基于实际管网特性的并联水泵节能运行研究.pdf

38doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2023.07.009应用能源技术2023年第7 期（总第3 0 7 期）基于实际管网特性的并联水泵节能运行研究梁云，赵晓宇，贺延壮（同方智慧能源有限责任公司，北京10 0 0 0 0)摘要：文中分析了影响实际管网特性的两个主要因素，管网最小阻力的存在导致实际水泵变频运行曲线与额定工况不相似，水泵运行台数的增减会导致管网阻抗系数改变，两者都会导致并联水泵运行调节时能耗大于理论上的相似估算值。为进行并联变频泵组节能运行优化，建立了数学模型，编写了python程序，可计算不同目标流量下水泵运行的最佳方案。结合实际案例，给出了水泵变频运行下限的计算方法，仿真模拟验证了该优化方法可以计算得到不同情况下运行方案之间的能耗差异，并分析了管网最小阻力和台数不同时的运行能耗量化结果，其中水泵运行台数增减导致管网阻抗系数的改变对能耗的影响更大。该研究基于水泵运行时面临的实际问题提出的解决方案，为挖掘水泵节能潜力、提升能耗预测精度提供参考。关键词：实际管网特性；最小阻力；节能运行优化；数学模型；仿真模拟中图分类号：TK01+8Energy-saving Operation Research of Parallel Pumps Basedon Actual Pipeline CharacteristicsLIANG Yun,ZHAO Xiaoyu,HE Yanzhuang(Tongfang Smart Energy Co.Ltd.,Beijing 100000,China)Abstract:This paper analyzes two main factors affecting the characteristics of actual pipelinenetworks.The existence of the minimum resistance in the pipeline network causes the actualfrequency conversion operation curve of the water pump to be dissimilar to the rated condition.Changes in the number of pump units can alter the impedance coefficient of the pipeline network.Both factors can lead to energy consumption during the adjustment of parallel pump operation beinggreater than theoretically estimated values.To optimize the energy-saving operation of parallelvariable-frequency pump units,a mathematical model is established,and a Python program isdeveloped to calculate the optimal operation of pumps at different target flow rates.Combiningpractical cases,the paper provides a method to calculate the lower limit of the variable-frequencypump operation and simulates and verifies that this optimization method can calculate the energyconsumption differences between different operation scenarios.The study also analyzes the quantitativeresults of energy consumption when the minimum resistance in the pipeline network and changes in thenumber of pump units occur,emphasizing that the change in the impedance coefficient of the pipelinenetwork due to the increase or decrease in the number of pump units has a greater impact on energyconsumption.This research proposes solutions based on the practical problems faced during pumpoperation,providing