论文全文循环水泵变频调速运行实例研究.docx

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论文全文循环水泵变频调速运行实例研究

循环水泵变频调速运行实例研究

天津市建筑设计院　伍小亭芦岩

摘要结合一个工程实例，采用典型工况时间段方法、简化了水泵运行总能耗计算。

对不同并联台数及不同运行控制方式下循环水泵变频调速运行的节能特性进行了分析研究。

利用水泵相似理论，给出了变转速运行时各工况点水泵效率的确定方法－等效率曲线法。

分析结果表明：

①对于常用的水系统运行控制方式而言，水泵转速（流量）比与轴功率比的“三次方”关系不成立，因为运行曲线上绝大多数工况点不是相似工况点，惟一例外是运行控制方式3的单台水泵运行段，但此运行控制方式工程中不适合采用；②方式1与工频运行方式4相比，针对一个设计合理的循环水系统，几乎没有节能效果；③运行控制方式2节能效果优异、控制功能理想、易于工程实施。

影响运行控制方式2节能效果的主要因素是最不利环路的压差设定值h0；④至少，对于三台泵并联运行的水系统，可以用水泵额定工况点效率代替典型工况点效率，使计算大为简化。

⑤空调水系统采用水泵变频调速装置，其经济性是肯定的，且经济性优劣与工程类型密切相关。

关键词变频调速典型工况点特征工况点标准工况点相似定律、工频运行

ANEXAMPLEANALYSESONVFDOPERATIONOFCIRCULATINGPUMPINTHEAIR-CONDITIONINGWATERSYSTEM

ByWuXiaotingLuyan

AbstractWithaprojectexample,adoptingthemethodofcalculatingthepump’sgeneralenergyconsumptionofcoolingseasonaccordingtotheweightofdifferenttypicaloperatingmodeduration;AnalyzingtheenergysavingpotentialofVFDoperationofthecirculatingpumpsinparallelwhichrununderdifferentmethodofcontrolling.Andputforwardthemethodofdeterminingthepumpefficiencyunderdifferentworkingconditionwithvariablespeedrunning.Theresultofanalysesshows:

①Comparingthemethod1ofVFDoperatingwithCFDoperating,we’llfindthatthereisnoenergysavingpotentialundertheconditionofmethod1,ifthecirculatingwatersystemhasbeendesignedrightly.②Onlywithsomeoperatingpointunderthemethod3ofVFDoperation,theshaftpower’sreducingofcirculatingpumpisindirectproportiontothethirdpowerofthereducingwithpump’srotatespeed（watervolume）.Actuallythe“relationofthethirdpower”isoftenwronglyadopted,withthiswronglyadoptingwecann’tgettherightestimativeresultaboutenergysavingpotential.Thatistosaythepumpsimilitudelawshouldberightlyadopted.③Themethod2ofVFDoperationhasthecharacteristicofhighefficiencyonenergysavingandoperatingwell.Thesetnumericalvalueofdifferentialpressureofterminalloopwhichhasthehighestwaterpressuredropinthewholewatersystem.④ThevwvsystemwithVFDcertainlyhasprofitsinmostprojectcases.AndhowmuchprofitsthatwecangetfromthevwvsystemwithVFDiscloselyrelatedtothetypesofsystem.

keywordsVFDtypicaloperatingpointcharacteristicoperatingpointstandardoperatingpointsimilitudelawoperatingwiththemotorinconstantfrequency

0引言

空调水系统循环水泵变频调速（以下简称VFD）运行的节能性已在业界得到普遍认可，但关于VFD运行节能性的分析文章，往往忽视运行控制方式这一重要因素，盲目引用水泵相似律中的轴功率比例定律－P1/P2=（n1/n2）3而导致分析结果的失真，甚至得出采用VFD可节能70%以上的结论。

事实上，除运行控制方式3的单台水泵运行段外，其他运行控制方式曲线上的工况点基本不是相似工况点，因此不能套用水泵相似律中的轴功率比例定律（三次方率），必须逐工况点计算水泵功率。

此外工程类型、系统规模、总运行时间都会对其节能性产生影响。

VFD运行节能性分析的主要工作是计算空调季循环水泵总能耗，是对水泵在每个运行工况点的能耗进行时间积分，这里关键在于计算各工况点水泵能耗，而能耗计算的关键则是水泵在每个工况点的效率。

