CN103452824B - 基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，其采用的基于流量-功率曲线的最小功率算法为：在等式约束条件下，满足i=1，2，…，n，从而得到各台风机或水泵应该工作的频率。本发明改变了传统的只有一台泵机工作于变频状态、其余泵机工作于工频状态的结构，将多台风机水泵均运行于变频（低频）状态，在满足所需流量的情况下，通过变频，可以寻找到最小运行功率点，此时，节能效果十分显著，同时任何一台都可以随时启动和运行，完全避免了上面的问题，也方便了设备的检修，节约了检修和维护的费用。

Description

基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统

技术领域

本发明涉及一种基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，尤其在大功率场合，节能效果非常显著。

背景技术

长期以来，风机、泵类运行控制设计比较简单，节能问题未被充分重视。除了个别设备随主机配套的控制装置有可能具有节能运行方式外,一般情况下，风机流量的设计均按最大风量需求来设计。其调整方式通常采用挡板、风门、回流、起停电机等方式控制,无法形成闭环控制,也很少考虑省电。水泵流量设计同样也是按最大流量来设计,压力的调控方式只能通过控制阀门的大小、电机的启停等方法。

有时,为了保证生产的可靠性，风机、水泵等各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的裕量,如轴流风机、引风机、排风机、鼓风机、排水泵、离心泵等。其电机虽然大部分是在额定功率下运行,却不能在任何工况下、任何时间内都是在满负荷下运行。这样,电机除达到动力驱动要求外,多余的力矩就成为有功功率的消耗,造成电能的浪费。同时,在因为工艺需要，运行中变更风量和流量，实际上是通过人为增加阻力的办法达到调节的目的，这种调节方法也浪费了大量的电能。

在电气控制上，传统上习惯采用直接启动或Y-Δ启动。但设置启动装置的主要目的,也是为了减少对电网的冲击，它不能平滑调节风机、泵类的转速，起不到节能作用，而且机械冲击大，传动系统寿命短，功率因数也较低。

当前节能、减排是确保国家经济可持续发展的一项重要政策，供热空调系统电耗的60%～70%是以水泵与风机为主的能量输配系统产生的，其中水泵的节能潜力尤为可观。为适应供热空调系统用户的个性化调节而导致的系统流量变化范围较宽的特性，常需要多台水泵同时并联变频运行，其中水泵的优化控制研究值得关注。

目前，在实际的风机水泵负载系统中，很多场合都需要采用几台泵并联运行来满足用户流量要求，并且为达到节能效果，对水泵进行了变频调速控制。但目前的主要模式是运行在工频的风机水泵台数调节和单台变频调节结合在一起满足所需流量，对供水系统节能效益有很大影响，所以风机水泵变频系统的节能效果仍有较大潜力可挖。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，以解决已有技术的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供的基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，其采用的基于流量-功率曲线的最小功率算法为：

在等式约束条件下，满足i=1，2，…，n，从而得到各台风机或水泵应该工作的频率，式中：Q_Gi为第i台泵机工作时输出的流量，Q_S为设定的流量，F_i为第i台泵机的功率-流量曲线函数，表示这n台泵机的功率对应流量的导数相等。

本风机水泵节能系统在Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax条件下，可以保证各台风机或水泵工作在高效节能区域。所述高效节能区域为：通过工频高效区左右两端端点的两条相似工况抛物线OA和OC的中间区域OAC（图2）。

本发明提供的基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，其在用于风机、水泵类节能运行的控制过程中，具体是采用包括以下步骤的方法：

步骤1：实验测出各个流量段耗能最小时需要运行的泵机台数，得出最优的“流量-泵机起动的台数表”存入控制器；

步骤2：将实验测出的各台泵机的流量-功率曲线存入控制器；

步骤3：当用户设定流量值Q_S后，系统根据“流量-泵机起动的台数表”确定将起动的泵机台数，当改变流量时，由“流量-泵机起动的台数表”判断是否需要改变泵机台数；

步骤4：系统由拉格朗日乘数法思想——基于流量-功率特性曲线的最小功率算法，即在等式约束条件下，满足i=1，2，…，n，从而得到各泵机应工作的频率；

步骤5：验证当各泵机工作于步骤4中算出的频率时，泵机是否运行于高效节能区，即满足Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax；

