CN103206364B - 一种进行单型号水泵节能运行调度的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进行单型号水泵节能运行调度的方法，包括以下步骤：A、读取水泵参数数据；B、读取实时运行工况数据；C、计算水泵流量‑扬程关系式和流量‑功率关系式；D、计算运行工况下水泵流量，并确定最少的运行水泵数量；E、方案组合筛选；F、计算可行方案的运行能耗并排序。本发明在给定的工况下，根据水泵的流量、扬程、能耗等参数，以及最大工作水泵数量、变频水泵数量、水泵运行范围的最小流量、最大流量等边界条件，对所有能满足运行工况的水泵运行组合方案进行枚举，并对适应水泵运行范围的方案进行筛选，再对可行的方案进行能耗分析，得到能耗最低的水泵组合运行方案，从而解决水泵经济运行的问题，对水泵的运行调度起指导作用。

Description

一种进行单型号水泵节能运行调度的系统及其方法

技术领域

本发明涉及水泵的运行调度。具体涉及一种进行单型号水泵节能运行调度的系统及其调度方法。

背景技术

在市政、水利、石化等行业中大量采用了水泵进行流体的提升或增压，其中，采用数台相同型号水泵并联运行、部分水泵采用变频调速装置是最经常遇到的情况。

水泵的电耗在市政、水利行业往往占了工程总电耗的70%以上，在其他行业的应用中往往也占了相当大部分。在不同运行工况条件时，往往可能有多种水泵数量的组合方案同时满足运行工况要求，而各不同方案组合中水泵运行的工作点不同，其能耗也有差异。以往在工程实际中，操作工人往往仅凭经验，在一定的工况范围内选定某一水泵运行组合，其结果未经理论分析，并不一定是最优化（节能）的水泵运行组合方案。

如何针对实际运行工况快速筛选出所有可行的水泵运行组合方案，并对其能耗进行分析，进而得到优化的水泵节能运行组合方案，从而解决实际运行工况下最经济的水泵运行组合方案的选择这一问题是本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种进行单型号水泵节能运行调度的系统，能够通过给定工况下，根据水泵的流量、扬程、能耗等参数以及水泵装机数量、变频水泵数量等边界条件，筛选出所有能满足运行工况的水泵运行组合方案，并对可行的方案进行能耗分析，得到能耗最小的水泵优化运行组合方案，从而解决水泵经济运行的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种进行单型号水泵节能运行调度的系统，包括进水端和出水端，在进水端和出水端之间并联连接的若干个水泵，其特征在于所述每个水泵分别设有一水泵控制箱，在进水端设有一进水压力表（液位仪），在出水端设有一出水压力表（液位仪），在出水端还设有一流量计，该调度系统还包括一控制单元，该控制单元的数据采集端与所述进水压力表（液位仪）、出水压力表（液位仪）和流量计连接，该控制单元的水泵控制端与各个水泵控制箱连接。

本发明的另一目的在于提供一种进行单型号水泵节能运行调度的方法，能够通过给定工况下，根据水泵的流量、扬程、能耗等参数以及水泵装机数量、变频水泵数量等边界条件，对能满足运行工况的水泵运行方式进行筛选，并对可行的方案进行能耗分析，得到能耗最小的水泵运行组合方案，从而解决水泵经济运行的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种进行单型号水泵节能运行调度的方法，包括以下步骤：A、读取水泵参数数据；B、读取实时运行工况数据；C、计算水泵流量-扬程关系式和流量-功率关系式的系数；D、计算运行工况下水泵流量，并确定最少的运行水泵数量；E、水泵运行组合方案筛选；F、计算可行方案的运行总能耗并排序。

在市政、水利、石化等行业中大量采用了水泵进行流体的提升或增压，其中，采用数台相同型号水泵并联运行、部分水泵采用变频调速装置是最经常遇到的情况。对于有多种水泵数量的组合方案可以同时满足运行工况时，需要确定一个最为节能的方案。由于水泵运行组合方案众多，计算时还遇到大量的反复迭代，费时费力又容易错漏，以往在工程实际中，操作工人往往仅凭经验，在一定的工况范围内选定某一水泵运行组合，其结果未经理论分析，并不一定是最优化（节能）的水泵运行组合方案。

