多台并联水泵运行台数切换方式与效率的关系.docx

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多台并联水泵运行台数切换方式与效率的关系

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一、研究背景

作为我国工农业领域主要的耗电设备之一，水泵被广泛应用于建筑、城市给排水、石油化工、动力工业、火力发电、船舶工业以及冶金采矿等领域，其耗电量占全国总发电量的20%左右。

目前，在建筑系统中，水泵与风机等输送设备的电力消耗约占我国城镇建筑运行电耗的10%以上。

江亿指出：

在大型公共建筑供热空调电力消耗的实测中，水泵与风机的电力消耗约占60%~70%左右。

目前水泵的最高效率一般能达到75%~85%，但是在运行过程中，大多数水泵的效率在30%~50%之间，比发达国家水泵运行效率要低很多，能耗浪费比较严重，运行效率有较大的提升空间。

综上可见，水泵等设备的输送能耗占各供热空调系统总能耗比例较大，而且节能潜力巨大。

1.1水泵变频控制方式及存在的问题

在较大的供热空调系统中，往往单台泵不能满足系统要求，需要多台水泵并联或串联运行，以达到流量要求。

由于多级泵的发展，水泵串联在工程实际中很少应用，多台水泵并联运行应用的则较多。

在很多系统中，水泵往往和冷热源主机进行串联连锁控制。

冷热源根据一定的方式进行启停控制，当冷热源停止运行，则相应管路上串联的水泵也会停止运行。

当水泵不与冷热源进行连锁控制时，多台水泵并联运行，大部分的台数切换控制方式是这样的，以两台水泵并联运行为例：

当负荷降低时，系统所需流量减少，则逐渐降低两台水泵的转速，调节系统流量，当流量减少到正好为单台水泵在额定工况下的流量时，在此转速下运行一段时间，然后关闭其中一台水泵，另一台水泵重新回到额定转速下运行。

此切换方式没有考虑水泵变频在切换前后各性能参数的变化，也没考虑到切换之后水泵运行是否会更节能。

二、传统台数切换方式下水泵并联同步调速特性分析

本节以单级泵变流量系统（负荷侧变水量、蒸发器侧变水量）为例，分析“多泵共用”形式下，采用传统水泵台数切换方式时，不同变频控制方式下水泵性能随着冷水机组与水泵台数切换的变化规律。

