CN111623491A - 一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法 - Google Patents

一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法 Download PDF

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CN111623491A CN202010530569.4A CN202010530569A CN111623491A CN 111623491 A CN111623491 A CN 111623491A CN 202010530569 A CN202010530569 A CN 202010530569A CN 111623491 A CN111623491 A CN 111623491A
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Abstract

本发明公开了一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，通过区域供冷/供热系统各末端设备随机负荷需求的预测；区域供冷/供热系统运行调节特性的数学描述；建立变速水泵协同运行优化数学模型；进行变速水泵协同运行优化数学模型求解；进行变速水泵的逐时预调节，实现了末端供冷/供热设备可以独立调控的区域供冷/供热系统集中式变速水泵的运行优化。该基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法能很好满足实际工程的需要，有效减少区域供冷/供热系统水泵能耗，节省运行费用，便于管理人员操作，具有很好的应用前景。

Description

一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法
技术领域
本发明属于区域供冷/供热系统工程技术领域，特别涉及一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法。
背景技术
区域供热/供冷系统主要由集中的冷/热源、循环水泵、输配管网、末端供冷/供热设备组成。循环水泵将冷/热水从集中的冷/热源，经输配管网输送到各末端设备为建筑提供所需的冷、热负荷需求。为了便于管理及节约输配能耗，区域供热/供冷系统的循环水泵通常采用集中式变速水泵。当用户的冷/热负荷需求发生变化时，可以调节水泵的转速为末端供冷/供热设备提供所需的流量。
为了尽可能地降低水泵耗能，研究人员开展了大量关于区域供冷/供热系统集中式变速水泵运行调节方法的研究。目前，区域供冷/供热系统集中式变速水泵的运行调节方法主要有：适用于仅有少量末端设备的跟随型调节方法和适用于末端设备负荷需求一致变化的预调节方法。现有区域供冷/供热系统集中式变速水泵的运行调节方法均没有考虑集中调节与末端分散随机调节的矛盾。
然而，由于各种末端调控设备在区域供冷/供热系统的广泛应用，末端的供冷/供热设备可由使用人员根据需要进行调节或开、关控制。对于末端供冷/供热设备可以独立调控的区域供冷/供热系统，主要特点为：具有复杂的管网拓扑结构、末端设备较多、各末端设备调节具有较大的随机性。目前还没有一种适用于末端供冷/供热设备可以独立调控的区域供冷/供热系统集中式变速水泵的运行调节方法，集中调节与末端分散随机调节的矛盾一直无法解决，导致变速水泵的节能潜力难以发挥，水泵能耗仍然居高不下。
发明内容
针对目前末端供冷/供热设备可以独立调控的情况下，区域供冷/供热系统集中式变速水泵运行与分散末端随机调节难以实现协同运行、水泵运行能耗较高的问题。本发明的目的是提供一种通用的基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，在满足各个末端用户负荷需求的同时，使区域供冷/供热系统集中式变速水泵能耗达到最低，实现集中式变速水泵与各分散的末端设备的协同优化运行。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，包括下述步骤：
S1，预测区域供冷/供热系统各末端设备随机负荷需求；
S2，给出区域供冷/供热系统运行调节特性的数学描述；
S3，根据系统各末端设备随机负荷需求和系统运行调节特性，建立变速水泵协同运行优化数学模型；
