1、多臺并聯水泵運行臺數切換方式與效率的關系多臺并聯水泵運行臺數切換方式與效率的關系目 錄一、研究背景31.1水泵變頻控制方式及存在的問題3二、傳統臺數切換方式下水泵并聯同步調速特性分析42.1四臺水泵并聯同步變速運行特性分析42.2五臺水泵并聯同步變速運行特性分析7三、基于水泵效率的臺數切換方式的提出與分析103.1傳統水泵臺數切換方式的不合理性分析103.2 基于水泵效率的水泵臺數切換方式的提出123.3 兩種臺數切換方式下水泵性能的比較13四、總結14一、研究背景作為我國工農業領域主要的耗電設備之一，水泵被廣泛應用于建筑、城市給排水、石油化工、動力工業、火力發電、船舶工業以及冶金采礦等領域，

2、其耗電量占全國總發電量的20%左右。目前，在建筑系統中，水泵與風機等輸送設備的電力消耗約占我國城鎮建筑運行電耗的10%以上。江億指出：在大型公共建筑供熱空調電力消耗的實測中，水泵與風機的電力消耗約占60%70%左右。目前水泵的最高效率一般能達到75%85%，但是在運行過程中，大多數水泵的效率在30%50%之間，比發達國家水泵運行效率要低很多，能耗浪費比較嚴重，運行效率有較大的提升空間。綜上可見，水泵等設備的輸送能耗占各供熱空調系統總能耗比例較大，而且節能潛力巨大。1.1水泵變頻控制方式及存在的問題在較大的供熱空調系統中，往往單臺泵不能滿足系統要求，需要多臺水泵 并聯或串聯運行，以達到流量要求。

3、由于多級泵的發展，水泵串聯在工程實際 中很少應用，多臺水泵并聯運行應用的則較多。 在很多系統中，水泵往往和冷熱源主機進行串聯連鎖控制。冷熱源根據一 定的方式進行啟停控制，當冷熱源停止運行，則相應管路上串聯的水泵也會停止運行。當水泵不與冷熱源進行連鎖控制時，多臺水泵并聯運行，大部分的臺數切 換控制方式是這樣的，以兩臺水泵并聯運行為例：當負荷降低時，系統所需流 量減少，則逐漸降低兩臺水泵的轉速，調節系統流量，當流量減少到正好為單 臺水泵在額定工況下的流量時，在此轉速下運行一段時間，然后關閉其中一臺 水泵，另一臺水泵重新回到額定轉速下運行。此切換方式沒有考慮水泵變頻在 切換前后各性能參數的變化，也沒

4、考慮到切換之后水泵運行是否會更節能。二、傳統臺數切換方式下水泵并聯同步調速特性分析本節以單級泵變流量系統（負荷側變水量、蒸發器側變水量）為例，分析 “多泵共用”形式下，采用傳統水泵臺數切換方式時，不同變頻控制方式下水 泵性能隨著冷水機組與水泵臺數切換的變化規律。2.1四臺水泵并聯同步變速運行特性分析若水泵設計臺數為 4 臺時，選擇格蘭富 TP 型水泵，型號為 TP200-510/4， 額定流量為 600m3/h，額定揚程為 33.9mH2O。 由于變頻水泵與冷水機組臺數一致，在此忽略調節過程及時間，并認為控 制足夠精確，變頻水泵和冷水機組同時切換。 如圖 4-1 所示，為并聯變頻水泵采用傳統水

5、泵臺數切換方式時，供回水干 管定壓差控制與末端定阻抗控制方式運行下水泵能耗的變化規律。圖 2-1 表示 末端定阻抗控制方式相對于干管定壓差控制方式的節能率圖2-1兩種控制方式下能耗變化規律圖2-2末端定阻抗控制相對于干管定壓差控制方式的節能率變化規律從圖2-2中可以看出： （1）在 4 臺水泵并聯變速運行過程中，末端定阻抗控制方式比供回水干管 定壓差控制方式要更加節能，并且隨著負荷的降低，流量比的逐漸減小，節能 率呈增大趨勢。 （2）在運行過程中，水泵能耗及節能率曲線是分段的，跳躍的，這是由冷水機組與水泵臺數切換造成的，分段跳躍點即為冷水機組與水泵臺數切換點。 如圖 4-3 所示，為冷水機組與