本发明可以在给定的工况下，根据水泵工况点的流量、扬程、能耗等参数，以及最大工作水泵数量、工频水泵数量、变频水泵数量、水泵运行范围的最小流量、最大流量等边界条件，对所有能满足运行工况的水泵运行组合方案进行枚举，并对适应水泵运行范围的方案进行筛选，再对可行的方案进行能耗分析，得到能耗最低的水泵运行组合方案，从而解决水泵经济运行的问题，对水泵的运行调度起指导作用。

附图说明

图1为单型号水泵节能运行调度系统图。

图2为单型号水泵节能运行调度分析流程框图。

图3为水泵特性曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种进行单型号水泵节能运行调度的系统包括进水端和出水端，在进水端和出水端之间并联连接的若干个工频水泵1和变频水泵2，所述每个工频水泵1和变频水泵2均分别设有一水泵控制箱3，在进水端设有一进水压力表（液位仪）4，在出水端设有一出水压力表（液位仪）5，在出水端还设有一流量计6，该调度系统还包括一控制单元7，该控制单元的数据采集端与所述进水压力表（液位仪）、出水压力表（液位仪）和流量计连接，该控制单元的水泵控制端与各个水泵控制箱连接，通过水泵控制箱控制水泵运行，从而对其进行调度。本发明中控制单元的硬件为现有技术，在此不再赘述。本发明中工频水泵和变频水泵均采用相同型号的水泵，仅从运行方式分为额定转速（工频水泵）及可变转速（变频水泵）。

一种进行单型号水泵节能运行调度分析的方法，包括以下步骤：A、读取水泵参数数据；B、读取实时运行工况数据；C、计算水泵流量-扬程关系式和流量-功率关系式的系数；D、计算运行工况下水泵流量，并确定最少的运行水泵数量；E、水泵运行组合方案筛选；F、计算可行方案的运行总能耗并排序；G、输出最优运行方案结果。其中方案组合筛选时，可分两种情况，有变频水泵时，根据运行工况扬程确定工频水泵流量，并根据工频水泵数量确定变频水泵总流量，根据变频水泵数量确定变频水泵流量、扬程，并计算变频水泵的功率及变频率，然后判断水泵流量是否在许可流量内；没有变频水泵时，根据工频水泵数量确定工频水泵流量、扬程、功率，然后判断水泵流量是否在许可流量内。

下面根据本发明的具体实施对本发明的技术方案进行详细说明。

一种进行单型号水泵节能运行调度分析的方法，具体包括以下步骤：

A、读取水泵参数数据，包括单台水泵的数个（不小于3个）流量Q_i、扬程H_i、功率P_i工况点数据，单台水泵最小运行流量Q_min、最大运行流量Q_max，已安装的工频水泵数量N_定，已安装的变频水泵数量N_v，最多允许同时工作的水泵数量N_max（这里的参数数据已建立在计算机内，所有的参数均为现有参数，与已安装水泵对应）。

B、通过流量仪、压力表等数据采集装置获取运行工况的总流量Q_总、扬程H（即出水压力表测得的出水压力减去进水压力表测得的进水压力）。

C、在水泵运行范围内（Q_min～Q_max），水泵流量-扬程关系式为：H=a_h×Q²+b_h×Q+c_h（式1），流量-功率关系式为：P=a_p×Q²+b_p×Q+c_p（式2），其中H为扬程，Q为流量，P为功率。根据已读取的水泵参数文件，采用二元线性回归分析法，计算水泵流量-扬程关系式的系数a_h、b_h、c_h，以及流量-功率关系式的系数a_p、b_p、c_p（由于在上述水泵参数文件中，包括不小于3个流量、扬程和功率工况点参数，因此可以通过二元线性回归分析法求出上述系数a_h、b_h、c_h及a_p、b_p、c_p）。

D、根据数据采集装置采集的实时运行扬程H，通过逐步逼近法进行迭代试算，计算在该扬程下单台工频水泵的流量Q_定；然后根据数据采集的总流量Q_总及计算的单台工频水泵流量Q_定，将Q_总/Q_定并向上取整，可以确定最少需要运行的工频水泵数量n_min，从而可以减少下一步枚举法计算时的方案数量（即水泵运行数量少于n_min时，水泵组合的流量将小于所需的总流量Q_总，方案不可行）。逐步逼近法计算Q_定的步骤为如下过程：

