恒定用户侧压差工况进行分析。

2.1　恒定管网阻力系数工况分析

大部分空调冷冻水系统一般采用封闭式设计，其管网特性曲线方程为[6]

Hpn=H0+SQ2

(5)

式中Ho——恒压差常数，对于闭式管网为0；

S——管网阻抗/s2·m-5。

当管网特性曲线不变，在负荷波动的情况下，调节电机运行频率可调节流量以适应系统需求，此时，联立式(3)、式(5)有转速比与流量关系式为

(6)

从式(6)中可以看出，在阻抗不变时、水泵并联台数一定时，转速比与流量成线性关系。将式(6)代入式(3)、式(4)可以得到对应的能耗公式

2.2　恒定用户侧压差工况分析

由于运行需要或者用户需要，经常采取对用户侧给定压差方式来对系统进行运行控制，假设用户侧的给定压差为H0，则根据式(2)有

可推出此时转速比与流量表达式

(7)

式(1)中，转速比与流量不成线性关系，将其代入式(3)、式(4)可得到对应的能耗公式

3变频器对电机效率的影响

当变频器变频调节过大时，会直接影响到电机的效率，故应使变频器工作在一定范围之内。电机效率与变频器转速比的关系式[7]

ηm=94.187(1-e-9.04k)

(8)

式中ηm——电机效率/[%]。

图2为电机效率与转速比的关系图。

图2　电机转速比与效率关系图

由图2可知，在转速比k>0.4，电机效率趋向于稳定，约为94%。故在变频运行过程中，应使转速比大于0.4。

4算例分析

对于某一水泵，其三个工况点见表1。

表1　水泵工况点

根据式(1)可求得

a1=-34.24;a2=10.64;a3=69.14;

b1=-145.46;b2=224.43;b3=0

若设空调水系统的设计工况点为(3.1，43)[8]则有S=4.5，取三台泵并联，取w=0.8。

4.1　恒定管网阻力系数实例分析

此时由于S=4.5，可知转速比与流量关系为

取单台泵、两台泵并联、三台泵并联三种情况分析，并以高效区间为控制条件，有转速比与流量关系见图3。

图3　管网特性曲线不变流量与转速比关系

从图3可看出，在恒定管网阻力系数情况下，水泵并联运行台数越多，其可调节的流量范围越大。本例中由于阻力系数的缘故，单台泵及两台泵并联运行均不处于高效区间，故仅能三台泵同步变频，转速比最小值约为0.4。

根据能耗公式，并且以高效区间为约束条件，可获得下列能耗曲线见图4。

图4　管网特性曲线不变能耗图

从工频及变频的能耗曲线对比可知，仅对于三台泵并联，水泵处于高效区间运行，变频运行的节能效果显著，具有很好的实用价值，可变频运行流量区间为[1.25,3.12]；在该区间外，变频虽可节能，但是不处于高效区间，其实用价值受到限制。

4.2　恒定用户侧压差实例分析

此时，则可求得转速比关于流量的关系式如下

在高效区间的控制下，可得到此时的转速比—流量曲线见图5。

图5　用户侧定压差流量与转速比关系图

从图5知，恒定用户侧压差时，可变频范围为[0.8,1]，可变频程度较小。同时，并联台数越多，其流量可调节范围越宽。

同时，根据能耗公式可得到在用户侧定压差工况下的能耗曲线，如图6所示。

图6　用户侧定压差能耗曲线图

图7　两种工况能耗曲线对比图

从工频及变频能耗曲线的对比上，可以看出用户侧定压差情况下，除去由于高效运行条件约束而造成的运行曲线不光滑之外，变频运行有一定的节能效果，有实用价值。

4.3恒定用户侧压差与恒定管网阻力系数工况能耗对比

相对于恒定用户侧压差来说，恒定管网阻力系数节能效果更好。两种运行策略下的能耗曲线对比见图7。

分别对恒定用户侧压差及恒定管网阻力系数两种策略，在高效流量区间范围[1.26,3.09]内的能耗曲线求平均值，得平均能耗分别为11.1 kW及7.0 kW，恒定管网阻力系数相比于恒定用户侧压差的平均能耗节能率为36.94%。

5结论

(1)水泵变频运行能耗应考虑变频器带来的效率下降，在转速比大于0.4情况下才有较好的变频节能效果。

(2)根据设计流量选择多台水泵并联后变频，在小负荷情况下，水泵非满台数变频运行容易偏离高效区间，运行节能效果较不理想，所有台泵并联变频运行则可取得较好的节能效果，并且可调流量区间随着并联台数增加而增大。

(3)水泵变频运行，以用户侧供、回水压差为反馈参数进行恒压供水的，其可变频程度有限，只能变频到额定频率的80%左右，在这种情况下，是否采取变频技术有待商榷。

(4)通常情况下，负荷变化时，各个用户的负荷变化率不同，因此推荐采用用户侧变压差控制策略，虽然节能效果介于恒定用户侧压差和恒定管网阻力系数控制策略之间，但是实际应用性较强。

参考文献

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[2]Akaa Ali, Mohammed Al_Soud, Essam Abdallah, Salah Addallah. Water Pumping System with PLC and Frequency Control[J].Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering,2009,3(3):216-221.

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