CN206360877U - 一种变频水泵并联运行的节能优化控制*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种变频水泵并联运行的节能优化控制***，用于***流量和***扬程确定时的优化控制，包括压差传感器、控制器、变频器启停开关、冷冻水泵；压差传感器用于获取并联泵组前后压差值，将压差值反馈给控制器，冷冻水泵将实际运行台数和运行频率反馈给控制器；所述控制器包含一最优逻辑判断模块，控制器获取压差值、运行台数、运行频率、***流量、***扬程，通过最优逻辑判断模块，指令变频器启停开关调节冷冻水泵运行频率和启停水泵台数。本实用新型的泵组并联节能优化控制***能根据所需的流量和扬程，根据水泵启动台数和水泵转速最优化工况点寻优，找到水泵运行能耗最优化工况点，从而确保并联水泵总能耗最低，获得最大经济效益。
Description
技术领域
本实用新型属于变频泵组并联运行领域，具体涉及一种变频水泵并联运行的节能优化控制***，主要用于输送冷却水和冷冻水冷量的并联离心泵组优化控制。
背景技术
在中央空调水***中，外部的热交换由冷冻水及冷却水***来完成的，水泵的安全、正常、稳定运行，对整个中央空调***的影响很大，水泵正常运行过程中涉及到的水泵启停、变频等调节手段，直接影响水泵正常运行期间的节能效果。因此对中央空调水***中水泵的运行工况分析、节能模式分析均具有重要的意义。水泵的工况分析、节能运行的管路***设计分析也一直是设计、管理、节能等技术人员非常关心的技术问题。
在传统中央空调水***中，冷水机组与冷冻水泵、冷却水泵通常按照一对一配置，由于设备易于老化使用寿命短；为了留有裕量通常都采用过容设计使装备在低负荷下运转，且水泵负载在满负荷情况下运行的时间较少，大部分时间运行在总负荷60％-80％之间，大多数应用场合都使用挡板和闸流阀调整流量，运行效率低，造成很大的能源浪费。而普通中央空调水泵变频改造，仅根据负荷变化的反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制***，使泵的转速随负荷变化，这种变频控制方式虽可以节能但远不是最优的水泵并联运行方式。这是因为通过不同的水泵台数组合和转速调节，均能够满足***所需的流量和扬程，但不同的组合所消耗的功率却不相同。因此，对于冷却水泵和冷冻水泵，在不同的流量和扬程工况下，均存在一组在满足流量和扬程的水泵启停台数和转速组合，确保能耗最低，因此，仅通过变频控制水泵转速往往无法实现水泵并联运行的最优化控制，在改变水泵转速的情况下，还需要结合调整水泵启停台数，本实用新型正是基于上述考量而提出。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种变频水泵并联运行的节能优化控制***。
本实用新型的技术方案如下：
一种变频水泵并联运行的节能优化控制***，用于***流量和***扬程确定时的优化控制，包括压差传感器、控制器、变频器启停开关、冷冻水泵；所述压差传感器用于获取并联泵组前后压差值，将压差值反馈给控制器，冷冻水泵将实际运行台数和运行频率反馈给控制器；所述控制器包含一最优逻辑判断模块，控制器获取压差值、运行台数、运行频率、***流量、***扬程反馈给最优逻辑判断模块，经最优逻辑判断模块运算获取最优运行频率和最优运行台数，指令变频器启停开关依据最优运行频率和最优运行台数调节冷冻水泵运行频率和启停水泵台数。
较佳地，最优逻辑判断模块输入现有水泵启动台数和水泵转速，匹配***流量和***扬程，输出水泵运行能耗最优化工况点。
本实用新型中，最优逻辑判断模块是基于上述的寻优原理进行的判断，寻优过程主要涉及数学运算，这一过程是现有技术中涉及的内容，本实用新型的改进之处也不在此处，而是一整套优化控制***的综合。
