CN101509680B - 调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法 - Google Patents

Abstract

调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法。它涉及变流量供热系统的控制领域。它针对现有方法中所存在的能耗高、调节不合理和不变应用的缺点。步骤如下：首先对控制器进行初始化；其次计算m-1个切换点；最后进行运行水泵台数切换；随着管网流量的变化，若某一时刻管网的总流量值等于计算所得到的切换点处的流量值，则控制器向水泵变频调速器发出指令，进行切换，否则就继续进行多台泵并联同步变频调速运行。本发明适用于采用多台循环水泵并联运行的变流量供热系统。该方式是以水泵的总体能耗作为目标函数的，保证了水泵始终在能耗最低的工况下运行，所以按照该方式运行可使能耗达到最小，并且实现方法简便易行。与传统的相比较节能10％-15％。

Description

调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法

技术领域

本发明涉及变流量供热系统的控制领域。

背景技术

对于变流量供热系统，水泵并联采用定速运行，存在着能量的大量浪费。

非同步变速方案虽然在一定程度上可以减小对变频器的投资，但是其运行相当复杂，如果操作不当，不但不会节能，反而会使系统能耗更高。

在整个供暖季中始终采用多台水泵变频调速也是不合理的，不节能的。

在采用变速调节和运行台数控制的协同调节方法中，当单台水泵提供流量满足要求就采用单台水泵运行的调节方式存在不合理性。

根据流量-功率曲线确定并联水泵运行点的方法，解法复杂，不便应用。

发明内容

本发明针对变流量供热系统中，循环水泵采用变转速和变台数协同调节的运行方法中所存在的能耗高、调节不合理和不变应用的缺点，而提出了调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法。

本发明的步骤如下：

步骤一：对控制器进行初始化；将所选型号水泵样本中提供的单台水泵在额定转速n₀下运行工况点的流量、扬程、功率和效率值输入到控制器中，控制器通过最小二乘法拟合得到单台水泵的特性曲线；控制器再分别得到i台水泵并联同步变频调速时的特性曲线；然后将热网管网的设定流量和设定流量下的管网阻力输入到控制器中，控制器计算得到管网的阻力特性曲线；最后将水泵电机和水泵变频器的效率输入到控制器中，完成控制器的初始化，其中1≤i≤m台，i是正在运行的水泵的台数，m为热网管网中水泵的总台数；

步骤二：计算m-1个切换点；将步骤一中得到的i台水泵并联同步变频调速时的特性曲线和管网的阻力特性曲线、以及水泵台数切换点处的约束条件联立求解获得水泵的m-1个切换点，及每个切换点处的参数；

步骤三：进行运行水泵台数切换；在运行过程中，控制器通过流量计实时采集管网的循环流量值，并从水泵变频调速器中采集并记录水泵的流量、转速、电流、电压、运行台数值；随着管网流量的变化，若某一时刻管网的总流量值等于计算所得到的切换点处的流量值，则控制器向水泵变频调速器发出指令，进行台数切换，否则就继续进行i台泵并联同步变频调速运行。

本发明适用于采用多台循环水泵并联运行的变流量供热系统。通过对水泵、电机、变频器、管网系统的已知参数的处理，得到各流量下水泵的最佳运行状态，指导水泵的运行，使管网循环水泵的能耗达到最低。该运行控制方式是以水泵的总体能耗作为目标函数的，与现在通用的各种调节方式相比较，在不增加投资的情况下，保证了水泵始终在能耗最低的工况下运行，所以按照该方式进行运行可使能耗达到最小，并且实现方法简便易行。与传统的调节方式相比较，节能达到10％-15％。

附图说明

图1为调节同步变速变流量供热系统的结构示意图；图2为单台水泵1变速调节和两台并联变速泵的能耗对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤如下：

步骤一：对控制器4进行初始化；将所选型号水泵1样本中提供的单台水泵1在额定转速n₀下运行工况点的流量、扬程、功率和效率值输入到控制器4中，控制器4通过数学方法拟合得到单台水泵1的特性曲线；控制器4再分别得到i台水泵1并联同步变频调速时的特性曲线；然后将热网管网的设定流量和设定流量下的管网阻力输入到控制器4中，控制器4计算得到管网的阻力特性曲线；最后将水泵电机和水泵变频器的效率输入到控制器4中，完成控制器4的初始化，其中1≤i≤m台，i是正在运行的水泵的台数，m为热网管网中水泵1的总台数；

步骤二：计算m-1个切换点；将步骤一中得到的i台水泵1并联同步变频调速时的特性曲线和管网的阻力特性曲线、以及水泵1台数切换点处的约束条件联立求解获得水泵1的m-1个切换点，及每个切换点处的参数；