6、水泵臺數示意圖。 （3）在關閉一臺冷水機組與水泵后，水泵能耗急劇增大，節能率急劇降低。 分析其原因： 初始時，冷水機組全部處于部分負荷下運行，關閉一臺后，剩余冷水機組 全部回到額定狀態下工作，不再處于部分負荷。這時，由于冷水機組臺數的減 少，冷源處的管路阻抗會增大，致使整個管路的阻抗增大，因此在相同運行 流量下，水泵能耗會增大。 圖2-3冷水機組與水泵臺數示意圖圖2-4兩種控制方式轉速比變化規律 圖2-5兩種控制方式水泵效率變化規律如圖 2-4、2-5 所示，為并聯水泵變頻運行下的轉速比、水泵效率隨著流量 比的變化規律。 從圖中可知：（1）末端定阻抗控制方式下的并聯水泵轉速比與運行效率要比供回

7、水干管 定壓差控制方式下小。 （2）供回水干管定壓差控制方式下的并聯水泵轉速比都保持在 0.71 之 間，運行比較穩定，水泵效率較高，始終都處于 76%以上，在高效區間內運行。 （3）而末端定阻抗控制方式下的水泵變頻轉速比比較低，轉速變化速率較 快，兩臺水泵變頻運行后期，轉速比已經低于 0.4，這也造成了末端定阻抗控 制方式下并聯水泵的能耗雖然比較小，但是效率也較低的現象。 （4）在水泵與冷水機組運行臺數一定時，隨著流量的減小，供回水干管定 壓差控制方式下，水泵效率一般先增大，后減小；而末端定阻抗控制方式下， 管網總阻抗保持不變，所以水泵效率也保持不變。 （5）在關閉一臺冷水機組與水泵后，水泵

8、轉速比增加，運行效率降低。2.2五臺水泵并聯同步變速運行特性分析當水泵臺數與冷水機組臺數相同時，由于兩者同時進行臺數切換，切換前 后性能發生變化，是兩者臺數切換的共同作用，并不能確切地了解兩者分別單獨作用下會對水泵并聯變頻運行產生怎樣的影響。因此，本小節中，令水泵臺數與冷水機組臺數不同，分析多臺水泵并聯變頻運行性能變化規律。其他條件不變，設水泵臺數為 5 臺，則選取的水泵型號為 TP200-450，額 定流量為 470m3/h，額定揚程為 32mH2O。圖2-6 5 臺水泵時兩種控制方式水泵效率變化規律 如圖 2-6、2-7、2-8 所示，為 5 臺水泵并聯變頻運行下水泵效率、轉速比與能耗隨著

9、流量比的變化規律。圖中，分段跳躍點為水泵或冷水機組的臺數切 換點，共有 7 個，即水泵和冷水機組切換臺數總共 7 次。在切換點處為空心的 表示水泵臺數切換點，有 4 個；切換點處為實心的表示冷水機組臺數切換點。圖2-7 5 臺水泵并聯時兩種控制方式 轉速比變化規律圖2-8 5 臺水泵并聯時兩種控制方式 水泵能耗變化規律從上述圖中可以得出： （1）當水泵臺數與冷水機組臺數不同時，系統設備切換次數較多，系統運 行波動較多，不穩定。 （2）隨著流量比的減小，無論是水泵還是冷水機組，每關閉一臺設備后， 兩種控制方式的轉速比都會增大。 當關閉一臺冷水機組后，單臺水泵的流量不變，但是系統阻抗變大，所需 揚