S4，进行变速水泵协同运行优化数学模型求解，得到变速水泵逐时最佳水泵变频比rf,o；
S5，根据变速水泵逐时最佳水泵变频比rf,o，计算变速水泵进出口压差的逐时最佳设定值DPset,o，进行变速水泵的逐时预调节。
进一步，所述步骤S1中，各末端设备随机负荷需求的预测的流程包括：
1a)通过实地调研确定随机在室人员行为的特征参数；
1b)基于随机在室人员行为方法(SOB方法)，使用DeST软件进行建筑各空间逐时负荷需求的模拟；
1c)将每个末端设备所承担空间的逐时负荷需求模拟值累加，计算各末端设备的逐时负荷需求Qreq(τ)。
进一步，所述步骤S2中，区域供冷/供热系统运行调节特性数学描述的内容包括：
2a)由各末端设备的逐时负荷需求计算区域供冷/供热系统各末端设备的逐时流量需求；
2b)采用图论的方法对区域供冷/供热系统输配管网进行建模；
2c)确定变频水泵的扬程Hpump与水泵流量Gpump和水泵变频比rf两个变量的关系式；
2d)确定变速水泵能耗的数学模型。
进一步，所述步骤S4中，变速水泵协同运行优化数学模型的求解方法采用粒子群优化算法。
本发明基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法的有益效果在于：
该方法提供了一种适用于末端供冷/供热设备可以独立调控的区域供冷/供热系统集中式变速水泵的节能运行调节方法，而非现有技术中仅针对末端设备负荷需求变化为一致等比例特点的末端供冷/供热设备不可以独立调控的区域供冷/供热系统集中式变速水泵的运行调节方法。可实现在满足各末端用户负荷需求的前提下，使水泵能耗大幅降低。解决了末端供冷/供热设备可以独立调控的区域供冷/供热系统集中式变速水泵的节能运行调节。因此，该基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法能很好满足实际工程的需要，有效减少区域供冷/供热系统水泵能耗，节省运行费用，便于管理人员操作，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法流程图；
图2为变速水泵协同运行优化求解程序框图；
图3为实施例小区供热管网平面图；
图4为实施例楼供暖平面图；
图5(a)、图5(b)为实施例户内供暖管路布置图；
图6为整个供暖季住宅区的热负荷需求逐时变化；
图7为典型日典型户末端设备的逐时负荷需求
图8为实施例小区室外供热管道网络图；
图9为实施例L1供热管道网络图；
图10为实施例不同策略下典型日水泵频率随时刻变化曲线；
图11为实施例典型日系统所需总水量、不同策略下水泵进出口压差随时刻的变化曲线；
图12为实施例不同策略下典型日所需水泵功率的逐时变化；
图13为实施例不同策略下典型日的水泵日耗电量对比。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，包括下述步骤：
S1，预测区域供冷/供热系统各末端设备随机负荷需求，具体步骤如下：
1a)通过实地调研确定随机在室人员行为的特征参数；
1b)基于随机在室人员行为方法(SOB方法)，使用DeST软件进行建筑各空间逐时负荷需求的模拟；
1c)将每个末端设备所承担空间的逐时负荷需求模拟值累加，计算各末端设备的逐时负荷需求Qreq(τ)。
S2，给出区域供冷/供热系统运行调节特性的数学描述，具体步骤如下：
2a)由各末端设备的逐时负荷需求计算区域供冷/供热系统各末端设备的逐时流量需求，计算公式如为：
Figure BDA0002535232820000051
其中：Qreq(τ)为各末端设备需提供的逐时负荷需求；tg th分别为各末端设备的供、回水温度。
2b)采用图论的方法对区域供冷/供热系统输配管网进行建模：
Figure BDA0002535232820000052
其中，Bk为基本关联矩阵；G为网络中所有支路流量的列向量；Cf为管网的独立回路矩阵；ΔP为网络中所有支路压降的列向量。
2c)变频水泵的扬程Hpump与水泵流量Gpump和水泵变频比rf两个变量的关系式为：
Figure BDA0002535232820000053
其中，rf为水泵变频比；a,b,c为拟合系数。
2d)变速水泵能耗的数学模型为：
Figure BDA0002535232820000054
ηZ＝ηpumpηvfdηe
其中，Wpump为变速水泵的功率；g为重力加速度；Gpump为水泵的流量；Hpump为水泵扬程；ηZ为总效率；ηpump是水泵效率；ηvfd为变频器效率；ηm为电动机效率。