步骤三：进行运行水泵1台数切换；在运行过程中，控制器4通过流量计3实时采集管网的循环流量值，并从水泵变频调速器2中采集并记录水泵1的流量、转速、电流、电压、运行台数值；随着管网流量的变化，若某一时刻管网的总流量值等于计算所得到的切换点处的流量值，则控制器4向水泵变频调速器2发出指令，进行台数切换，否则就继续进行多台泵并联同步变频调速运行。

具体实施方式二：本实施方式是对于具体是实施方式一中的步骤一的进一步说明，步骤一是将所选型号水泵1样本中提供的单台水泵1在额定转速n₀下运行工况点的流量、扬程、功率和效率值输入到控制器4中；控制器4用最小二乘法对输入的数据进行多项式拟合，多项式的形式如公式1：

$\left\{\begin{array}{c}H=H_0+A_{1}Q+A_2{Q}^2\\ N=N_0+B_{1}Q+B_2{Q}^2\\ \mathrm{\η}=C_{0}Q+C_1{Q}^2+C_2{Q}^3\end{array}\right.---\left(1\right)$

通过上述拟合就可以得到式中系数A₁、A₂、B₁、B₂、C₀、C₁、C₂的值，从而得到所选型号的单台水泵1在额定转速n₀下的特性曲线，然后根据相似定律得到单台水泵1在任意转速n下的的Q-H、Q-N、Q-η特性曲线，如公式2：

$\left\{\begin{array}{c}H=H_0{k}^2+A_1\mathrm{kQ}+A_2{Q}^2\\ N=N_0{k}^3+B_1{k}^{2}Q+B_{2}k{Q}^2\\ \mathrm{\η}=\frac{C_0}{k}Q+\frac{C_1}{k^2}{Q}^2+\frac{C_2}{k^3}{Q}^3\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中Q——单台水泵变频调速运行的流量值，m³/h；

H——单台水泵变频调速运行的扬程，mH₂O

N——单台水泵变频调速运行的功率，kW；

η——单台水泵变频调速运行的效率，％；

κ——调速比，

控制器4从水泵变频调速器2中采集水泵1运行台数值为i(1≤i≤m)台，然后根据多台水泵1并联运行的特点就能得到i(1≤i≤m)台同型号水泵1并联同步变频调速的特性曲线如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_i=H_0{\mathrm{\κ}}^2+\frac{A_1}{i}\mathrm{\κ}{Q}_i+\frac{A_2}{i^2}\mathrm{\κ}{Q_i}^2\\ N_i=i{H}_0{\mathrm{\κ}}^3+B_1{\mathrm{\κ}}^2{Q}_i+\frac{B_2}{i}\mathrm{\κ}{Q_i}^2\\ {\mathrm{\η}}_i=\frac{C_0}{\mathrm{i\κ}}{Q}_i+\frac{C_1}{i^2{\mathrm{\κ}}^2}{Q_i}^2+\frac{C_2}{i^3{\mathrm{\κ}}^3}{Q_i}^3\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中Q_i——i台水泵并联同步变频调速运行的总流量，m³/h；

H_i——i台水泵并联同步变频调速运行的扬程，mH₂O

N_i——i台水泵并联同步额定转速运行的总功率，kW；

η_i——i台水泵并联同步额定转速运行的效率，％；

κ——调速比，

公式2和公式3中的系数A₁、A₂、B₁、B₂、C₀、C₁、C₂采用公式1得到的系数值；

管网的阻力特性曲线公式：

H_i＝H_ST+SQ_i ²                                   (4)

H_ST-对于采用末端压差控制的管网，应保证的末端压差值，为一常数。

S-管网的阻力特性系数

水泵电机的效率公式：

η_d＝0.94187×(1-e^-9.04k)                      (5)

水泵变频器的效率公式：

η_V＝0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³             (6)

输入信息完成控制器4的初始化；其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式是对于具体是实施方式一中的步骤二的进一步说明，步骤二是将管网的设计工况点参数输入到控制器4，根据公式4可以得到管网的阻力特性曲线公式中的管网的阻力特性系数S，再将公式5得到的水泵电机的效率和公式6得到水泵变频器的效率的输入到水泵变频调速器2中，水泵1进行切换时应满足流量、扬程和效率相等的条件：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_i=Q_{i-1}\\ H_i=H_{i-1}\\ \frac{N_i}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{di}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{vi}}}=\frac{N_{i-1}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{di}-1}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{vi}-1}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