步骤6：若有n1台泵机未能工作于高效节能区，n₁＜n，对于这n₁台流量越限即不处于高效节能区的水泵，按高效区的上限Q_Gimax或下限Q_Gimin分配流量；然后对其余的n-n₁台水泵，根据剩下的流量要求即总流量Q_S减去n₁台泵机已经分配的流量之和Q_n1，采用所述最小功率算法，以为约束条件，分配剩余的流量，反复此环节，直至所有泵机均满足Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax，由控制器相应的数字I/O软起动泵机，相应的模拟输出口输出频率；

步骤7：根据反馈回的各泵机的流量和功率，实际工作的流量下的实际功率与预置的流量-功率曲线比较是否超过一定范围，该值可根据现场情况、控制器的运算能力以及控制精度设定；若持续一定时间均超过设定范围，控制器修正流量-功率曲线，使之符合当前运行工况，否则不予处理。

上述步骤1中，可以根据所运用的泵机的性能与实际运行的工况，采用实验得出最优的“流量-泵机起动的台数表”，该“流量-泵机起动的台数表”为在全流量范围内某一特定流量下需要起动的泵机的台数，使所消耗的功率之和最小。

上述步骤2中，所述流量-功率曲线为实测的一组离散的点，即流量和功率的对应关系。

上述步骤2中，所述控制器可以为台达DVP-ES2系列PLC，或其它类似功能的PLC。

上述步骤7中，所述控制器可以采用以下方法修正流量-功率曲线：根据反馈回的各泵机的流量和功率，实际工作的流量下的实际功率与预置的流量-功率曲线中当前流量下的功率比较是否超过一定范围ε，该ε值可根据现场情况、控制器的运算能力以及控制精度设定。若持续一定时间均超过设定范围，控制器修正流量-功率曲线，使之符合当前运行工况，否则不予处理。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

为了挖掘节能潜力，理论和实践均可证明，将多台风机水泵均运行于变频（低频）状态，在满足所需流量的情况下，通过变频，可以寻找到最小运行功率点，此时，节能效果十分显著。

本发明改变了传统的只有一台泵机工作于变频状态、其余泵机工作于工频状态的结构，采用多台泵机同时变频调速的方案，并且利用控制器中预置的流量-功率曲线、对系统进行最小功率控制。

该节能系统由用户设定的流量情况，根据管网瞬间压力变化，通过控制器，实时自动调节泵机的工作频率即转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端流量保持在恒定的流量设定值。

以往的一台泵机处于工频运行，一台泵机变频运行时所消耗的功率大于两台同时变频运行时所消耗的功率，并且，通过实际的社会实践调研，两台泵机同时变频时的节能效率大为提高，有很好的节能效果和经济价值。并且两台电机同时变频运行还有以下优点：

（1）若采用一台全速另一台调速的做法，运转时全速运转的泵机口压力肯定大于变速运转的风机，若两者工用同一出口，管路就会对速度低的风机口形成一个反压。由此而造成可以调速的水泵的可调范围变小，降低了系统的实用性，很难达到起初设想的结果。采用两台泵同时调速则不存在上述问题，可调速的范围很广，可以达到节能的目的。

（2）电机启动时对电气设备和系统冲击很大，特别在用水量需求处于临界点时，电动机就有可能出现频繁起停的状态，而两台都可以调速度时，任何一台都可以随时启动和运行，完全避免了上面的问题，也方便了设备的检修，节约了检修和维护的费用。

现结合实际运用情况说明其节能效果，以铁路建设常用的环境调节系统22kW的通风机为例：

设运行工况为24小时连续运行，其中每天11小时运行于90%负荷(变频调节按46Hz计算，挡板调节时电机功耗按98%计算)，13小时运行于50%负荷(变频调节按20Hz计算，挡板调节时电机功耗按70%计算)；全年运行时间为300天。