a reference for exploring the energy-saving potential of pumps and improvingenergy consumption prediction accuracy.Key words:actual pipeline characteristics;minimum resistance;energy-saving operation optimiza-tion;mathematical model;simulation and verification收稿日期：2 0 2 3-0 5-100引言作者简介：梁云（19 9 6）,女，研究生，工程师，从事智慧多台水泵并联运行是集中式空调水系统的典能源开发与利用研究工作。文献标志码：A文章编号：10 0 9-3 2 3 0(2 0 2 3)0 7-0 0 3 8-0 7修订日期：2 0 2 3-0 6-2 32023年第7 期（总第3 0 7 期）型形式,变频及自控技术的发展促进了变流量水系统的应用，国内外学者对此做了多方面的探讨 1-6 。在实际变频调节运行中，水泵工况点是水泵特性曲线与管网阻力特性曲线的交汇点 7 ，进行水泵频率和耗电量的估算时，通常直接利用相似定律（认为变频工作点与额定工况相似）计算,估算结果与实际电耗差距较大；在自控程序中一般根据经验值对水泵变频运行下限做出限定；应用能源技术HminBHmiminA3900BnnoAnA如何在考虑实际管网特性同时挖掘水泵节能运行式为”：图1最小阻力改变对水泵调速范围、工作点的影响潜力是待解决的问题。阻抗系数S与每台水泵的阻抗系数Si关系1实际管网特性的影响因素分析1.1管网最小阻力管网阻力、水泵扬程通常用水柱高度表示,管网特性曲线方程如公式(1)所示 7 。管网中的流动阻力一部分不随流量变化，另一部分与流量的平方成正比，两部分变化规律不一致，导致水泵在进行转速调节时工况点之间不满足相似定律。H=Hmin+SQ?(1)式中,H为总阻力，m;Hmn为管网最小阻力,m;Q为管网流量，m/s;S为管网阻抗系数，s/m。Hmin是管网最小阻力，ASHARE手册中称之为固定压力损失（fixed pressureloss），是不随流量变化的阻力。大多数可变流量系统在每个末端上都有单独的控制阀,以允许灵活调节,无论系统所需的流量如何,都要设定一个最小压差,以确保任何终端及其控制阀在满负荷时都能获得设计流量。在绘制系统管网特性曲线时,最小保持压差被视为固定压力损失，为系统曲线的起始基准。如图1所示,相同流量时，管网最小阻力的存在导致需要水泵提供的扬程更大，使水泵能耗增大;从管网最小阻力对水泵变频调速范围影响角度考虑,Hmm越大，水泵变频下限值越大，实际可调节频率范围越小。1.2水泵台数改变在空调水系统中，通常采用多台水泵并联方式变频运行。当管网中有多台水泵并联时，管网(2)并联支路间的流量比值与阻抗之间的关系为：Q1:Q2:Q;=一启、停泵瞬间管网的压力工况有较大波动，如图2 所示,水泵开启台数增加时，管网特性曲线变缓，管网阻抗系数S减小；水泵台数减少时，管网特性曲线变陡，管网阻抗系数S增大。HA1台水泵开启时管网特性曲线HM1台水泵H.min图2 并联水泵台数变化导致水泵工作点改变2并联变频泵组运行优化问题的建模2.1水泵特性水泵的基本特性参数主要有转速n、流量Q、扬程H、功率P、效率。水泵的扬程（全压)一流量曲线和效率一流量近似于抛物线，工程上通常(3)2台水泵开启时管网特性曲线2台水泵40采用二次回归方程即可满足精度要求,表达式为：2H=ao+ainonon=bo+br+bn式中,Q为泵组工作点的流量;ovi、2 为单台水泵额定转速下扬程流量特性曲线0、1、2 次项系数;no为水泵额定转速;ni为泵组当前转速；为泵组当前的效率,bo、b 1、b 2 为单台水泵额定转速下效率流量特性曲线0、1、2 次项系数。并联水泵组中各水泵的扬程相同,总流量等于各水泵流量之和。H并联=H,=H,=.=H.Q并联=Q1+Q2+.+Qn2.2管网阻力特性管网阻抗系数可用下式计算：8(+Z)S=式中,入为摩擦阻力系数;为局部阻力系数;l为管道长度;d为管道内径 7 。2.3并联变频泵组运行优化问题对于空调水系统中的并联变频泵组,在某一目标流量下可能有多种运行方案，即管网特性曲线会与多条不同台数、频率的水泵特性曲线相交。不同的运行方案，水泵的运行效率、能耗等也不同,以节能为目标的运行方案即转化为电耗最小的极值问题。基于变频并联水泵组特性与管网阻力特性,水力工作点需要满足目标流量和目标扬程的要求,构建泵组运行方案能耗极值问题（即多约束条件寻优)的数学模型。已知条件：水泵性能曲线、台数、工作区间、管网阻抗系数、最小阻力、流量。求解水泵的开启台数、频率、效率、扬程、能耗。泵组运行工作点下最优运行方案的数学模型如下：(1)目标函数求解泵组输人功率最小、水泵工况点对应的水泵开启台数、频率。应用能源技术(2)约束条件()Q1+a2Q.2条件1：各台水泵流量之和大于等于目标总(4)流量。no2QI22023年第7 期（总第3 0 7 期）(5)条件2：各台水泵扬程大于等于目标扬程。