但水泵产品技术资料大多仅提供额定转速下的性能曲线，无法直接得到变转速运行时各工况点水泵效率值，这样分析计算工作势必十分浩繁，必须依赖计算机进行，然而遗憾的是目前尚无此类商业软件可供使用。

基于此，本文根据文献[1]提供的空调系统供冷季典型负荷率对应的时间权重，采用典型工况时间段方法对水泵运行总能耗计算进行了简化，给出了水泵在任意工况点效率的确定方法，并以工程实例为基础就以上问题进行了深入分析，重点在于方法和步骤。

1工程实例背景及分析依据的基本数据

1.1工程实例背景情况

工程所在地，天津市；工程类型，写字楼；工程规模，35000m2；工程地下一层、地上二十二层；空调冷热源，直燃溴化锂冷温水机组、空调水系统选用循环水泵三台、并联运行、无备用。

1.2循环水泵选型与资料来源

循环水泵选型工况点参数---流量200m3/h、扬程32m、工况点效率75.8%；某品牌端吸离心泵，规格为NK125-315；额定转速1460R.P.M，以下分析所涉及的水泵相关数据及水泵运行曲线的绘制，均以该型号水泵的技术资料为基础。

1.3天津地区写字楼空调系统供冷期运行时间（小时数）

①．空调系统供冷期启停时间段4.30日～9.30日。

②．每天运行时间10小时，实际总供冷天数110天。

③．空调供冷期总的运行小时数为1100小时。

④．不同负荷率的时间权重；取《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005.之5.4.7IPLV计算公式中A、B、C、D的对应系数。