2.1四台水泵并联同步变速运行特性分析

若水泵设计台数为4台时，选择格兰富TP型水泵，型号为TP200-510/4，额定流量为600m3/h，额定扬程为33.9mH2O。

由于变频水泵与冷水机组台数一致，在此忽略调节过程及时间，并认为控制足够精确，变频水泵和冷水机组同时切换。

如图4-1所示，为并联变频水泵采用传统水泵台数切换方式时，供回水干管定压差控制与末端定阻抗控制方式运行下水泵能耗的变化规律。

图2-1表示末端定阻抗控制方式相对于干管定压差控制方式的节能率

图2-1两种控制方式下能耗变化规律

图2-2末端定阻抗控制相对于干管定压差控制方式的节能率变化规律

从图2-2中可以看出：

（1）在4台水泵并联变速运行过程中，末端定阻抗控制方式比供回水干管定压差控制方式要更加节能，并且随着负荷的降低，流量比的逐渐减小，节能率呈增大趋势。

（2）在运行过程中，水泵能耗及节能率曲线是分段的，跳跃的，这是由冷水机组与水泵台数切换造成的，分段跳跃点即为冷水机组与水泵台数切换点。

如图4-3所示，为冷水机组与水泵台数示意图。

（3）在关闭一台冷水机组与水泵后，水泵能耗急剧增大，节能率急剧降低。

分析其原因：

初始时，冷水机组全部处于部分负荷下运行，关闭一台后，剩余冷水机组全部回到额定状态下工作，不再处于部分负荷。

这时，由于冷水机组台数的减少，冷源处的管路阻抗会增大，致使整个管路的阻抗增大，因此在相同运行流量下，水泵能耗会增大。

图2-3冷水机组与水泵台数示意图

图2-4两种控制方式转速比变化规律

图2-5两种控制方式水泵效率变化规律

如图2-4、2-5所示，为并联水泵变频运行下的转速比、水泵效率随着流量比的变化规律。

从图中可知：

（1）末端定阻抗控制方式下的并联水泵转速比与运行效率要比供回水干管定压差控制方式下小。

（2）供回水干管定压差控制方式下的并联水泵转速比都保持在0.7~1之间，运行比较稳定，水泵效率较高，始终都处于76%以上，在高效区间内运行。

（3）而末端定阻抗控制方式下的水泵变频转速比比较低，转速变化速率较快，两台水泵变频运行后期，转速比已经低于0.4，这也造成了末端定阻抗控制方式下并联水泵的能耗虽然比较小，但是效率也较低的现象。

（4）在水泵与冷水机组运行台数一定时，随着流量的减小，供回水干管定压差控制方式下，水泵效率一般先增大，后减小；而末端定阻抗控制方式下，管网总阻抗保持不变，所以水泵效率也保持不变。

（5）在关闭一台冷水机组与水泵后，水泵转速比增加，运行效率降低。

2.2五台水泵并联同步变速运行特性分析

当水泵台数与冷水机组台数相同时，由于两者同时进行台数切换，切换前后性能发生变化，是两者台数切换的共同作用，并不能确切地了解两者分别单独作用下会对水泵并联变频运行产生怎样的影响。

因此，本小节中，令水泵台数与冷水机组台数不同，分析多台水泵并联变频运行性能变化规律。

其他条件不变，设水泵台数为5台，则选取的水泵型号为TP200-450，额定流量为470m3/h，额定扬程为32mH2O。

图2-65台水泵时两种控制方式水泵效率变化规律

如图2-6、2-7、2-8所示，为5台水泵并联变频运行下水泵效率、转速比与能耗随着流量比的变化规律。

图中，分段跳跃点为水泵或冷水机组的台数切换点，共有7个，即水泵和冷水机组切换台数总共7次。

在切换点处为空心的表示水泵台数切换点，有4个；切换点处为实心的表示冷水机组台数切换点。

图2-75台水泵并联时两种控制方式转速比变化规律

图2-85台水泵并联时两种控制方式水泵能耗变化规律

从上述图中可以得出：

（1）当水泵台数与冷水机组台数不同时，系统设备切换次数较多，系统运行波动较多，不稳定。

（2）随着流量比的减小，无论是水泵还是冷水机组，每关闭一台设备后，两种控制方式的转速比都会增大。

当关闭一台冷水机组后，单台水泵的流量不变，但是系统阻抗变大，所需扬程增大，所以转速增大；当关闭一台水泵后，水泵扬程不变，但是单台水泵的流量变大，所以转速也增加。

（3）在干管定压差控制方式下，每关闭一台水泵或冷水机组，水泵效率可能增大，可能减小，无特定变化规律。

（4）在末端定阻抗控制方式下，每关闭一台水泵，水泵效率降低，每关闭一台冷水机组，水泵效率升高。

由于效率减小的幅度比效率增加的幅度要大，所以在水泵与冷水机组一起关闭后时，水泵的效率是减小的，但是变化的幅度不如两种设备单独进行台数切换时幅度变化大。

所以说，水泵设计台数为4台时，设备台数切换前后效率的规律性变化是两种设备共同作用的结果。

（5）无论是哪种控制方式，当关闭一台冷水机组时，能耗增加幅度较大。

而当关闭一台水泵后，两种控制方式下能耗的变化都非常小，可以忽略。

所以说，在多台水泵多台冷水机组变流量运行中，随着流量的减小，关闭一台冷水机组会使水泵输送能耗增大，而水泵台数切换则对水泵能耗基本没有影响。

三、基于水泵效率的台数切换方式的提出与分析

3.1传统水泵台数切换方式的不合理性分析

并联水泵变频运行的传统水泵台数切换方式的不合理性主要有以下两点：

（1）该台数切换方式未能完全发挥出水泵变频节能的优势

从5台水泵运行下的效率-流量比图中可知，在供回水干管定压差控制中，当5台水泵转换为4台水泵时，转速比从0.9增至0.95，水泵效率从81.8%变为81%；当4台水泵转换为3台水泵时，转速比从0.88增至0.94，水泵效率从81.5%变为80.9%。