本实用新型的泵组并联节能优化控制***能根据所需的流量和扬程，根据水泵启动台数和水泵转速最优化工况点寻优，找到水泵运行能耗最优化工况点，从而确保并联水泵总能耗最低，获得最大经济效益。
附图说明
图1为冷冻水泵并联运行调节控制逻辑图；
图2为水泵性能曲线图；
图3为本实用新型冷冻水泵运行启停台数和调节频率控制框图；
图4为冷冻水泵运行启停台数和运行频率调节Simulink仿真图；
图5为单台水泵性能工作特性曲线；
图6为水泵并联工作特性曲线；
图7为水泵变频并联工作扬程、功率与流量特性曲线；
图8为水泵变频并联工作总功率、水泵转速与水泵启停台数特性曲线；
图9为水泵并联运行穷举法寻优流程。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
本实用新型提供一种变频水泵并联运行的节能优化控制***，用于***流量和***扬程确定时的优化控制，包括压差传感器、控制器、变频器启停开关、冷冻水泵；所述压差传感器用于获取并联泵组前后压差值，将压差值反馈给控制器，冷冻水泵将实际运行台数和运行频率反馈给控制器；所述控制器包含一最优逻辑判断模块，控制器获取压差值、运行台数、运行频率、***流量、***扬程反馈给最优逻辑判断模块，经最优逻辑判断模块运算获取最优运行频率和最优运行台数，指令变频器启停开关依据最优运行频率和最优运行台数调节冷冻水泵运行频率和启停水泵台数。
水泵并联运行工作原理
本实用新型实施例以在中央空调***中用于输送冷却水和冷冻水冷量的离心泵作为研究对象，离心泵的工作原理是利用叶轮旋转而使水产生离心力而工作，因此与离心泵相关的运行参数主要有转速(n)、扬程(H)、轴功率(N)、效率(η)、流量(Q)等重要参数。
针对单台水泵，设流量与扬程成二次方关系，则：
H＝a1*Q2+b1*Q+c1 (一)
公式(一)中：
H：水泵扬程
Q：单台水泵流量
a1、b1、c1：水泵性能曲线系数
由水泵并联工作特性曲线可知，当水泵并联同时运行时，通过调节管网特性曲线，确保水泵扬程不变时，***流量随着水泵台数的增加成倍增加。即：
公式(二)中：
Q：单台水泵对应流量；
Qm：m台水泵对应流量；
m：水泵并联启动台数。
将是带入上式得：
根据流体力学相似定律可知，当改变水泵的转速(变频)时，相应的水泵流量、扬程、功率也会发生改变，具体变化关系为：
将上式带入公式(三)中得：
由上式可见，对于水泵并联并且变速调节的空调水***，当流量和扬程确定时，可以通过不同的水泵启停台数m和水泵转速n的组合[m，n]获得相同的流量和扬程，并且其对应的水泵能耗也不相同。
同理，可以演变出水泵流量和功率的对应关系为：
水泵并联运行控制逻辑及节能工况分析
本实用新型实施例以冷冻水泵为例，其水泵启停及频率调节运行控制如图1所示：由图可知，水泵调节以频率(转速)调节为主。当频率调节无法满足***运行需求时，采用水泵台数启停调节，当改变***水泵运行台数后，水泵继续以频率调节，从而减少水泵频繁启停频率。
由水泵性能曲线图(见图2)知，当水泵运行工况偏离最佳运行工况点后，其水泵的运行效率η将降低。对于水泵并联运行工况，也会出现水泵泵组流量大，能耗反而低的情况。
对于***已经确定流量和扬程的情况下，水泵的运行组合(启停台数，调节频率)不同，也会导致不同的运行能耗。
水泵运行调节模块建模
根据水泵运行工作原理和水泵运行控制逻辑，建立冷冻水泵模块和运行控制调节仿真程序，如图所示：
图3是冷冻水泵运行启停台数和调节频率控制框图，其中控制器是根据编写的控制程序，控制程序直接根据***反馈回的压差和实际运行的冷冻水泵运行台数，运行频率(转速)，通过逻辑判断，调节冷冻水泵运行频率和启停水泵，从而控制冷冻水泵的实际启停台数和转速，同时冷冻水泵又将水泵泵组运行参数反馈回控制器，参与下一次的逻辑控制。
