并聯(lián)水泵高效區(qū)間變頻節(jié)能研究

朱俊斌，劉剛，甘長德，夏建紅

(東華大學環(huán)境科學與工程學院，上海201620)

摘要：為對空調水系統(tǒng)進行節(jié)能，分析了多臺水泵并聯(lián)變頻運行的性能曲線方程及能耗方程，依據(jù)水泵高效率運行的要求，給出了水泵運行的高效流量區(qū)間。在恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)工況及恒定用戶側壓差工況兩種情況下，結合實例，以高效流量區(qū)為約束條件進行仿真計算，給出了各自的轉速比取值范圍及對應的能耗范圍，與工頻運行下的能耗進行對比，獲得節(jié)能效果的曲線。

關鍵詞：變頻；并聯(lián)水泵；轉速比；高效流量區(qū)間；變流量

中圖分類號：TU831.6;TH3文獻標識碼：A

收稿日期2014-07-21修訂稿日期2014-10-24

作者簡介：朱俊斌(1990~)，男，碩士研究生，研究方向為中央空調水系統(tǒng)變頻節(jié)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

變頻及自控技術的發(fā)展促進了變頻技術在空調系統(tǒng)領域的應用，目前國內外對空調水系統(tǒng)變頻技術的應用已經做了多方面的探討研究[1-2]，但對空調水系統(tǒng)進行變頻的研究只集中探討了其節(jié)能效果及控制方式，很少考慮變頻的合理性，忽略了水泵高效區(qū)間對變頻的約束作用，使得變頻技術在工程中的實用效果大打折扣。另有實際工程多采用一變多定運行方式[3]，此種變頻方式節(jié)能效果有待商榷[4]。通過對變頻水泵性能方程的分析，提出高效流量區(qū)間概念，可以對多臺水泵并聯(lián)變頻運行的節(jié)能情況進行分析。

1并聯(lián)水泵變頻運行特性模型的建立

水泵的揚程與流量呈二次方關系，在運用數(shù)據(jù)擬合時只需三對參數(shù)即可，廠家給出的水泵參數(shù)手冊上一般給出水泵特性曲線的三個工況點，包括流量對應的揚程及效率，滿足流量—揚程、流量—效率兩條曲線的數(shù)據(jù)擬合需求。水泵曲線的表達式為

(1)

式中Hp——水泵揚程/m;

η——水泵效率/[%]；

Q——水泵流量/m3·s-1;

a1、a2、a3——水泵性能曲線系數(shù)；

b1、b2、b3——水泵效率曲線系數(shù)。

上面兩式可化為下列擬合方程通過該方程即可求出揚程及效率對應的曲線方程的系數(shù)

(2)

令上式中Hi為ηi則可以得到對應的效率-揚程方程的系數(shù)。

更進一步，定義水泵變頻運行時水泵轉速與額定工況下的轉速的比值為轉速比k，則n臺水泵并聯(lián)在轉速比k下運行的水泵性能模型表達式[5]

(3)

式中n——水泵并聯(lián)臺數(shù)；

k——水泵同步變頻轉速比。

水泵對流體的輸運過程中，根據(jù)對能量的一般定義，為流體的質量流量與輸送高度的乘積，故水泵能耗與流量關系

(4)

式中Np——水泵功耗/kW。

2冷凍水系統(tǒng)運行控制策略

隨著各個空調房間負荷發(fā)生變化，每個支路冷凍水流量隨之變化。如果各個支路的流量值同比例變化，此時可以使系統(tǒng)閥門保持設計初始狀態(tài)，只需改變水泵運行頻率來滿足負荷需求，如圖1所示的A-B過程，這是采用變頻技術最節(jié)能的情況，定義為恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)工況。但實際工程中，極少出現(xiàn)各支路流量同比例變化。目前普遍采用的控制策略是用戶側定壓差控制，即保持供回水壓差不變來滿足負荷需求，如圖1的A-D過程，但此時節(jié)能效果不明顯。故此時可以考慮先采用恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)變頻，后再調節(jié)各個閥門開度，同時調節(jié)水泵頻率以滿足不同負荷比例需求，如圖1的A-B-C過程，此為用戶側變壓差運行策略。

圖1　水泵運行分析圖

在實際運行過程中，C點的參數(shù)由于負荷變化比例不明確而無法確定，因此現(xiàn)分析兩種臨界狀態(tài)點的運行策略，即對恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)工況及恒定用戶側壓差工況進行分析。

2.1　恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)工況分析

大部分空調冷凍水系統(tǒng)一般采用封閉式設計，其管網(wǎng)特性曲線方程為[6]

Hpn=H0+SQ2

(5)

式中Ho——恒壓差常數(shù)，對于閉式管網(wǎng)為0；

S——管網(wǎng)阻抗/s2·m-5。

當管網(wǎng)特性曲線不變，在負荷波動的情況下，調節(jié)電機運行頻率可調節(jié)流量以適應系統(tǒng)需求，此時，聯(lián)立式(3)、式(5)有轉速比與流量關系式為

(6)