在末端定阻抗控制方式中，当5台水泵转换为4台水泵时，转速比从0.8变为0.85，水泵效率从81.6%变为78.9%。

可以看出，在水泵转速比还没下降到下限，而水泵效率依旧很高的时候，就进行了水泵台数切换。

所以说，以单台水泵额定流量来切换水泵台数的传统水泵台数切换方式未能将水泵变频节能的优势完全发挥出来，这种台数切换控制方式是不太合理的。

（2）水泵变频采用末端定阻抗控制方式时，采用该台数切换方式容易导致水泵与冷水机组运行台数不匹配的现象。

如图3-1所示，为5台水泵并联变频运行时传统水泵台数切换方式下S0的变化曲线。

从图中可以看出：

（1）5台水泵并联变频运行过程中，供回水干管定压差控制方式下S0值较大，末端定阻抗控制方式下S0值较小。

（2）冷水机组与水泵运行台数一定时，在定压差控制方式下，随着流量比的减小，S0值会逐渐增大。

在末端定阻抗控制方式下，S0值保持不变。

（3）在关闭一台冷水机组后，S0值会突然增大；而在关闭一台水泵后，S0值会突然减小。

由于在5台水泵并联变频运行时，单泵变频的S1值为55.66393273×10-5h2/m5，所以在水泵变频运行过程中，应该使单泵的S0值大于S1的值。

图中，定压差控制方式下，单泵的S0值都大于S1的值，所以水泵变频运行都在变频调速范围之内。

而末端定阻抗控制方式下，在流量比为0.41，3台水泵切换为2台水泵的时候，运行中的S0值已经小于S1值

图3-1额定流量法切换台数时S0的变化规律

所以，在水泵变频末端定阻抗控制方式下，采用传统水泵台数切换方式可能使得水泵运行超出变频调速范围，使水泵不能正常工作。

也就是说，在末端定阻抗控制方式下以传统水泵台数切换方式进行台数切换是不合理的。

由于传统水泵台数切换的上述不合理性，在水泵变频末端定阻抗控制方式基础上，孟娜提出一种基于水泵效率的台数切换技术，该台数切换技术可以使并联水泵在变频运行过程中永远保持高效运行，而且不会出现水泵变频运行超出变频调速范围的现象。

3.2基于水泵效率的水泵台数切换方式的提出

根据水泵能耗计算公式

可知，在水泵流量一定的前提下，水泵能耗大小主要取决于水泵运行的扬程、效率，变频器效率，电机效率等的大小，水泵扬程可以通过变频控制方式调低，变频器与电机效率只取决于转速比，当转速比大于0.4时，电动机效率ηm的变化范围为92%~94%，变频器效率ηv的变化范围为83%~95%。

当转速比大于0.4切变化幅度不大时，可认为ηm与ηv保持不变，可忽略ηm与ηv对水泵能耗的影响，而从第二章中对水泵变频最低转速分析中，可知，水泵变频运行时转速比基本上都会大于0.4。

这时，水泵能耗大小基本上取决于水泵效率的大小。

因此，本节中提出依据水泵运行效率来进行水泵台数切换的方法。

为了减小由于水泵曲线拟合造成的误差，在此对高效区间范围量化为：

同时满足水泵效率η≥ληmax与水泵转速η≥ηmin，其中λ在0.9~0.95之间。

高效区间法台数切换方式控制过程如下：

（1）当实际运行中水泵效率η≥ληmax且转速η≥ηmin，水泵台数保持不变；

（2）当转速η≥ηmin，但η小于ηmin，即效率不满足要求时，判断运行中S0与设计工况下S0des的大小，当S0＜S0des，开启一台水泵；当当S0＞S0des时，关闭一台水泵，其中S0des=n2Hd/Qd2；