S3，根据系统各末端设备随机负荷需求和系统运行调节特性，建立变速水泵协同运行优化数学模型：
Figure BDA0002535232820000055
Figure BDA0002535232820000061
其中，Wpump为变速水泵的功率；g为重力加速度；Gpump为水泵的流量；Hpump为水泵扬程；ηZ为总效率；tw为室外气温；τ为一天中不同的时刻；rf为水泵变频比；Xv为阀门开度；Bk为基本关联矩阵；G为网络中所有支路流量的列向量；Cf为管网的独立回路矩阵；ΔP为网络中所有支路压降的列向量；Greq为各末端设备的流量需求；ΔPpipe为管道的压降；ΔPvalve为控制阀的压降；u为末端设备所在支路的编号；Eu为末端设备的总数量；ET为预测周期；k为输配管网中控制阀的编号；Ek为系统中各级控制阀的总数量。
S4，进行变速水泵协同运行优化数学模型求解，得到变速水泵逐时最佳水泵变频比rf,o。
采用粒子群优化算法利用MATLAB编程，进行变速水泵协同运行优化数学模型的求解，输出逐时的最佳水泵变频比rf,o、所有控制阀开度组合Xv和水泵最小功率Wpump,min。变速水泵协同运行优化求解程序框图，见附图2。
S5，根据变速水泵逐时最佳水泵变频比rf,o，计算变速水泵进出口压差的逐时最佳设定值DPset,o，进行变速水泵的逐时预调节。
下面给出具体实施例来进一步说明本发明。
以陕西省西安市某住宅小区区域供热系统为例，说明本发明的节能效果。该小区共有住宅楼4栋(11#，12#，13#，14#)，每栋住宅楼层数均为8层。小区总建筑面积约20000m2。小区供热管网布置如图3所示。11-14#楼具有相同的建筑平面和户型，其各楼层及户内的供暖管道布置如图4、图5(a)、图5(b)所示。在该住宅区DHC系统中，集中式变速水泵位于热力站，户内末端采暖方式为地板辐射供暖，各房间的末端设备控制方式为分室分时独立控制。该住宅区DHC系统共有448个房间支路级别的控制阀，和8个楼栋级别的控制阀。
按照如下步骤进行变速水泵运行调节：
一、进行区域供冷/供热系统各末端设备随机负荷需求的预测
1.1通过实地调研确定随机在室人员行为的特征参数。
各类人员活动工作日的典型事件及其统计特征值见表1。在室人员随机行为考虑供暖温度设定值、暖通空调控制、照明控制、窗户操作。
表1各类人员典型工作日事件集
Figure BDA0002535232820000071
Figure BDA0002535232820000081
1.2基于随机在室人员行为方法(SOB)，使用DeST软件进行建筑各空间逐时负荷需求的模拟。
根据上述调研结果，利用Dest能耗模拟软件可以得到每个建筑各空间的热负荷，这些热负荷进一步聚合得到该区域的负荷。在全室全时、分室分时两种服务模式下，整个供暖该住宅区的热负荷需求逐时变化如图6所示。
1.3将每个末端设备所承担空间的逐时负荷需求模拟值累加，计算各末端设备的逐时负荷需求Qreq(τ)。
将每个末端设备所承担空间的逐时负荷需求模拟值累加，可获得各末端设备的逐时负荷需求Qreq(τ)。由于篇幅限制，以下仅选择1个典型日(1月18日)的计算结果进行展示。1月18日，典型户(11#楼1单元804)末端设备的逐时负荷需求如图7所示。
二、给出区域供冷/供热系统运行调节特性的数学描述。
2.1由各末端设备的逐时负荷需求计算区域供冷/供热系统各末端设备的逐时流量需求，计算公式如为：
Figure BDA0002535232820000082
其中：Qreq(τ)为各末端设备需提供的逐时负荷需求；tg th分别为各末端设备的供、回水温度。该住宅区DHC系统按照定供、回水温差运行，末端设备的供/回水温差为5℃。
2.2采用图论的方法对区域供冷/供热系统输配管网进行建模：
小区室外供热管道网络图如图8所示，11#楼1单元L1供热管道网络图如图9所示，其余楼栋(L2-L7)与L1相同。计算时每个楼栋的流量、压力的输出作为小区室外供热管网的输入，进行并行计算。
Figure BDA0002535232820000091
其中，Bk为基本关联矩阵；G为网络中所有支路流量的列向量；Cf为管网的独立回路矩阵；ΔP为网络中所有支路压降的列向量。
2.3变频水泵的扬程Hpump与水泵流量Gpump和水泵变频比rf两个变量的关系式为：
Figure BDA0002535232820000092
其中，rf为水泵变频比；a,b,c为拟合系数。