⑤．表1给出了不同负荷率下空调系统供冷期的运行小时数。

不同负荷率下空调系统供冷期的运行小时数表-1

负荷率

100％

75％

50％

25％

时间权重β

2.3％

41.5％

46.1％

10.1％

运行小时数

25.3

456.5

507.1

111.1

2水泵运行与控制方式组合、控制方式的定义与原理

2.1水泵运行与控制方式组合

①单台泵工频运行②单台泵变频运行（控制方式1、2）；

③两台泵并联工频运行④两台泵并联变频运行（控制方式1、2）；

⑤三台泵并联工频运行⑥三台泵并联变频运行（控制方式1、2）；　

⑦单台、两台及三台泵并联变频运行（控制方式3）；

2.2控制方式的定义

水泵运行的控制方式是指：

用某种被控参数实现水泵的变频调速运行,通常被控参数取循环水系统中某处的压差/压力或温度等。

本文定义了四种控制方式，（其中控制方式4为特例，因为属于非变频调速运行。

）它们分别是：

①运行控制方式1：

恒定系统供/回母管间压差，系统工况点在图

（一）之曲线-1上。

②运行控制方式2：

恒定系统最不利环路压差，系统工况点在图

（一）之曲线-2上。

③运行控制方式3：

在供水温度满足要求的前提下，恒定系统的供、回水温差，系统工况点在图

（一）之曲线-3上。

其特点是：

末端不设随负荷动作的流量调节阀，管网S值等于常数，为主动变流量运行。

此运行控制方式节能效果最显著，但管网动态流量分配的可靠性差，很少采用。

④运行控制方式4：

末端变流量，循环水泵工频运行，是一次泵空调水系统的典型运行方式。

此控制方式运行能耗较高。

图

（一）不同控制方式水系统运行曲线

3典型工况点及不同运行控制方式时系统的水力特征

3.1什么是典型工况点？

为方便分析，将水系统运行曲线上与系统额定流量的100%、75%、50%、25%对应的工况点定义为典型工况点，图

（二）中点A1、2、3、4、B1、2、3、4、C1、2、3、4、D1、2、3、4均为典型工况点。

除点A4、B4、C4、D4外，水泵在其他典型工况点的运行状态均为低于额定工频转速的变频调速运行。

典型工况点的流量由系统设计流量与对应典型负荷率确定，典型工况点的扬程由不同控制方式对应的管网水力特性曲线所决定。

3.2定义典型工况点目的

水泵在空调季的总运行能耗P等于某种运行控制方式下，水泵在各工况点所消耗的功率与运行时间乘积的总和，即：

（1）

式中：

N---总运行能耗KwhT---总运行时间h

Pi---流量为Gi时水泵消耗的功率Kw

βi---流量为Gi时水泵运行时间占总运行时间的权重

式

（1）的计算必须采用能耗分析软件，否则极为烦琐耗时。

为此本文采用典型工况时间段方法对水泵运行总能耗计算进行简化，即：

①通过典型工况点的流量、扬程、水泵总效率，计算水泵运行在典型工况点时的轴功率Pi；②根据典型工况点负荷率对应的运行时间权重，计算水泵在各典型工况时间段的运行能耗Ni＝Pi*T*βi；③对各典型工况时间段运行能耗求和，

（

，分别表示负荷率为100%、75%、50%、25%时的对应数据）。

3.3不同运行控制方式时管网水力特性描述

3.3.1由于典型工况点为系统运行曲线上的特定点，运行曲线是系统工况点的集合，系统工况点是不同控制方式所对应的循环水泵工作曲线与管网特性曲线的交点，因此计算典型工况点所依据的基本公式必然是描述管网水力特性的公式，即：

H=SG2　

（2）

式中：

H----管网的水力损失或水泵应提供的扬程mH2O

S----管网的阻力特性数，无因次量G----管网的水流量　m3/h。

但，式

（2）仅适用于压差/压力无关型的运行控制方式，即：

运行控制方式3，适合于任意运行控制方式的管网水力特性公式为：

H＝h+S′G2　（3）

式中：

H----水泵应提供的扬程mH2Oh---管网压差控制值mH2O

S----管网的阻力特性数，无因次量。

对于式（3），当h=0时转化为式

（2），S′即为S。

当h≠0时，h表示管网运行时在某个位置上必须保持的压力/压差值，h值是由运行控制方式决定的。

式

（2）、（3）运行控制意义可以理解为：

对于压差/压力无关型的运行控制方式，当系统的流量需求趋于零时，水泵提供的扬程也趋于零。

而对于固定压差/压力的运行控制方式，即便系统的流量需求趋于零，水泵也应提供足够的扬程以满足所要求的固定压差/压力。

3.3.2根据式

（2）、（3）及典型工况点（GAHA）绘制不同控制方式运行曲线并与水泵并联运行的性能曲线相交，如图

（二），其特征如下：

1．运行控制方式1时：

h=HA，系统运行曲线公式为H＝HA，运行特征为恒压差变流量。

2．运行控制方式2时：

h

3．运行控制方式3时：

h=0，系统运行曲线公式为H=SG2，管网运行特征为变压差变流量。

4．运行控制方式4时：

运行特征为变压差变流量，流量减少，压差增大，运行曲线分阶段分别为水泵三台并联、两台并联及单台运行的性能曲线。

以上1、2、3、4中除3外，由于空调末端的主动性流量调节，所以公式中S与S′均为变量。

3．4绘制控制曲线、确定区间运行状态、计算典型工况点参数

1．根据不同运行控制方式对应的曲线公式及典型工况点（GAHA），绘制运行曲线于图

（二）。

2．根据选定水泵的技术资料提供的性能曲线绘制额定转速时单台泵、两台泵并联、三台泵并联的性能曲线于图

（二）。

3．根据不同负荷率对应的流量，在各运行曲线上标注典型工况点。

但运行控制方式4的典型工况点在水泵的性能曲线上。

4.图

（二）中水泵额定转速时性能曲线与系统运行曲线有7个交点，形成9个区间，自公共交点A向左依次标记为α、β、γ，将这7个交点定义为特征工况点，理论上水泵在特征工况点处额定转速运行。