10、程增大，所以轉速增大；當關閉一臺水泵后，水泵揚程不變，但是單臺水泵 的流量變大，所以轉速也增加。 （3）在干管定壓差控制方式下，每關閉一臺水泵或冷水機組，水泵效率可 能增大，可能減小，無特定變化規律。 （4）在末端定阻抗控制方式下，每關閉一臺水泵，水泵效率降低，每關閉 一臺冷水機組，水泵效率升高。由于效率減小的幅度比效率增加的幅度要大， 所以在水泵與冷水機組一起關閉后時，水泵的效率是減小的，但是變化的幅度 不如兩種設備單獨進行臺數切換時幅度變化大。所以說，水泵設計臺數為 4 臺 時，設備臺數切換前后效率的規律性變化是兩種設備共同作用的結果。 （5）無論是哪種控制方式，當關閉一臺冷水機組時，能耗

11、增加幅度較大。 而當關閉一臺水泵后，兩種控制方式下能耗的變化都非常小，可以忽略。所以說，在多臺水泵多臺冷水機組變流量運行中，隨著流量的減小，關閉 一臺冷水機組會使水泵輸送能耗增大，而水泵臺數切換則對水泵能耗基本沒有 影響。三、基于水泵效率的臺數切換方式的提出與分析3.1傳統水泵臺數切換方式的不合理性分析并聯水泵變頻運行的傳統水泵臺數切換方式的不合理性主要有以下兩點： （1）該臺數切換方式未能完全發揮出水泵變頻節能的優勢從5臺水泵運行下的效率-流量比圖中可知，在供回水干管定壓差控制中，當5臺水泵轉換為4臺水泵時，轉速比從0.9增至0.95，水泵效率從81.8%變為81%；當4臺水泵轉換為3臺水泵

12、時，轉速比從0.88增至0.94，水泵效率從81.5%變為80.9%。在末端定阻抗控制方式中，當5臺水泵轉換為4臺水泵時，轉速比從0.8變為0.85，水泵效率從81.6%變為78.9%。可以看出，在水泵轉速比還沒下降到下限，而水泵效率依舊很高的時候，就進行了水泵臺數切換。所以說，以單臺水泵額定流量來切換水泵臺數的傳統水泵臺數切換方式未能將水泵變頻節能的優勢完全發揮出來，這種臺數切換控制方式是不太合理的。（2）水泵變頻采用末端定阻抗控制方式時，采用該臺數切換方式容易導致水泵與冷水機組運行臺數不匹配的現象。如圖 3-1 所示，為 5 臺水泵并聯變頻運行時傳統水泵臺數切換方式下S0 的 變化曲線。

13、從圖中可以看出： （1）5 臺水泵并聯變頻運行過程中，供回水干管定壓差控制方式下S0 值較 大，末端定阻抗控制方式下 S0值較小。 （2）冷水機組與水泵運行臺數一定時，在定壓差控制方式下，隨著流量比 的減小， S0值會逐漸增大。在末端定阻抗控制方式下， S0值保持不變。 （3）在關閉一臺冷水機組后，S0值會突然增大；而在關閉一臺水泵后， S0值會突然減小。 由于在 5 臺水泵并聯變頻運行時，單泵變頻的 S1 值為 5 5.66393273×10-5h2/m5，所以在水泵變頻運行過程中，應該使單泵的S0值大于 S1 的值。 圖中，定壓差控制方式下，單泵的 S0值都大于S1的值，所以水泵

14、變頻運行 都在變頻調速范圍之內。而末端定阻抗控制方式下，在流量比為 0.41，3 臺水 泵切換為 2 臺水泵的時候，運行中的S0值已經小于S1值圖3-1 額定流量法切換臺數時 S0 的變化規律所以，在水泵變頻末端定阻抗控制方式下，采用傳統水泵臺數切換方式可 能使得水泵運行超出變頻調速范圍，使水泵不能正常工作。也就是說，在末端 定阻抗控制方式下以傳統水泵臺數切換方式進行臺數切換是不合理的。由于傳統水泵臺數切換的上述不合理性，在水泵變頻末端定阻抗控制方式 基礎上，孟娜提出一種基于水泵效率的臺數切換技術，該臺數切換技術可以使 并聯水泵在變頻運行過程中永遠保持高效運行，而且不會出現水泵變頻運行超 出變