本案例中，集中供热站设有3台变速水泵(2用1备)，型号为GLC 80-160。由水泵厂家样本参数，采用水泵相似定律及最小二乘法原理拟合得到水泵扬程Hpump与流量Gpump及变频比rf的关系式如下：
Hpump＝-0.002279Gpump 2+0.1211Gpump·rf+28.83rf 2
2.4变速水泵能耗的数学模型为：
Figure BDA0002535232820000093
ηZ＝ηpumpηvfdηe
其中，Wpump为变速水泵的功率；g为重力加速度；Gpump为水泵的流量；Hpump为水泵扬程；ηZ为总效率；ηpump是水泵效率；ηvfd为变频器效率；ηm为电动机效率。
Figure BDA0002535232820000101
Figure BDA0002535232820000102
Figure BDA0002535232820000103
三、建立变速水泵协同运行优化数学模型：
Figure BDA0002535232820000104
Figure BDA0002535232820000105
其中，Wpump为变速水泵的功率；g为重力加速度；Gpump为水泵的流量；Hpump为水泵扬程；ηZ为总效率；tw为室外气温；τ为一天中不同的时刻；rf为水泵变频比；Xv为阀门开度；Bk为基本关联矩阵；G为网络中所有支路流量的列向量；Cf为管网的独立回路矩阵；ΔP为网络中所有支路压降的列向量；Greq为各末端设备的流量需求；ΔPpipe为管道的压降；ΔPvalve为控制阀的压降；u为末端设备所在支路的编号；Eu为末端设备的总数量，共448个；ET为预测周期，整个供暖季共2880个小时；k为输配管网中控制阀的编号；Ek为系统中各级控制阀的总数量，共456个。
四、进行变速水泵协同运行优化数学模型求解。
变速水泵协同运行优化求解程序框图，见附图3。采用粒子群优化算法利用MATLAB编程，进行变速水泵协同运行优化数学模型的求解。
为了便于分析本发明提出的协同优化策略的节能潜力，本实施例将协同优化策略与现有的定转速策略、定压差策略进行了对比。图10为不同策略下典型日(1月18日)水泵频率随时刻变化曲线。采用协同优化策略，利用协同运行优化数学模型求解的逐时最佳水泵变频比rf,o如图10所示。
五、进行变速水泵的逐时预调节。
根据逐时最佳水泵变频比rf,o，计算水泵进出口压差的逐时最佳设定值DPset,o，进行变速水泵的逐时预调节。水泵进出口压差的逐时最佳设定值DPset,o的计算公式为：
DPset,o＝Hpump
＝-0.002279Gpump 2+0.1211Gpump·rf,o+28.83rf,o 2
该住宅区域供热系统典型日(1月18日)逐时所需的总水量、水泵进出口压差设定值如图11所示。不同策略下典型日(1月18日)所需水泵功率的逐时变化如图12所示。不同策略下典型日(1月18日)的水泵日耗电量结果如图13所示。
由图11可以看出，该住宅区域供热系统所需总水量在典型日的不同时刻存在较大的波动，定速控制、定压差控制策略的水泵进出口压差均明显大于协同优化控制策略的设定值。这意味着在满足同样的流量需求的前提下，定速控制、定压差控制策略提供了过多的资用压力，多余的压力将被各级控制阀所消耗，导致水泵功率的浪费。由图12可以看出，在满足同样的流量需求的前提下，定速控制、定压差控制策略所需的水泵逐时功率明显高于协同优化策略。由图13可以看出，采用本发明提出的基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，在满足同样的流量需求的前提下，水泵典型日的耗电量比定压差策略节能58.9％，比定转速策略节能73％。
上述实例只为说明本发明的技术构思和特点，并不能以此限制本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，凡是根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰改进，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1，预测区域供冷/供热系统各末端设备随机负荷需求；
S2，给出区域供冷/供热系统运行调节特性的数学描述；
S3，根据系统各末端设备随机负荷需求和系统运行调节特性，建立变速水泵协同运行优化数学模型；
S4，进行变速水泵协同运行优化数学模型求解，得到变速水泵逐时最佳水泵变频比rf,o；
S5，根据变速水泵逐时最佳水泵变频比rf,o，计算变速水泵进出口压差的逐时最佳设定值DPset,o，进行变速水泵的逐时预调节。