1)设定流量的计算范围Q_s=Q_min，Q_e=Q_max；

2)流量的计算值Q_tmp=(Q_s+Q_e)÷2；

3)将Q_tmp值带入式1中进行计算，得到H_tmp；

4)将H_tmp与采集的实时运行扬程H进行比较，如果H_tmp>H，则Q_s=Q_tmp，如果H_tmp<H，则Q_e=Q_tmp；

5)循环次数加1,并判断循环结束条件（H_tmp与H差值的绝对值|H_tmp-H|达到设定的精度要求，或循环次数超过设定的最大循环次数），如不满足循环结束条件，则重复2)～5)直至循环结束条件满足；

6)则Q_定=Q_tmp。

E、根据最少运行水泵数量n_min及最多工作水泵数量N_max及工频水泵数量N_定和变频水泵数量N_v，采用枚举法对所有可能的水泵运行组合方案进行分析：

1)当方案中有变频水泵时，依据有变频水泵参与运行时，工频水泵扬程等于工况点扬程，其余流量由变频水泵通过变频运行供给的原则进行计算。

a)设置工作水泵数量n_工=n_min；

b)设置工频水泵数量n_定=0；

c)当n_定>0时，判断Q_定(在步骤D中已计算)是否在水泵运行范围内（Q_min<Q_定<Q_max）。若符合条件，则继续d)，否则跳至j)；

d)变频水泵数量n_变=n_工-n_定，并判断n_变是否小于Nv，若小于，则继续e)，否则跳至i)；

e)计算单台变频水泵的流量Q_变=（Q_总-Q_定×n_定）÷n_变；

f)根据变频水泵公式：H=a_h×Q_变＋(b_h×R_V)×Q_变+(c_h×R_V ²)(式3),采用逐步逼近法进行迭代试算，计算变频水泵的变频率R_V。逐步逼近法计算R_V的步骤为如下过程：

①设定变频率的计算范围R_s=0，R_e=1；

②变频率的计算值R_tmp=(R_s+R_e)÷2；

③将R_tmp值带入式3中进行计算，得到H_tmp；

④将H_tmp与扬程H进行比较，如果H_tmp>H，则R_s=R_tmp，如果H_tmp<H，则R_e=R_tmp；

⑤循环次数加1,并判断循环结束条件（H_tmp与H差值的绝对值|H_tmp-H|达到设定的精度要求，或循环次数超过设定的最大循环次数），如不满足循环结束条件，则重复②～⑤直至循环结束条件满足；

⑥R_V=R_tmp；

g)计算变频水泵Q_变、H_变（H_变=H）对应工频工况点Q_定’=Q_变÷R_v，H_定’=H_变÷R_V ²；

h)判断Q_定’是否在水泵运行范围内（Q_min<Q_定’<Q_max），符合条件，则该方案可行，计算结果纳入可行方案列表；

i)n_定增加1,循环c)～i)至n_定>N_定，结束循环；

j)n_工增加1,循环b)～j)，至n_工>N_max，结束循环；

2)当方案中没有变频水泵时：

a)设置工频水泵数量n_定=n_min；

b)计算单台工频水泵流量Q_定”=Q_总÷n_定；

c)判断Q_定”是否在水泵运行范围内（Q_min<Q_定”<Q_max），符合条件，则该方案可行，继续d)，否则跳至e)；

d)根据式1计算Q_定”时的扬程H_定，计算结果纳入可行方案列表；

e)n_定增加1,循环b)～e)至n_定>N_定，结束循环；

3)通过以上的计算筛选，可以确定所有可行的水泵运行方案（水泵均工作在允许运行范围内）。

F、对筛选后可行的方案，依据式2进行工频水泵的能耗计算，并依据式2先计算变频水泵对应工频工况点的能耗，再根据变频水泵功率与变频率的关系P_变=P_定×R_V ³进行变频水泵的能耗计算，将水泵运行组合方案中各台水泵的能耗累加得到该方案的总能耗后，依据总能耗由低到高对所有可行的方案进行排序。

G、输出最优运行方案结果。将优化运行方案结果输出至显示屏显示，当方案多于三个时输出前三个方案，以供人工选择水泵调度运行方案，或根据最优方案结果由控制单元通过水泵控制端输出控制信号自动控制水泵运行。

Claims (2)

1.一种进行单型号水泵节能运行调度的方法，包括以下步骤：

A、读取水泵参数数据；

B、读取实时运行工况数据；

C、计算水泵流量-扬程关系式和流量-功率关系式的系数，在水泵运行范围内，水泵流量-扬程关系式为：H=a_h×Q²+b_h×Q+c_h，流量-功率关系式为：P=a_p×Q²+b_p×Q+c_p，其中H为扬程，Q为流量，P为功率，采用二元线性回归分析法，计算水泵流量-扬程关系式的系数a_h、b_h、c_h，以及流量-功率关系式的系数a_p、b_p、c_p；