条件3：各台水泵的流量满足最大流量、最小流量的要求。条件4：各台水泵的频率满足最大频率、最小频率的要求。条件5：水泵开启的台数小于等于水泵的配置台数。要想使泵组总功率最小，泵组的效率需取得最大值。文献 10 中提及的变频器的效率和电(6)机的效率对于整个系统的电耗影响可以忽略，可(7)将其视作常量,故最终问题转化如何在约束条件下，求得水泵的启停台数、流量分配关系，使优化目标取得最值的问题。对于同种型号的水泵并联,频率一致时整体(8)效率最高，输入功率最小。因此台同种型号水泵并联时,当水泵工况点已知,将管网特性曲线与变频水泵组扬程流量特性曲线联立，得到满足当前流量、扬程下水泵变频的最优频率，计算公式为：2Ho+SQ=oTmin式中,m为并联水泵台数；f为水泵额定转速对应的频率50 Hz；f mmn 为泵组当前组最优频率。对于同种型号的水泵并联,频率一致时整体效率最高,输人功率最小。泵组在当前工作点的效率计算公式如下：fomax=bo+b,hminm式中，nmx为当前水泵水泵工作点的效率。泵组的输人功率计算公式为：HON=一maxmvfd式中,N为泵组的输人功率。+aifmfomJommin(10)(11)+a2m(9)2023年第7 期（总第3 0 7 期）（3）计算最优运行方案按上述方法计算每种组合方案水泵组的能耗,能耗最小值对应的水泵台数、频率即为当前最优运行方案。(Q,S,m;f)min利用Python编写并联变频泵组运行优化程序，以实现目标工作点的最优运行方案的自动应用能源技术3所示，水冷冷水机组选用3 台离心机和2 台变频螺杆机,详细参数见表1。冷冻水为一级泵变流量系统,对应冷机的冷水泵有2 种型号，详细参数见表2，电机均采用变频。(12)A41BB求解。3工程案例仿真计算及结果分析对某项目集中制冷机房冷冻水系统仿真计算，解决第0 部分提到的实际问题。3.1工程概况珠海市某科技园总建筑面积2 5.2 2 万m,设计冷负荷42 0 0 RT，集中制冷机房冷源侧系统如图表1编号表2编号额定流量/m3 h-1A687B270为保证水泵、冷机的安全高效运行,A泵与I冷水机组配合使用时,最小流量应为3 2 3.7 m/h。B泵与冷水机组搭配使用时系统的最小流量为80m/h。以设计负荷为负荷率10 0%，根据冷水机组的配置及技术参数,按照负荷区间划分的冷水机组运行方案见表3。表3负荷、负荷率区间负荷区间负荷率区间%4081607kW2.7%10.8%1607 3.214 kW10.8%21.7%32143868kW21.7%26.1%38687736kW26.1%52.2%7 736 11 604 kW52.2%78.3%11 604 13 211 kW78.3%89.2%13 211 14818 kW89.2%100%冷水机组一冷水机组冷冻水侧技术参数额定制冷量额定输人功率进出口温度3868kW632.4kW1 607 kW272.7 kW额定功率/kW101.946.6冷机运行方案1I211121313 I+1 I3 I+2 II冷水机组一图3 一次泵变流量系统压降台数设计最小流量12/7106 kPa12/761.2 kPa冷水泵技术参数额定扬程/m效率4684%5282%3.2实际管网特性计算分析如图4所示，在应用第2 部分仿真程序计算时，需要分析不同工况的实际管网特性及水泵频率下限值。首先根据该项目冷冻水管网设计资料与实际管路敷设情况计算管网的最小阻力，得到最小阻力为5.3 6 m。其次计算不同水泵台数开启时冷源侧的管网阻抗系数。最后计算水泵频率下限。水泵变频下限取值,由最小流量Qmin、水泵特性曲线、管网特性曲线共同决定。图5中0 为设计工况管网特性曲线与水泵特性曲线交点，根据工程设计和设备配置确定的水泵最小流量及管网曲线确定A点。冷水机组3323.7 m/h270 m/h台数流量区间/m h-13250 846280320冷水机组冷水机组设计最小阻力30.6 kPa15 kPa42过最小流量A绘制相似曲线与水泵特性曲线交0点，A、O 两点为相似工况点，nmin/no=Qmin/Q。,n mi n 为水泵变频下限。根据以上计算方法，A泵的频率下限是2 6.6 Hz,B泵的频率下限是19.4 Hz。管网设计资料1管网最小阻力计算管路敷设实况2管冷源侧管网阻力管网设计资料系数计算水泵开启台数水泵特性曲线水泵最小流量3计算水泵频率下限管网阻力系数最小阻力图4管网特性分析流程最小流量时的H管路特性曲线相似曲线设计工况管路特性曲线0nminHmin3.3并联水泵运行方案寻优应用仿真程序计算同一流量需求时水泵的最优运行方案，计算工况选为系统负荷率47%，即表4中运行两台冷水机组I在冷负荷率9 0%，此时冷冻水实际流量需求为Q=1193.6m/h。仿真算例1：水泵运行方案有两种，运行工况点和功率等分别如图6 所示和表4。应用能源技术表4A泵频率/Hz效率扬程/m功率/kW总功率/kW运行台数245.283.79%38.28332.382.94%19.9860,管网特性曲线管网特性曲线502台A泵并联变频40特性曲线I303台A泵并联变频20特性曲线1000500100015002000Q/m3 h-1图6 并联水泵在实际管网中的工作点从图6 中可见,对于在某一目标流量下可能有多种运行方案，即管网特性曲线与多条并联水泵变频曲线相交。