2.根据权利要求1所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤S1中，各末端设备随机负荷需求的预测的流程包括：
1a)通过实地调研确定随机在室人员行为的特征参数；
1b)基于随机在室人员行为方法，使用DeST软件进行建筑各空间逐时负荷需求的模拟；
1c)将每个末端设备所承担空间的逐时负荷需求模拟值累加，计算各末端设备的逐时负荷需求Qreq(τ)。
3.根据权利要求1所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤S2中，区域供冷/供热系统运行调节特性数学描述的内容包括：
2a)由各末端设备的逐时负荷需求计算区域供冷/供热系统各末端设备的逐时流量需求；
2b)采用图论的方法对区域供冷/供热系统输配管网进行建模；
2c)确定变频水泵的扬程Hpump与水泵流量Gpump和水泵变频比rf两个变量的关系式；
2d)确定变速水泵能耗的数学模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤2a)中，计算区域供冷/供热系统各末端设备的逐时流量需求，计算公式为：
Figure FDA0002535232810000021
其中：Qreq(τ)为各末端设备需提供的逐时负荷需求；tg th分别为各末端设备的供、回水温度。
5.根据权利要求3所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤2b)中，区域供冷/供热系统输配管网建模如下：
Figure FDA0002535232810000022
其中，Bk为基本关联矩阵；G为网络中所有支路流量的列向量；Cf为管网的独立回路矩阵；ΔP为网络中所有支路压降的列向量。
6.根据权利要求3所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤2c)中，变频水泵的扬程Hpump与水泵流量Gpump和水泵变频比rf两个变量的关系式为：
Figure FDA0002535232810000023
其中，Gpump为水泵的流量；rf为水泵变频比；a,b,c为拟合系数。
7.根据权利要求3所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤2d)中，变速水泵能耗的数学模型为：
Figure FDA0002535232810000024
ηZ＝ηpumpηvfdηe
其中，Wpump为变速水泵的功率；g为重力加速度；Gpump为水泵的流量；Hpump为水泵扬程；ηZ为总效率；ηpump是水泵效率；ηvfd为变频器效率；ηm为电动机效率。
8.根据权利要求1所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤S3中，变速水泵协同运行优化数学模型为：
Figure FDA0002535232810000031
Figure FDA0002535232810000032
其中，Wpump为变速水泵的功率；g为重力加速度；Gpump为水泵的流量；Hpump为水泵扬程；ηZ为总效率；tw为室外气温；τ为一天中不同的时刻；rf为水泵变频比；Xv为阀门开度；Bk为基本关联矩阵；G为网络中所有支路流量的列向量；Cf为管网的独立回路矩阵；ΔP为网络中所有支路压降的列向量；Greq为各末端设备的流量需求；ΔPpipe为管道的压降；ΔPvalve为控制阀的压降；u为末端设备所在支路的编号；Eu为末端设备的总数量；ET为预测周期；k为输配管网中控制阀的编号；Ek为系统中各级控制阀的总数量。
9.根据权利要求2所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤S4中，变速水泵协同运行优化数学模型的求解方法采用粒子群优化算法。
10.根据权利要求1所述的一种基于协同优化策略的变速水泵运行调节方法，其特征在于，所述步骤S5中，变速水泵进出口压差的逐时最佳设定值DPset,o的计算公式为：
DPset,o＝Hpump
＝aGpump 2+bGpump·rf,o+crf,o 2
其中，Gpump为水泵的流量，即系统所需总水量；rf,o为最佳水泵变频比；a,b,c为拟合系数。
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