联立公式3、公式4、公式5、公式6、公式7并求解就能得到第i(1≤i≤m)台与第i-1(1≤i≤m)台切换点的流量值，

式中：Q_i、Q_i-1——i、i-1台切换点处变频泵并联运行提供的流量；

H_i、H_i-1——i、i-1台切换点处变频泵并联运行提供的扬程；

N_i、N_i-1——i、i-1台切换点处变频泵并联运行的能耗；

η_di、η_di-1——i、i-1台水泵并联变频调速时电机的效率；

η_Vi、η_Vi-1——i、i-1台水泵并联变频调速时变频器的效率。

由于系统总的水泵1台数为m台，随着系统流量的减少，水泵1的运行台数可由m台减少到1台，所以存在着m-1个切换点，依次联立求得水泵1的m-1个切换点；其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式是对于具体是实施方式一中的步骤三的进一步说明，步骤三为防止由于流量的波动造成的水泵1频繁启停，设定切换点前后5％的范围为非动作区，并且设定两次切换之间的最小时间差为10分钟，即只有当管网流量比计算得到的切换点大0.05倍的切换点流量或小0.05倍的切换点流量，且距上次切换时间大于10分钟时才进行水泵1台数的切换。至于先停或者先启动哪台水泵1可在控制器4中进行人为设定。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同点在于增加了步骤四，步骤四：水泵1运行参数的实时监测和水泵1、管网特性曲线的在线修改；在运行过程中控制器4采集并记录水泵1的运行参数，水泵1的运行参数为流量、转速、扬程、电流和电压的值，根据水泵1的运行参数拟合得到的水泵1和管网的特性曲线进行在线修改，通过修改后的特性曲线计算切换点流量，返回步骤三实施切换。在运行过程中进行了运行参数的实时检测和记录，用实际运行值对理论计算值进行修正能更好的指导水泵1运行，从而确保得到正确的切换点参数，保证并联水泵1在总体运行能耗最低的状态下运行。其它步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的应用环境为：建筑面积为130万m²，采用锅炉房集中供热，采暖循环水泵采用变频调速；设定供回水温度为95/70℃，根据住宅采暖节能标准采暖设计热负荷指标不宜超过32W/m²，求得设定工况下系统所需流量1450m³/h，所需水泵扬程为43mH₂O，供热系统采用末端压差控制，用户调节一致时管网特性曲线方程表示为：

H＝5+1.8074e-0.05Q²

循环水泵选择两台双吸Slow200-400I型离心变速泵，其基本参数为扬程40mH₂O，流量990m³/h，额定转速1480r/min，来满足要求。由上述所给数据进行最小二乘拟合，拟合得到的水泵性能曲线为：

H＝66.31κ²-0.0040084κQ-2.2003e-0.05Q²

N＝95.48κ³+0.0015036κ²Q+3.7451e-0.05κQ²

$\mathrm{\η}=\frac{0.242}{\mathrm{\κ}}Q-\frac{1.707e-0.04}{{\mathrm{\κ}}^2}{Q}^2+\frac{5.946e-0.09}{{\mathrm{\κ}}^3}{Q}^3$

则两台该型号离心变速泵并联同步调速运行的H-Q、N-Q、η-Q特性曲线方程：

$H=66.31{\mathrm{\κ}}^2-\frac{0.0040084}{2}\mathrm{\κQ}-\frac{2.2003e-0.05}{2^2}{Q}^2$

$N=95.48\×2\×{\mathrm{\κ}}^3+0.0015036{\mathrm{\κ}}^{2}Q+\frac{3.7451e-0.05}{2}\mathrm{\κ}{Q}^2$

$\mathrm{\η}=\frac{0.242}{2\×\mathrm{\κ}}Q-\frac{1.707e-0.04}{2^2\×{\mathrm{\κ}}^2}{Q}^2+\frac{5.946e-0.09}{2^3\×{\mathrm{\κ}}^3}{Q}^3$

得到如下方程组，解下面的方程组，可以得到切换点的流量为551m³/h。所以当热网流量大于551m³/h时采用两台水泵同步变频调速运行，当热网流量小于551m³/h时采用单台水泵调速运行。

