多台并联水泵运行台数切换方式与效率的关系

1、多台并联水泵运行台数切换方式与效率的关系多台并联水泵运行台数切换方式与效率的关系目录一、研究背景21.1水泵变频控制方式及存在的问题2二、传统台数切换方式下水泵并联同步调速特性分析32.1 四台水泵并联同步变速运行特性分析32.2 五台水泵并联同步变速运行特性分析6三、基于水泵效率的台数切换方式的提出与分析93.1 传统水泵台数切换方式的不合理性分析93.2 基于水泵效率的水泵台数切换方式的提出 113.3 两种台数切换方式下水泵性能的比较12四、总结13、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

2、，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趴85%但是在运行过程中，大多数水泵的效率在3版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

3、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

4、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"型水泵，型号为TP200-510/4 ,额定流量为600m3/h，额定扬程为33.9mH2Q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41所示，为并联变频水泵采用传统水泵台

5、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21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230 * 240-200 160-120-so-40-.0020*40：6 O's L0图21两种控制方式下能耗变化规律LO080.6040260CO0.20.+0.6081.0流冒比图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22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

6、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。女口图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。240虫回水干乔走巫差440-0-0.20.60.8L00.0图2-3冷水机组与水泵台数示意图0 2 10.00.2040.60.31.0M

7、fc图2-4两种控制方式转速比变化规律82S76744共叵肚干管走压餐.一求端定阳抗do 02 OA Q.6 o*sj q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0.71之间，运行比较稳定，水泵效率较局，始终都处于76%以上，在周效区间内运行。(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

8、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

9、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470nl3/h，额定扬程为32mH2QBO-11-T-干管定三差。干营定三差水泵切奈点一末端足用抗J乐氓芒国宜主戛切按色010 ob oh “心 OS KO图2-6 5台水泵时两种控制方式水泵效率变化规律如图26、27、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。0.0

10、a与0 6-差D二诗走压餐衣赢切换点.一束宅遂凰王.4a耒堆走亘抗菖聂切突兰人一0.40.60.81.0汽量比图2-7 5台水泵并联时两种控制方式转速比变化规律图2-8 5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

11、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

12、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09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

13、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31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也值较大，末端定阻抗控制方式下S。值较小。(2)冷水机组与水泵

14、运行台数一定时，在定压差控制方式下，随着流量比的减小，S。值会逐渐增大。在末端定阻抗控制方式下， S。值保持不变。(3)在关闭一台冷水机组后，S。值会突然增大；而在关闭一台水泵后，SO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5 5.66393273 Xio'K/in'，所以在水泵变频运行过程中，应该使单泵的S。值大于S的值。图 中，定压差控制方式下，单泵的So值都大于8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Q.41 3台水 泵切换为2台水泵的时候，运行中的S。值已经小于S值0.00 20.40.6O SE0图3-

15、1额定流量法切换台数时SO的变化规律0-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v N 二 PgQH -氛3600x1000/;A式中：%电机的效率才%一频器

16、的效率。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nm的变化范围为92趴94%变频器效率nv的变 化范围为83趴95%当转速比大于0.4切变 化幅度不大时，可认为n m与n v保持不变，可忽略n m与n v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

17、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n入n max与水泵转速n) n mm，其中人在 0.90.95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n入n max且转速nn mm，水泵台数保 持不变；(2)当转速n) n mm，但n小于n mm，即效率不满足要求时，判断运 行中S。与设 计工况卜Ses的大小，当SoV Scdes，开启一台水泵；当当ScScdes时5关闭一台水泵5其 中 S"es= n2Hd/Qc2 ；(3) 若 nVn min 5即转速比不满足要求时，关闭一台水泵。其中：n实测的水泵效率(；n max水泵的最图效率( ；H

18、d系统设计工况点扬程(mHO);Q-系统设计工况点流量(m/h )；So实际运行中单泵的扬程与流量平方的比值(mH2) Sodes设计工况下单泵的扬程与流量平方的比值(mH2) 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，令人=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036

19、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32前三幅图所示，为流量比在0360,78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0.360.78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32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。4 B基于水泵启攵率的台数切换相对于4-10两种台数切换育式下水泵 转谨比的变化规徉82- 4I3. 76-15 武 .70?Z btB 4-11两种告数切换育式下水泵改率的变化规徉流量比图牛12两种台数切换方式下水伶统