15、頻調速范圍的現象。3.2 基于水泵效率的水泵臺數切換方式的提出根據水泵能耗計算公式 可知，在水泵流量一定的前提下，水泵能耗大小主要取決于水泵運行的揚程、效率，變頻器效率，電機效率等的大小， 水泵揚程可以通過變頻控制方式調低，變頻器與電機效率只取決于轉速比，當轉速比大于 0.4 時，電動機效率 m的變化范圍為 92%94%，變頻器效率v的變 化范圍為 83%95%。當轉速比大于 0.4 切變化幅度不大時，可認為 m與v保持不變，可忽略 m與v對水泵能耗的影響，而從第二章中對水泵變頻最低轉速分析中，可知，水泵變頻運行時轉速比基本上都會大于 0.4。這時，水泵能耗大小基本上取決于水泵效率的大小。 因

16、此，本節中提出依據水泵運行效率來進行水泵臺數切換的方法。為了減 小由于水泵曲線擬合造成的誤差，在此對高效區間范圍量化為：同時滿足水泵效率 max與水泵轉速 min，其中在 0.90.95 之間。高效區間法臺數切換方式控制過程如下：（1）當實際運行中水泵效率 max且轉速 min，水泵臺數保持不變； （2）當轉速 min，但小于 min，即效率不滿足要求時，判斷運行中 S0與 設計工況下 S0des 的大小，當S0 S0des ，開啟一臺水泵；當當S0 S0des時，關閉一臺 水泵，其中S0des=n2Hd/Qd2 ； （3）若 min，即轉速比不滿足要求時，關閉一臺水泵。 其中： 實測的水泵效

17、率（%）； max水泵的最高效率（%）；Hd系統設計工況點揚程（mH2O）； Qd系統設計工況點流量（m3/h）； S0實際運行中單泵的揚程與流量平方的比值（mH2O）； S0des設計工況下單泵的揚程與流量平方的比值（mH2O）； n設計工況下并聯水泵總臺數。 3.3 兩種臺數切換方式下水泵性能的比較計算分析設計工況下水泵臺數為 4 臺，水泵變頻采用末端定阻抗控制方式 時，并聯水泵采用傳統水泵臺數切換方式和基于水泵效率的水泵臺數切換方式 時的水泵性能的變化規律。 設系統最小流量比為 0.4，令 =90%，則高效區間允許的最低效率值為 73.8%。經計算得知，當流量比小于 0.36，或者大于

18、0.78 時，兩種臺數控制方 式下的水泵運行狀態是一致的；當流量比在 0.360.78 之間時，兩種臺數控制 方式下水泵運行才會有差異。 如圖3-2前三幅圖所示，為流量比在 0.360.78 之間兩種水泵臺數切 換方式下水泵轉速比、水泵效率、能耗隨著流量比的變化規律。圖中，“ ”表 示基于水泵效率臺數切換方式下水泵臺數切換點，由于傳統水泵臺數切換控制 中水泵與冷水機組同時切換，故沒有重點標出。 從圖中可以看出：流量比在 0.360.78 之間時，基于水泵效率的臺數切換 方式下水泵運行轉速較低，水泵效率較高，能耗比額定流量法要低。 如圖 3-2 最后一幅圖所示，為基于水泵效率的臺數切換方式相對于傳統水泵臺數切換 方式的節能率。在流量比大于 0.52 時，節能率維持在 3%左右，流量比在 0.40.52 之間時，節能率隨著流量比的減少從 5%左右降至 3%左右。 圖3-2 兩種臺數切方式下水泵轉速比變化規律上述圖中還可以看出，采用基于水泵