采用变频调速时每年的节电量为：

90%负荷下，

W₁＝22×11×[1-(46/50)³]×300＝16067kW·h

50%负荷下,

W₂＝22×13×[1-(20/50)³]×300＝80309kW·h

每年的总节电量为：

∑W₁＝W₁+W₂＝16067+80309＝96376kW·h

采用挡板调节时每年的节电量为：

90%负荷下，

W₁＝22×(1-98%)×11×300＝1452kW·h

50%负荷下，

W₂＝22×(1-70%)×11×300＝21780kW·h

每年的总节电量为：

∑W₂＝W₁+W₂＝1452+21780＝23232kW·h

采用变频调速与采用挡板调节相比较,每年增加的节电量为：

W＝∑W₁-∑W₂＝96376-23232＝73144kW·h

每度电按0.8元计算，采用变频调速则每年可节约电费约5.85万元。

附图说明

图1是本发明基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统的结构示意图。

图2是水泵调速范围示意图。

图3是本发明基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供的基于流量-功率特性曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，其结构如图1所示，包括人机界面、控制器、多台变频器、风机水泵、流量计和功率表。控制器通过RS485总线将人机界面、变频器、风机水泵、流量计串联起来，通过MODBUS协议通信；风机水泵的输入端接入功率测量单元；流量计的流量信号接入到控制器。控制器采用PLC控制器，其预置各泵机的流量-功率曲线、“流量-泵机起动的台数表”以及基于流量-功率曲线的最小功率控制算法，人机界面用于设定所需流量Q_S及显示各部分的流量和功率。

所述触摸屏为市售的产品，例如可以采用台达公司生产的DOP-B10E615触摸屏。

所述变频器为市售的产品，例如可以采用台达VFD-M系列变频器。

所述流量计为市售的产品，例如可以采用OKD-HZ25DN霍尔流量传感器。流量计测得各泵机的流量信号后直接输入到PLC控制器。

所述功率测量表主要由电压采样电路、电流采样和AVR单片机最小系统组成；测得变频器的输入电压和输入电流，进而得到各台变频器所消耗的功率。

所述PLC控制器为市售的产品，例如可以采用台达DVP-ES2系列PLC。由各泵机的功率信号和流量信号确定下一时刻各泵机的运行频率，保证设定流量的前提下该装置消耗的总功率最小。并根据需要修正流量-功率曲线。

所述流量-功率曲线为实测的一组离散的点，即流量和功率的对应关系，实际操作时，设定一个流量Q(k)(k=1,2,…,n)，测出其达到该流量时实际消耗的功率P(k)(k=1,2,…,n)，将测得的这些点以2*n维表的形式存入控制器中。

所述的“流量-泵机起动的台数表”为根据所运用的泵机的性能与实际运行的工况，实验得出的每个流量段最优的工作的台数表，用来针对设定的流量进行水泵的台数切换控制的逻辑优化，即为达到设定流量需开启的电机台数，此时泵机的电耗最低。该“流量-泵机起动的台数表”为在全流量范围内某一特定流量下需要起动的泵机的台数，使所消耗的功率之和最小。

所述基于流量-功率曲线的最小功率控制算法如下：

基于流量功率曲线的最小功率控制算法是要控制各泵机的运行频率，使运行中的泵机轴功率之和最小，下面具体推导。

有n台变频器，分别对应n台水泵，其工作时输出的流量为Q_Gi，i=1,2，…，n，其流量-功率曲线，即输出流量Q_Gi时所消耗的功率分别为F₁(Q_G1)，F₂(Q_G2)，…，F_n(Q_Gn)，系统的总流量为Q_S，暂不考虑网络中的功率损耗，假定各台电机输出流量不受限制，则系统总流量在n台水泵的流量分配问题可以表述为：在满足

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Gi}}-Q_S=0---\left(1\right)$

的条件下，使目标函数

$F=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\left(Q_{\mathrm{Gi}}\right)---\left(2\right)$

为最小。

这是多元函数求条件极值问题，应用拉格朗日乘数法求解。先构造拉格朗日函数

$L=F-\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{Gi}}-Q_S)---\left(3\right)$

拉格朗日函数L的无条件极值的必要条件为

$\frac{\∂L}{\∂Q_{\mathrm{Gi}}}=\frac{\∂F}{\∂Q_{\mathrm{Gi}}}-\mathrm{\λ}=0,(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n)$

或 $\frac{\∂F}{\∂Q_{\mathrm{Gi}}}=\mathrm{\λ}---\left(4\right)$

由于每台水泵的功率消耗只是该水泵输出流量的函数，因此上式又可以写为

$\frac{d{F}_i}{d{Q}_{\mathrm{Gi}}}=\mathrm{\λ},(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,n)---\left(5\right)$