從式(6)中可以看出，在阻抗不變時、水泵并聯(lián)臺數(shù)一定時，轉速比與流量成線性關系。將式(6)代入式(3)、式(4)可以得到對應的能耗公式

2.2　恒定用戶側壓差工況分析

由于運行需要或者用戶需要，經常采取對用戶側給定壓差方式來對系統(tǒng)進行運行控制，假設用戶側的給定壓差為H0，則根據(jù)式(2)有

可推出此時轉速比與流量表達式

(7)

式(1)中，轉速比與流量不成線性關系，將其代入式(3)、式(4)可得到對應的能耗公式

3變頻器對電機效率的影響

當變頻器變頻調節(jié)過大時，會直接影響到電機的效率，故應使變頻器工作在一定范圍之內。電機效率與變頻器轉速比的關系式[7]

ηm=94.187(1-e-9.04k)

(8)

式中ηm——電機效率/[%]。

圖2為電機效率與轉速比的關系圖。

圖2　電機轉速比與效率關系圖

由圖2可知，在轉速比k>0.4，電機效率趨向于穩(wěn)定，約為94%。故在變頻運行過程中，應使轉速比大于0.4。

4算例分析

對于某一水泵，其三個工況點見表1。

表1　水泵工況點

根據(jù)式(1)可求得

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

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

若設空調水系統(tǒng)的設計工況點為(3.1，43)[8]則有S=4.5，取三臺泵并聯(lián)，取w=0.8。

4.1　恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)實例分析

此時由于S=4.5，可知轉速比與流量關系為

取單臺泵、兩臺泵并聯(lián)、三臺泵并聯(lián)三種情況分析，并以高效區(qū)間為控制條件，有轉速比與流量關系見圖3。

圖3　管網(wǎng)特性曲線不變流量與轉速比關系

從圖3可看出，在恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)情況下，水泵并聯(lián)運行臺數(shù)越多，其可調節(jié)的流量范圍越大。本例中由于阻力系數(shù)的緣故，單臺泵及兩臺泵并聯(lián)運行均不處于高效區(qū)間，故僅能三臺泵同步變頻，轉速比最小值約為0.4。

根據(jù)能耗公式，并且以高效區(qū)間為約束條件，可獲得下列能耗曲線見圖4。

圖4　管網(wǎng)特性曲線不變能耗圖

從工頻及變頻的能耗曲線對比可知，僅對于三臺泵并聯(lián)，水泵處于高效區(qū)間運行，變頻運行的節(jié)能效果顯著，具有很好的實用價值，可變頻運行流量區(qū)間為[1.25,3.12]；在該區(qū)間外，變頻雖可節(jié)能，但是不處于高效區(qū)間，其實用價值受到限制。

4.2　恒定用戶側壓差實例分析

此時，則可求得轉速比關于流量的關系式如下

在高效區(qū)間的控制下，可得到此時的轉速比—流量曲線見圖5。

圖5　用戶側定壓差流量與轉速比關系圖

從圖5知，恒定用戶側壓差時，可變頻范圍為[0.8,1]，可變頻程度較小。同時，并聯(lián)臺數(shù)越多，其流量可調節(jié)范圍越寬。

同時，根據(jù)能耗公式可得到在用戶側定壓差工況下的能耗曲線，如圖6所示。

圖6　用戶側定壓差能耗曲線圖

圖7　兩種工況能耗曲線對比圖

從工頻及變頻能耗曲線的對比上，可以看出用戶側定壓差情況下，除去由于高效運行條件約束而造成的運行曲線不光滑之外，變頻運行有一定的節(jié)能效果，有實用價值。

4.3恒定用戶側壓差與恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)工況能耗對比

相對于恒定用戶側壓差來說，恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)節(jié)能效果更好。兩種運行策略下的能耗曲線對比見圖7。

分別對恒定用戶側壓差及恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)兩種策略，在高效流量區(qū)間范圍[1.26,3.09]內的能耗曲線求平均值，得平均能耗分別為11.1 kW及7.0 kW，恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)相比于恒定用戶側壓差的平均能耗節(jié)能率為36.94%。

5結論

(1)水泵變頻運行能耗應考慮變頻器帶來的效率下降，在轉速比大于0.4情況下才有較好的變頻節(jié)能效果。

(2)根據(jù)設計流量選擇多臺水泵并聯(lián)后變頻，在小負荷情況下，水泵非滿臺數(shù)變頻運行容易偏離高效區(qū)間，運行節(jié)能效果較不理想，所有臺泵并聯(lián)變頻運行則可取得較好的節(jié)能效果，并且可調流量區(qū)間隨著并聯(lián)臺數(shù)增加而增大。

(3)水泵變頻運行，以用戶側供、回水壓差為反饋參數(shù)進行恒壓供水的，其可變頻程度有限，只能變頻到額定頻率的80%左右，在這種情況下，是否采取變頻技術有待商榷。

(4)通常情況下，負荷變化時，各個用戶的負荷變化率不同，因此推薦采用用戶側變壓差控制策略，雖然節(jié)能效果介于恒定用戶側壓差和恒定管網(wǎng)阻力系數(shù)控制策略之間，但是實際應用性較強。

參考文獻

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