5．根据图

（二）分析区间运行状态，结果见表-2；根据曲线公式计算各典型工况点的扬程，但控制方式4的典型工况点扬程由图解求得，结果见表-3。

水泵在特征工况点及其区段运行状态表-2

特征点

α

α--β

β

β--γ

γ

γ—左

运行状态

适用于运行控制方式1、2、3

工频

三台泵

并联

变频

三台泵

并联

工频

两台泵

并联

变频

两台泵

*工频

单台泵/

**变频两台泵.

变频

单台泵

注：

1--应结合图

（二）阅读本表2--*运行控制方式1**运行控制方式2、3

典型工况点的流量、扬程、运行台数表-3

工况点

A

B

C

D

控制方式--1

总流量

600

450

300

150

扬程

32

32

32

32

台数

3

3

2

1

控制方式--2

总流量

600

450

300

150

扬程

32

22.4

15.5

11.4

台数

3

2

2

1

控制方式--3

总流量

600

450

300

150

扬程

32

18

8

2

台数

3

2

2

1

控制方式--4

总流量

600

450

300

150

扬程

32

34

33.5

33

台数

3

2

2

1

表中工况点流量由图

（二）图解得，工况点扬程由式

（2）、（3）计算。

图

（二）系统控制曲线图

4不同运行控制方式时的水泵能耗

4．1水泵能耗计算的基本公式

N=NZ.T/η1NZ=

　　　　（4）

式中：

N—水泵运行电耗kwh，T—水泵运行时间h

η1—电动机效率，以下计算取η1=0.94，η—水泵在工况点的效率

NZ—水泵的轴功率KW，ρ—冷水密度，取ρ＝999.73（kg/m3）

G—冷水流量m3/s，H—水泵扬程mH2O

水泵能耗计算中关键的数据是水泵在实际工况点下的效率值η。

因为除典型工况点A外，水泵在其余典型工况点均为变转速运行，而水泵变转速运行的性能曲线很难获得，也就很难直接得到水泵在典型工况点的效率ηD。

4．2ηD值的确定－等效率曲线法

4．2．1

水泵技术资料通常会提供一组“额定转速”下的性能曲线，其中包括流量－效率曲线，“额定转速”是必须不能忽略的条件！

通常除小型一体化立式变频水泵外，水泵技术资料通常仅提供额定转速时的性能曲线，无法直接查取非额定转速工作时的ηD值。

于是本文将借助水泵相似理论与额定转速下的流量－效率曲线，间接获得ηD。

4．2．2

由前面分析知：

除运行控制方式4外，其余3种运行控制方式均为变频调速运行即，通过水泵的变转速运行使水泵运行工况点与图

（二）中的典型工况点重合。

根据水泵相似理论：

符合相似条件的水泵在相似工况点具有相同效率；同一台水泵以不同转速工作时必然符合相似条件。

水泵相似工况点参数满足式（5），

或

（5）

式中脚标D表示典型工况，式（5）所表达的曲线也称为等效率曲线－落在该曲线上的工况点具有相同的水泵运行效率。

因为系统的典型工况点在某转速对应的性能曲线上，令等效率曲线过典型工况点并与额定转速性能曲线相交，由此交点可直接查取对应的效率值，此效率值理论上与ηD相等，这就是本文所称的等效率曲线法。

4．2．3

根据前面的分析，四种不同运行控制方式时ηD值的具体确定步骤：

运行控制方式1

除典型工况点A1外，运行曲线-1上的其他典型工况点所对应的单台水泵工况相同,均为150m3/h、32mH2O。

水泵在工况点A1以额定转速运行，效率为ηA1=81.5%。

而在其他典型工况点水泵以非额定转速运行，需按前面的分析方法获得运行效率，方法如下：

1.（150m3/h、32mH2O）是运行曲线－1上的点，同时也是过此点的水泵等效率曲线上的点，因此满足式（5），代入GD=150m3/h、HD=32mH2O，得KD=0.00142,满足KD=0.00142的工况点都是相似的。

2.将适当的G值代入式（5），计算相应H值，结果列于表-4，并据此绘出过D点（表-4中标注*的工况点）的水泵等效率曲线与单台水泵额定转速性能曲线交于B1，形成图（三）中曲线OB1，由工况点B1在额定转速G－η曲线上查得ηB=78%，曲线－1上典型工况点的水泵运行效率除点A1外为ηB1＝ηC1＝ηCD1＝78%