$\left\{\begin{array}{c}66.31{{\mathrm{\κ}}_2}^2-\frac{0.0040084}{2}{\mathrm{\κ}}_{2}Q-\frac{2.2003e-0.05}{2^2}{Q}^2=5+1.8074e-0.05Q^2\\ 66.31{{\mathrm{\κ}}_1}^2-0.0040084{\mathrm{\κ}}_{1}Q-2.2003e-0.05Q^2=5+1.8074e-0.05Q^2\\ \frac{95.48\×2\×{{\mathrm{\κ}}_2}^3+0.0015036{{\mathrm{\κ}}_2}^{2}Q+\frac{3.7451e-0.05}{2}{\mathrm{\κ}}_2{Q}^2}{0.94187\×(1-e^{-9.04{\mathrm{\κ}}_2})(0.5087+1.283{\mathrm{\κ}}_2-1.42{{\mathrm{\κ}}_2}^2+0.5834{{\mathrm{\κ}}_2}^3)}=\\ \frac{95.48{{\mathrm{\κ}}_1}^3+0.0015036{{\mathrm{\κ}}_1}^{2}Q+3.7451e-0.05{\mathrm{\κ}}_1{Q}^2}{0.94187\×(1-e^{-9.04{\mathrm{\κ}}_1})(0.5087+1.283{\mathrm{\κ}}_1-1.42{{\mathrm{\κ}}_1}^2+0.5834{{\mathrm{\κ}}_1}^3)}\end{array}\right.$

根据图2中为当热网流量降低到一台泵可以提供的流量990m³/h后，在满足系统供热要求的前提下，分别采用单台水泵调速和两台变速泵并联同步调速运行的能耗曲线，单台水泵调速运行的能耗为N₁，两台水泵并联同步调速的能耗为N₂。从图2可以看出N₁曲线和N₂曲线存在一个交点A，A点右侧：N₁＞N₂，A点左侧：N₁＜N₂，所以本专利中把A点作为水泵运行台数的切换点，即系统流量小于A点流量时，采用单台水泵调速运行，当系统流量大于A点流量后，采用两台水泵并联变速调节，便可始终保持水泵能耗最低，最大限度地实现节能，图中阴影面积就是采用这种控制方式节约的能耗。

通过上面的公式计算单台水泵和两台水泵在一些流量值点处的流量比的能耗值：

表1单台水泵调速运行的参数值

表2变速泵并联同步调速运行时相对性能参数

表中

表示实际流量与设计工况流量1450m³/h的比值，是为了计算简便引入的量，则A点的流量比为0.38，单台水泵的额定流量990m³/h与管网设计流量比为0.68。由于变频调速时能耗的计算较麻烦，而且整个采暖季水泵的运行规律也不容易得到，所以可采用下面的方法进行节能计算。

从图2中可以看出，单台泵运行和两台泵运行的流量比-能耗曲线为抛物线，所以用二次多项式拟合上述数据，得到单台水泵和两台水泵的流量比-能耗曲线如下：

拟合相关系数0.9981，

拟合相关系数R-square：0.9985，

则平均节能率为：

$\frac{\underset{0.38}{\overset{0.68}{\∫}}(105.9{\stackrel{\‾}{Q}}^2-39.96\stackrel{\‾}{Q}+0.02)}{\underset{0}{\overset{0.68}{\∫}}(340.4{\stackrel{\‾}{Q}}^2-97.81\stackrel{\‾}{Q}+11.57)+\underset{0.68}{\overset{1}{\∫}}(234.5{\stackrel{\‾}{Q}}^2-57.85\stackrel{\‾}{Q}+11.52)}=13.45\%$

平均节约功率为：

$\frac{\underset{0.38}{\overset{0.68}{\∫}}(105.9{\stackrel{\‾}{Q}}^2-39.96\stackrel{\‾}{Q}+0.02)}{0.68-0.38}=9.38\mathrm{kW}$

运行一个采暖季180天，假设这其中有三分之一的时间在流量比为0.38到0.68之间，则节约能耗为：

目前哈尔滨地区工业用电按照0.53元/度计算，一个采暖季节约电费：

13507×0.53＝7159元

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

Claims (5)

1.调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法，其特征在于它的步骤如下：

步骤一：对控制器(4)进行初始化；将所选型号水泵(1)样本中提供的单台水泵(1)在额定转速n₀下运行工况点的流量、扬程、功率和效率值输入到控制器(4)中，控制器(4)通过最小二乘法拟合得到单台水泵(1)的特性曲线；控制器(4)再分别得到i台水泵(1)并联同步变频调速时的特性曲线；然后将热网管网的设定流量和设定流量下的管网阻力输入到控制器(4)中，控制器(4)计算得到管网的阻力特性曲线；最后将水泵电机和水泵变频器的效率输入到控制器(4)中，完成控制器(4)的初始化，其中1≤i≤m台，i是正在运行的水泵的台数，m为热网管网中水泵(1)的总台数；