根据图3控制框图和图1的调节逻辑图，在Simulink中搭建各模块，图4为冷冻水泵运行启停台数和运行频率调节Simulink仿真图，其中控制器(controller)和水泵(PUMP)模块利用Embedded MATLAB Function模块直接编写控制程序，并利用Create Subsystem封装在一起，Scope为输出显示模块，可以直接查看水泵运行期间各参数的实际变化情况。
水泵并联运行最优工况点寻优
水泵性能参数及寻优步骤
本实用新型实施例以IH/IS150-125-250A型号水泵为试验对象，水泵对应性能参数如表1：
表1 IH/IS150-125-250A型号水泵性能参数表
Step1:根据已知的水泵性能参数，通过数据拟合获得单台水泵性能曲线系数a、b、c(参见图5)。
Step2:根据水泵并联工作原理(当水泵并联运行时，通过调节管网阻力特性曲线，确保水泵扬程不变的情况下，水泵流量增加的倍数与水泵启动的台数相同)，绘制水泵并联工作特性曲线(参见图6)。
Step3:根据水泵相似定律，绘制水泵变频(转速改变)时对应性能曲线(参见图7)。
由图可知，通过不同的水泵台数组合和转速调节，均能够满足***所需的流量和扬程，但不同的组合所消耗的功率却不相同。因此，对于冷却水泵和冷冻水泵，在不同的流量和扬程工况下，均存在一组在满足流量和扬程的水泵启停台数和转速组合，确保能耗最低。
Step4:根据已知的水泵运行所需流量和扬程，确定水泵运行组合[m，n]。
在给定水泵流量(Q＝500m3/h)和扬程(H＝16m)时，由图8可知，当启动1台水泵时，需要转速达到2323r/min，已经完全超出了水泵设计转速范围，而且功耗也达到最大57.28kW了，启动2台和启动4台的水泵功耗接近相同，分别为P2台＝29.9kW和P4台＝29.3kW，而启动3台水泵的总能耗最小，仅为27.6kW，相应水泵转速为1367r/min，满足水泵性能参数要求，因此当给定水泵流量(Q＝500)和扬程(H＝16m)时，***启动3台水泵运行工况最优。
由图8可知，不管对于中央空调冷却水还是冷冻水，当***所需要的冷却水、冷冻水对应的流量和扬程确定后，水***功耗最小的水泵运行台数以及每台水泵对应的运行转速也将一一确定。因此对应中央空调水***而言，水泵运行能耗最优化工况点寻优，将相应的转化为水泵启动台数和水泵运行转速最优化工况点寻优。
另外，我们拟采用穷举法对水泵并联运行最优工况点寻优：
穷举法的基本思想是根据题目的部分条件确定答案的大致范围，并在此范围内对所有可能的情况逐一验证，直到全部情况验证完毕。若某个情况验证符合题目的全部条件，则为本问题的一个解；若全部情况验证后都不符合题目的全部条件，则本题无解。针对水泵运行工况寻优，由于启停台数范围为：1≤m≤3的整数值，因此可以减小了最优解验证工作量，缩短寻优时间，因此本实用新型实施例对应水泵最优组合[m，n2]寻优算法采用穷举法进行寻优，其寻优流程如图9。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种变频水泵并联运行的节能优化控制***，用于***流量和***扬程确定时的优化控制，其特征在于，包括压差传感器、控制器、变频器启停开关、冷冻水泵；所述压差传感器用于获取并联泵组前后压差值，将压差值反馈给控制器，冷冻水泵将实际运行台数和运行频率反馈给控制器；所述控制器包含一最优逻辑判断模块，控制器获取压差值、运行台数、运行频率、***流量、***扬程反馈给最优逻辑判断模块，经最优逻辑判断模块运算获取最优运行频率和最优运行台数，指令变频器启停开关依据最优运行频率和最优运行台数调节冷冻水泵运行频率和启停水泵台数。
2.根据权利要求1所述的变频水泵并联运行的节能优化控制***，其特征在于，最优逻辑判断模块输入现有水泵启动台数和水泵转速，匹配***流量和***扬程，输出水泵运行能耗最优化工况点。
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