D、计算运行工况下水泵流量，并确定最少的运行水泵数量，根据数据采集装置采集的实时运行扬程H，通过逐步逼近法进行迭代试算，计算在该扬程下单台工频水泵的流量Q_定；然后根据数据采集的总流量Q_总及计算的单台工频水泵流量Q_定，将Q_总/Q_定并向上取整，确定最少运行水泵数量n_min，逐步逼近法计算Q_定的步骤为如下过程：

1)设定流量的计算范围Q_s=Q_min，Q_e=Q_max；

2)流量的计算值Q_tmp=(Q_s+Q_e)÷2；

3)将Q_tmp值代入H=a_h×Q²+b_h×Q+c_h中进行计算，得到H_tmp；

4)将H_tmp与采集的实时运行扬程H进行比较，如果H_tmp>H，则Q_s=Q_tmp，如果H_tmp<H，则Q_e=Q_tmp；

5)循环次数加1，并判断循环结束条件，H_tmp与H差值的绝对值|H_tmp-H|达到设定的精度要求，或循环次数超过设定的最大循环次数，如不满足循环结束条件，则重复2)～5)直至循环结束条件满足；

6)则Q_定=Q_tmp；

E、水泵运行组合方案筛选，根据最少运行水泵数量n_min及最多工作水泵数量N_max及工频水泵数量N_定和变频水泵数量N_v，采用枚举法对所有可能的水泵运行组合方案进行分析：

1)当方案中有变频水泵时，依据有变频水泵参与运行时，工频水泵扬程等于工况点扬程，其余流量由变频水泵通过变频运行供给的原则进行计算，

a)设置工作水泵数量n_工=n_min；

b)设置工频水泵数量n_定=0；

c)当n_定>0时，判断Q_定是否在水泵运行范围内，若符合条件，则继续d)，否则跳至j)；

d)变频水泵数量n_变=n_工-n_定，并判断n_变是否小于Nv，若小于，则继续e)，否则跳至i)；

e)计算单台变频水泵的流量Q_变=（Q_总-Q_定×n_定）÷n_变；

f)根据变频水泵公式：H=a_h×Q_变＋(b_h×R_V)×Q_变+(c_h×R_V ²),采用逐步逼近法进行迭代试算，计算变频水泵的变频率R_V，逐步逼近法计算R_V的步骤为如下过程：

①设定变频率的计算范围R_s=0，R_e=1；

②变频率的计算值R_tmp=(R_s+R_e)÷2；

③将R_tmp值带入H=a_h×Q_变＋(b_h×R_V)×Q_变+(c_h×R_V ²)中进行计算，得到H_tmp；

④将H_tmp与扬程H进行比较，如果H_tmp>H，则R_s=R_tmp，如果H_tmp<H，则R_e=R_tmp；

⑤循环次数加1，并判断循环结束条件，H_tmp与H差值的绝对值|H_tmp-H|达到设定的精度要求，或循环次数超过设定的最大循环次数，如不满足循环结束条件，则重复②～⑤直至循环结束条件满足；

⑥R_V=R_tmp；

g)计算变频水泵Q_变、H_变，H_变=H，对应工频工况点Q_定’=Q_变÷R_v，H_定’=H_变÷R_V ²；

h)判断Q_定’是否在水泵运行范围内，符合条件，则该方案可行，计算结果纳入可行方案列表；

i)n_定增加1,循环c)～i)至n_定>N_定，结束循环；

j)n_工增加1,循环b)～j)，至n_工>N_max，结束循环；

2)当方案中没有变频水泵时：

a)设置工频水泵数量n_定=n_min；

b)计算单台工频水泵流量Q_定”=Q_总÷n_定；

c)判断Q_定”是否在水泵运行范围内，符合条件，则该方案可行，继续d)，否则跳至e)；

d)根据H=a_h×Q²+b_h×Q+c_h计算Q_定”时的扬程H_定，计算结果纳入可行方案列表；

e)n_定增加1,循环b)～e)至n_定>N_定，结束循环；

3)通过以上的计算筛选，确定所有可行的水泵运行方案；

F、计算可行方案的运行总能耗并排序。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该方法还包括步骤G、输出最优运行方案结果。