（3）若η＜ηmin，即转速比不满足要求时，关闭一台水泵。

其中：

η——实测的水泵效率（%）；

ηmax——水泵的最高效率（%）；

Hd——系统设计工况点扬程（mH2O）；

Qd——系统设计工况点流量（m3/h）；

S0——实际运行中单泵的扬程与流量平方的比值（mH2O）；

S0des——设计工况下单泵的扬程与流量平方的比值（mH2O）；

n——设计工况下并联水泵总台数。

3.3两种台数切换方式下水泵性能的比较

计算分析设计工况下水泵台数为4台，水泵变频采用末端定阻抗控制方式时，并联水泵采用传统水泵台数切换方式和基于水泵效率的水泵台数切换方式时的水泵性能的变化规律。

设系统最小流量比为0.4，令λ=90%，则高效区间允许的最低效率值为73.8%。

经计算得知，当流量比小于0.36，或者大于0.78时，两种台数控制方式下的水泵运行状态是一致的；当流量比在0.36~0.78之间时，两种台数控制方式下水泵运行才会有差异。

如图3-2前三幅图所示，为流量比在0.36~0.78之间两种水泵台数切换方式下水泵转速比、水泵效率、能耗随着流量比的变化规律。

图中，“△”表示基于水泵效率台数切换方式下水泵台数切换点，由于传统水泵台数切换控制中水泵与冷水机组同时切换，故没有重点标出。

从图中可以看出：

流量比在0.36~0.78之间时，基于水泵效率的台数切换方式下水泵运行转速较低，水泵效率较高，能耗比额定流量法要低。

如图3-2最后一幅图所示，为基于水泵效率的台数切换方式相对于传统水泵台数切换方式的节能率。

在流量比大于0.52时，节能率维持在3%左右，流量比在0.4~0.52之间时，节能率随着流量比的减少从5%左右降至3%左右。

图3-2两种台数切方式下水泵转速比变化规律

上述图中还可以看出，采用基于水泵效率的台数切换方式进行台数切换时，在流量大于最小流量时，水泵没有进行台数切换。

也就是说，在流量大于最小流量时，基于水泵效率的台数切换方式下多台水泵并联运行并不需要进行台数切换。

此时水泵变频运行也不会出现超出变频调速范围之外的现象。

四、总结

本章主要针对多冷热源下并联水泵变频运行特性进行分析，并以水泵变频末端定阻抗区间控制方式为基础，提出基于水泵效率的水泵台数切换控方式。

本章内容如下：

（1）对设计工况下水泵台数与冷热源台数等的配置方案进行分析；根据水泵变频调速范围，对运行工况下水泵台数与冷热源台数进行合理配置，得出：

水泵变频采用末端定阻抗区间控制方式时，若采用传统水泵台数切换方式，会出现冷水机组与水泵运行台数不匹配的现象，容易使水泵运行超出变频调速范围之外。

（2）针对一次泵变水量系统，分析比较当冷水机组为4台，并联水泵采用传统水泵台数切换方式进行台数切换时，并联水泵变频采用供回水干管定压差控制方式与末端定阻抗控制方式下的水泵性能的变化规律，分析冷水机组及水泵台数切换对水泵性能的影响。

（3）基于水泵变频末端定阻抗控制方式，从两方面对传统水泵台数切换方式的不合理性进行分析，提出基于水泵效率的水泵台数切换方式，并将两种台数切换方式进行比较，得出在水泵变频末端定阻抗控制的基础上，采用基于水泵效率的水泵台数切换方式进行台数切换时，水泵运行效率较高，能耗较低，且不需要进行台数切换。