表-4中标注*的工况点为过典型工况的水泵性能、运行控制、水泵等效率三条曲线的交点。

曲线OB1、OC1、OD1三线重合，由OB1代表。

KD=0.00142的一组相似工况点表-4

G（m3/h）

0

50

100

150*

200

H（mH2O）

0

3.56

14.22

32*

56.89

图（三）由水泵等效率曲线求非额定转速时的效率

运行控制方式2

与控制方式1不同，运行曲线-2上的各典型工况点所对应的单台水泵工况是不同的，因此必须按照前述方法，分别求其运行效率：

1．典型工况点A2与A1相同，ηA2=81.5%。

2.同前述4.2.3之2的方法有，KB2=0.000442、KC2=0.000689、KD2=0.000567；形成图（三）中曲线OB2、OC2、OD2与单台水泵额定转速性能曲线交于B2、C2、D2；在额定转速G－η曲线上查得：

ηB2ˊ=83%、，ηC2ˊ=82%、ηD2ˊ=82%。

运行控制方式3

应该指出的是：

尽管在运行曲线3上的工况点均满足式（5），似乎都是相似工况点。

但因为是并联泵系统，对于并联工作的单台泵而言，曲线3上的工况点并非全是相似工况点，所以ηD的确定方法与控制方式1、2相同。

1．典型工况点A3与A1、A2相同，ηA3=81.5%。

2．同前述4.2.3之2的方法有，KB3=KC3=0.000356、KD3=0.0000889；形成图（四）中曲线OB3、OC3、OD3与单台水泵额定转速性能曲线交于B3ˊ、C3ˊ、D3ˊ；在额定转速G－η曲线上查得：

ηB3=ηC3=83%。

图（四）由水泵等效率曲线求非额定转速时的效率

3.①由图（四）知额定转速等效率工况点D3ˊ超出了水泵的正常工作范围，无与之对应的效率值可查取。

实际上不仅工况点D3，也包括工况点C3均为非真实工况点，因为根据水泵相似率的轴功率关系，由C3ˊ、D3ˊ的流量与扬程可推算C3、D3点的水泵转速仅为额定转速的55.5%、35%，变频器输出频率只有27.8HZ、17.5HZ。

在实际运行中，由水泵电机的负载特性所决定，变频器输出频率一般应≥30HZ，所以运行时需要对工况点C3、D3进行矫正，矫正目标是：

使点C3′、D3′的变频器输出频率f≥30HZ，于是有水泵在C3、D3点的最低转速n′=30*1460/50＝876rpm。

②由n′/n＝0.6、水泵相似率之功率转速关系及等效率原则（等效率原则：

使水泵在矫正后工况点与在额定工况点有相同效率）求出工况点C3、D3的扬程矫正值：

H＝0.63*200*32/150=9.22mH2，于是水泵在工况点C3′、D3′与在额定工况点有相同的效率，ηC3‘＝ηD3‘＝81.5%。

以上分析也表明：

落在理论运行曲线上的工况点，实际运行中并非全能实现。

此时须对运行控制进行矫正，方法是，通过阀门调节等手段增大管网阻力，使管网特性曲线斜率加大，见图

（二）。

运行控制方式4

此运行方式时水泵在典型工况点的效率可由水泵额定转速性能曲线直接查得：

ηA4=81.5%、ηB4=82.4%、ηC4=76.1%、ηD4=76.1%。

4．2．4表-5在表-3的基础上增加了水泵在各典型工况点与特征工况点的效率值、平均效率值、转速。

其中转速计算本文未详述，方法是；由额定转速性能曲线上对应典型与特征工况点的相似工况点间的流量比，求出的水泵在各工况点的转速。

单台泵在特征与典型工况点的流量、扬程、效率　表-5

工况点

A

β

B

γ

C

D

均值

控

1

流量

扬程

效率

转速

200

32

81.5

1460

200

32

81.5

1460

150

32

78

1369

200

32

81.5

1460

150

32

78

1369

150

32

78

1369

78.90

0.967

制

方

式

2

流量

扬程

效率

转速

200

32

81.5

1460

260

25.9

78.6

1460

225

22.4

83

1288

183*

17.5

82

1233

150*

15.5

81.5

1019

150

11.4

82

913

82.0

1.01

3

流量

扬程

效率

转速

200

32

81.5

1460

267.5

25.4

77.1

1460

225

18

83

1195

173

13

82

1212

150

*9.22

81.5

870

150

*9.22

80.5

870

81.6

1.00

4

流量

扬程

效率

转速

200

32

81.5

1460

150

34

82.4

1460

150

33.5

76.1

1460

150

33

76.1

1460