由表4可见本算例得到的两种方案管网阻力特性不同,水泵特性曲线不同,水泵运行频率、功率存在差异，管网阻抗系数小的运行方案更节能，即第二种运行方案开启3 台A泵，频率调节为3 2.3 Hz,单台水泵消耗功率为26.1kW,水泵总输人功率为7 8.3 kW,较第一种：方案更节能,两种方案能耗相差7 0.1kW,第二种Qmin20图5水泵变频下限图解法2023年第7 期（总第3 0 7 期）实际流量需求时的运行方案74.226.125002。方案的节能率为47.2%，因此水泵运行方案寻优对于节能影响较大。若采用直接利用相似定律简化估算水泵能耗的方法，以上两种方案的单台水泵能耗分别为66.8、19.7 9 k W，比表4中的结果要小7.4kW、6.3kW，误差百分比分别为9.9 8%、2 4.17%。可以看出,由于实际管网存在最小阻力，不符合相似定律的应用条件；本案例中工程常用的简单估算方法导致的能耗偏差低于不同运行方案的能耗差异，但偏差百分比达2 0%，若要提高能耗预测精148.478.32023年第7 期（总第3 0 7 期）度,不应直接采用简化估算水泵能耗的方法。仿真算例2：在仿真算例1的基础上减小管网的最小阻力,应用程序计算对比相同流量下的表5最小阻力/m31.50仿真算例2 模拟了水泵在相同的流量需求时,在不同管网中运行时的能耗差异分析,结果验证了当管网最小阻力减小时，相同流量时水泵频率值降低从而水泵能耗降低。与仿真算例1的运行方案对比，管网最小阻力从5.3 6 m降低至3m后,频率调节为3 1.2 Hz,单台水泵功率为23.99kW,单台水泵的能耗与实际相比减小了2.11kW，总功率降低了6.3 2 kW，节能率为8.09%；管网最小阻力降低至0 m后，单台水泵的功率为2 1.3 9 kW，相同负荷率时总功率为64.16kW,与实际系统最节能的运行方案相比减小了14.14kW，节能率为18.0 8%；还可以看出管网最小阻力越接近于0（理想情况)的能耗比例相差越大。因此，在进行设备选型、管路设计和安装调试时尽量减小管网最小阻力。水泵在不同目标流量下的运行方案之间能耗差异情况与水泵技术参数、水泵特性曲线的类型、管网特性密切相关。本文算例1和2 中仅分析了A水泵在相同的流量需求时不同运行方案的能耗差异，实际系统应根据具体参数进行实时计算。实际工程自控系统中，水泵与冷水机组是否一一对应开启与管路设计有关。本文算例1和2 中的最优方案仅考虑水泵开启台数，没有讨论冷水机组台数的问题，冷站总体优化方案应根据实际管网特性、水泵特性、冷机性能特性以及水泵与冷机应用能源技术水泵最佳运行方案的能耗结果如表5所示，都为开启3 台A泵。最小阻力降低后运行方案计算结果A泵运行台数频率/Hz331.2330.5329.843效率扬程/m83.42%18.4883.68%17.5283.87%16.56连接形式等进行总体能耗寻优的计算。4结束语本文在实际管网特性分析的基础上从实际应用的角度提出了并联水泵变频运行方案寻优的方法，得出以下结论：(1)影响实际管网特性的主要因素为最小阻力和管网阻抗系数。管网中不随流量变化管网中的流动阻力是管网最小阻力，其存在对水泵调速范围、能耗产生影响；水泵并联运行台数增减时改变管网阻抗系数,水泵开启台数增加时，管网特性阻抗系数减小；水泵台数减少时，管网阻抗系数增大。(2)建立了并联变频水泵运行方案节能寻优的数学模型,编写了Python 程序,通过输人水泵性能曲线、台数、工作区间、管网阻抗系数、最小阻力、流量可计算输出该场景下水泵运行的最佳方案台数、频率,效率、扬程、能耗。(3)通过仿真实例，验证了上述方法可以实现多台水泵并联变频运行时最节能方案求解的功能,计算结果显示直接利用相似定律简化估算水泵能耗与考虑实际管网特性后运行能耗的差异较大，偏差百分比可达近2 0%，水泵运行台数增减导致管网阻抗系数的改变的影响更大,不同方案间能耗差异率达47%，因此有必要基于实际管网特性进行水泵运行方案寻优计算。功率/kW23.9922.6821.39总功率/kW71.9868.0364.1644本文中水泵运行方案寻优的仿真程序具备挖掘水泵节能潜力、提升能耗预测精度、计算速度快、可实时连续计算等优点，下一步可在实际应用中结合管网水力计算模型、自控策略算法优化扩展，更加还原项目实际应用场景，随着物联网、人工智能技术的发展,水泵控制调节向智能、节能、精准方向发展。参考文献1 Kuhnert C,Gonuguntla NM,Krieg H,et al.Applicationof LSTM Networks for Water Demand Prediction in Op-timal Pump Control.Water,2021,13(5):644.2EYAL PRICE,AVI 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