这就是多台水泵间流量分配的准则。按这个条件决定的负荷分配是最小功率的分配。

以上所述的都没有涉及到不等式约束条件，各个水泵间的流量分配不应超出它的上下限。而且，水泵调速后的节能效果，不仅取决于水泵轴功率下降的幅度，而且取决于水泵效率的变化的幅度。按照变频调速的节能效果，水泵的工作状态可以划分为三个区域：低效耗能区域、低效节能区域和高效节能区域。所以还应保证各台水泵工作在高效节能区域。即

Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax(6)

Q_Gimin和Q_Gimax可由水泵调速范围确定。从理论上来说，水泵的最佳运行状况为水泵运行工况点沿着管路特性曲线变化，同时，这些工况点也需处于泵自身高效区域。在这样的情况下，水泵效率高并且管路压力合适，供水系统即可实现最大限度的节能。变频调速的特点，可以使水泵的运行工况点在理论上几乎完全沿着管路特性曲线变化，但变频调速无法保证这些工况点始终处于水泵调速高效区。

如图2所示，水泵调速的高效区，是通过工频高效区左右两端端点的两条相似工况抛物线OA和OC以及水泵有效调速范围下限n_min的中间区域ACED，图2中：A点是工频高效区左端点，C点是工频高效区右端点，H₁和H₂是通过C、D点的相似工况抛物线，H是管路特性曲线。n₀为工频时的特性曲线、n₁为转速为n₁时的特性曲线，n_min为泵机水泵有效调速范围下限n_min的特性曲线。Q_min和Q_max分别为高效区的最小和最大流量。曲边四边形ACED是水泵能够高效运行的区域,当系统实际工况点不在此区域时,水泵不能高效运行,工况点偏离越远,水泵效率越低。其中曲边四边形MADN内的工况点是由于偏离了高效段,曲边三角形ODE内的工况点是由于超出了有效调速范围,而曲边三角形OND内的工况点则同时受到两方面因素的影响。通过D点的流量就是该台水泵的最小流量Q_min，通过C点的流量即是该台水泵的最大流量Q_max。

在计算水泵间的流量分配时，不等式约束可以暂时不用考虑，待计算出结果后，再按不等式约束进行校验。对于流量越限的水泵，可以按高效区的上限（或下限）分配流量。然后再对其余的水泵分配剩余的流量。

本发明提供的上述基于流量-功率特性曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，其工作过程是：首先由人机界面设定所需流量Q_S，控制器根据“流量-泵机起动的台数表”判断将要工作的风机水泵台数，依据控制器中的各台泵机的流量-功率曲线，运用拉格朗日乘数法思想——最小功率控制算法，控制各台工作的泵机的运行频率，保证各台泵机始终工作在高效节能区；同时各台泵机的流量和功率分别反馈回控制器，控制器对流量功率曲线进行实时的修正，并由最小功率控制算法对频率进行调整，从而保证整个系统始终高效运行。当用户设定流量变化时，重新根据“流量-泵机起动的台数表”确定工作的泵机的台数以及各自频率。

本发明用于风机、水泵类节能运行控制，参见图3，具体是采用包括以下步骤的方法：

步骤1：实验测出各个流量段耗能最小时需要运行的泵机台数，得出最优的“流量-泵机起动的台数表”存入控制器；

步骤2：实验测出各台泵机的流量-功率曲线存入控制器；

步骤3：当用户设定流量值Q_S后，系统根据“流量-泵机起动的台数表”确定将起动的泵机台数，当改变流量时，由“流量-泵机起动的台数表”判断是否需要改变泵机台数；

步骤4：系统由拉格朗日乘数法思想——基于流量-功率特性曲线的最小功率算法，即在等式约束条件下，满足(i＝1,2,…,n)，从而得到各泵机应工作的频率；

步骤5：验证当各泵机工作于步骤4中算出的频率时，泵机是否运行于高效节能区，即满足Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax；

步骤6：若有n₁(n₁＜n)台泵机未能工作于高效节能区，对于这n₁(n₁＜n)台流量越限（不处于高效节能区）的水泵，按高效区的上限Q_Gimax（或下限Q_Gimin）分配流量。然后再对其余的(n-n₁)台水泵，根据剩下的流量要求（即总流量Q_S减去n₁台泵机已经分配的流量之和Q_n1），根据(i＝1,2,…,n-n₁)原则，以为约束条件，分配剩余的流量，反复此环节，直至所有泵机均满足Q_Gimin≤Q_Gi≤Q_Gimax，由控制器相应的数字I/O软起动泵机，相应的模拟输出口输出频率；