步骤二：计算m-1个切换点；将步骤一中得到的i台水泵(1)并联同步变频调速时的特性曲线和管网的阻力特性曲线、以及水泵(1)台数切换点处的约束条件联立求解获得水泵(1)的m-1个切换点，及每个切换点处的参数；

步骤三：进行运行水泵(1)台数切换；在运行过程中，控制器(4)通过流量计(3)实时采集管网的循环流量值，并从水泵变频调速器(2)中采集并记录水泵(1)的流量、转速、电流、电压、运行台数值；随着管网流量的变化，若某一时刻管网的总流量值等于计算所得到的切换点处的流量值，则控制器(4)向水泵变频调速器(2)发出指令，进行台数切换，否则就继续进行i台水泵并联同步变频调速运行。

2.根据权利要求1所述的调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法，其特征在于，步骤一中，将所选型号水泵(1)样本中提供的单台水泵(1)在额定转速n₀下运行工况点的流量、扬程、功率和效率值输入到控制器(4)中；控制器(4)用最小二乘法对输入的数据进行多项式拟合，多项式的形式如公式1：

通过上述拟合就可以得到式中系数A₁、A₂、B₁、B₂、C₀、C₁、C₂的值，从而得到所选型号的单台水泵(1)在额定转速n₀下的特性曲线，然后根据相似定律得到单台水泵(1)在任意转速n下的的Q-H、Q-N、Q-η特性曲线，如公式2： 

式中Q——单台水泵变频调速运行的流量值，m³/h；

    H——单台水泵变频调速运行的扬程，mH₂O；

    N——单台水泵变频调速运行的功率，kW；

    η——单台水泵变频调速运行的效率，％；

    κ——调速比， 

控制器(4)从水泵变频调速器(2)中采集水泵(1)运行台数值为i台，然后根据多台水泵(1)并联运行的特点就能得到i台同型号水泵(1)并联同步变频调速的特性曲线如下式所示：

式中Q_i——i台水泵并联同步变频调速运行的总流量，m³/h；

H_i——i台水泵并联同步变频调速运行的扬程，mH₂O

N_i——i台水泵并联同步额定转速运行的总功率，kW；

η_i——i台水泵并联同步额定转速运行的效率，％；

κ——调速比， 

公式2和公式3中的系数A₁、A₂、B₁、B₂、C₀、C₁、C₂采用公式1得到的系数值；

管网的阻力特性曲线公式：

H_i＝H_ST+SQ_i ²                         (4)

H_ST-对于采用末端压差控制的管网，应保证的末端压差值，为一常数；

S-管网的阻力特性系数

水泵电机的效率公式：

η_d＝0.94187×(1-e^-9.04k)                 (5) 

水泵变频器的效率公式：

η_V＝0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³              (6)

输入信息完成控制器(4)的初始化。

3.根据权利要求1所述的调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法，其特征在于步骤二，将管网的设计工况点参数输入到控制器(4)，根据公式4可以得到管网的阻力特性曲线公式中的管网的阻力特性系数S，再将公式5得到的水泵电机的效率和公式6得到水泵变频器的效率的输入到水泵变频调速器(2)中，水泵(1)进行切换时应满足流量、扬程和效率相等的条件：

联立公式3、公式4、公式5、公式6、公式7并求解就能得到第i台与第i-1台切换点的流量值，

式中：Q_i、Q_i-1——i、i-1台切换点处变频泵并联运行提供的流量；

      H_i、H_i-1——i、i-1台切换点处变频泵并联运行提供的扬程；

      N_i、N_i-1——i、i-1台切换点处变频泵并联运行的能耗；

      η_di、η_di-1——i、i-1台水泵并联变频调速时电机的效率；

      η_Vi、η_Vi-1——i、i-1台水泵并联变频调速时变频器的效率。

4.根据权利要求1所述的调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法，其特征在于步骤三，水泵(1)设定切换点前后5％的范围为非动作区，并且设定两次切换之间的最小时间差为10分钟，即只有当管网流量比计算得到的切换点大0.05倍的切换点流量或小0.05倍的切换点流量，且距上次切换时间大于10分钟时才进行水泵(1)台数的切换。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的调节同步变速变流量供热系统中水泵台数的节能控制方法，其特征在于增加了步骤四，步骤四：水泵(1)运行参数的实时监测和水泵(1)、管网特性曲线的在线修改；在运行过程中控制器(4)采集并记录水泵(1)的运行参数，水泵(1)的运行参数为流量、转速、扬程、电流和电压的值，根据水泵(1)的运行参数拟合得到的水泵(1)和管网的特性曲线进行在线修改，通过修改后的特性曲线计算切换点流量，返回步骤三实施切换。 

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