步骤7：根据反馈回的各泵机的流量和功率，实际工作的流量下的实际功率与预置的流量-功率曲线中当前流量下的功率比较是否超过一定范围ε，该ε值可根据现场情况、控制器的运算能力以及控制精度设定。若持续一定时间均超过设定范围ε，控制器修正流量-功率曲线，使之符合当前运行工况，否则不予处理。

Claims (8)

1.一种基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统，其特征是包括人机界面、控制器、多台变频器、风机水泵、流量计和功率表；控制器通过RS485总线将人机界面、变频器、风机水泵、流量计串联起来，通过MODBUS协议通信；风机水泵的输入端接入功率测量单元；流量计的流量信号接入到控制器；控制器采用PLC控制器，其预置各泵机的流量-功率曲线、流量-泵机起动的台数表以及基于流量-功率曲线的最小功率控制算法，人机界面用于设定所需流量及显示各部分的流量和功率；

在等式约束条件下，所述基于流量-功率曲线的最小功率算法为：

，i=1，2，…，n，

式中：为第i台泵机工作时输出的流量，为设定的流量，为第i台泵机的功率-流量曲线函数；

满足，得到各台风机或水泵应该工作的频率。

2.根据权利要求1所述的风机水泵节能系统，其特征是在条件下，保证各台风机或水泵工作在高效节能区域。

3.根据权利要求2所述的风机水泵节能系统，其特征是所述高效节能区域为通过工频高效区左右两端端点的两条相似工况抛物线和的中间区域。

4.一种基于流量-功率曲线的最小功率算法的风机水泵节能系统的用途，其特征是在用于风机、水泵类节能运行的控制过程中，具体是采用包括以下步骤的方法：

步骤1：实验测出各个流量段耗能最小时需要运行的泵机台数，得出最优的“流量-泵机起动的台数表”存入控制器；

步骤2：将实验测出的各台泵机的流量-功率曲线存入控制器；

步骤3：当用户设定流量值后，系统根据“流量-泵机起动的台数表”确定将起动的泵机台数，当改变流量时，由“流量-泵机起动的台数表”判断是否需要改变泵机台数；

步骤4：系统由拉格朗日乘数法思想——基于流量-功率特性曲线的最小功率算法，即在等式约束条件下，满足，i=1，2，…，n，从而得到各泵机应工作的频率；

步骤5：验证当各泵机工作于步骤4中算出的频率时，泵机是否运行于高效节能区，即满足；

步骤6：若有n₁台泵机未能工作于高效节能区，n₁＜n，对于这n₁台流量越限即不处于高效节能区的水泵，按高效区的上限或下限分配流量；然后对其余的n-n₁台水泵，根据剩下的流量要求即总流量减去台泵机已经分配的流量之和，采用所述最小功率算法，以为约束条件，分配剩余的流量，反复此环节，直至所有泵机均满足，由控制器相应的数字I/O软起动泵机，相应的模拟输出口输出频率；

步骤7：根据反馈回的各泵机的流量和功率，实际工作的流量下的实际功率与预置的流量-功率曲线比较是否超过一定范围，该值可根据现场情况、控制器的运算能力以及控制精度设定；若持续一定时间均超过设定范围，控制器修正流量-功率曲线，使之符合当前运行工况，否则不予处理。

5.根据权利要求4所述的用途，其特征是步骤1中，根据所运用的泵机的性能与实际运行的工况，采用实验得出的“流量-泵机起动的台数表”，该“流量-泵机起动的台数表”为在全流量范围内某一特定流量下需要起动的泵机的台数，使所消耗的功率之和最小。

6.根据权利要求4所述的用途，其特征是步骤2中，所述流量-功率曲线为实测的一组离散的点，即流量和功率的对应关系。

7.根据权利要求4所述的用途，其特征是步骤2中，所述控制器为台达DVP-ES2系列PLC。

8.根据权利要求4所述的用途，其特征是步骤7中，所述控制器采用以下方法修正流量-功率曲线：根据反馈回的各泵机的流量和功率，实际工作的流量下的实际功率与预置的流量-功率曲线中当前流量下的功率比较是否超过一定范围，该值可根据现场情况、控制器的运算能力以及控制精度设定；若持续一定时间均超过设定范围，控制器修正流量-功率曲线，使之符合当前运行工况，否则不予处理。