增压泵组的节能优化研究

作者:蒙晨;杨帅;武鹏;吴大转; 刊名:流体机械 上传者:张君楠

【摘要】对增压泵组变压节能供水模式的实现方式和控制逻辑进行了理论分析和试验验证.构建一种以PLC和变频器相结合的控制系统,建立变压控制泵组的节能控制模型,包括管网系统用水需求预测模型、变压控制模型以及能效判据为主导的增减泵控制模型等,进而实现增压泵组的变压控制和节能运行.试验结果表明,控制模型的用水需求预测准确性可达90%以上,且敏感性较高;能效优化方案可有效改善泵组控制效果并能提高泵组能效.研究结果可为增压泵组节能运行及变压控制系统的设计提供参考.

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1前言离心泵组变频恒压供水是目前国内广泛采用的一种节能供水模式,与传统供水设备相比,具有实时性好,节能效果强,避免水源二次污染等特点[1~4]。然而恒压供水设备在设计时,由于无法预估楼宇管路系统的流动损失及用户用水需求的波动性等因素,泵选型常留有较大余量,且供水需求在各个季节以及每天不同时段都不尽相同,这些因素常使得增压泵组运行偏离最佳工况点,效率较低。同时,末端用户侧水压偏高时,还会增加滴漏和故障率。因此,供水设备仍存在较大节能空间,在满足用水需求的前提下,进一步降低能耗是供水系统发展的必然趋势。变频变压供水模式可以兼顾用水需求及管路系统特性,相比恒压供水模式,节能效果更为显著,智能性更强[5,6]。由于供水管路系统具有不确定性强、非线性、大时滞性等特点,系统 控制过程极易造成波动,建立可靠精确的控制模型,提高实时性是推广变频变压供水技术的关键。汤跃等进行了变压模型辨识试验研究,确定变压供水控制模型是定结构的带延迟二阶模型,设计具有PID特性的变参数控制器,改善系统暂态性能[7]。Hammo,Viholainenx等对变压供水参数测量及能效控制方面做了研究分析,但目前尚未建立准确的控制模型[8,9]。在供水系统变压控制方案设计中,需要保证最不利点压力恒定,众多学者对压力控制点的设置位置进行了研究。魏道联、邱寿华等对压力控制点设置于系统最不利点处与水泵出水总管2种情况做对比研究,认为按照传统实现方式将压力传感器置于末端用户侧,有利于降低运行能耗[10,11]。这种方式需将压力数据通过无线或有线方式传送至控制中心形成闭环控制,进而调控供水设备实现最不利点压力恒定。武荣等经研究认为,该方案虽然节能且理论可行,但是实际控制系统常远离最不利点,无线远传或有线反馈方法会造成供水设备复杂化,系统的稳定性和成本等问题都将受到考验[12]。因此,实现控制信号的就近布置极为重要。另外,传统评估用户用水需求判断常需要安装流量计,增加控制成本,尤其对于供水管径较粗的管网。这些都对于变压供水模式的推广造成阻力。因此,本文从水泵运行原理出发,兼顾用水需求及管路系统特性,建立变频变压供水模型。具体以西门子PLC作为控制主体,建立变频器与泵的一对一控制,将实际的控压点置于供水设备出口,同时建立管网用水需求判断模型,保证远端最不利点供水压力的前提下实现控压点随用水量变化而变化[13]。另外,进一步建立以能效为主导的运行状态评估分析方法及水泵高效工作区约束机制,解决离心泵偏工况运行和增减泵控制问题,最终实现可靠性高并且在节能效果上明显优于变频恒压供水模式的智能变压供水设备。2增压泵组组成变频变压增压泵组结构如图1所示,主要包括进出水管路、并联离心泵组、稳压罐及电气控制柜等。进出水总管分别布置压力传感器。电气控制柜主要由可编程控制器(PLC)、变频器及电气元件组成。PLC选用西门子S7-200系列,采集压力、转速、功率等信号并输出控制信号给变频器,实现泵组调速控制。图1增压泵组组成示意3增压泵组控制方案3.1变压控制模型供水设备恒压控制模式通过调整水泵转速来维持供水压力的不变,满足用户用水量的变化,从而起到节能效果。而变压供水模式兼顾管路特性,通过置于增压泵组总出水口位置的控压点进行变压控制,根据管网流量需求的改变不断调整控压点数值,在保证最不利点供水压力前提下实现节能运行。增压泵组变频变压控制模型如图2所示。图2供水泵组变频变压控制模型从图中可见,理想控压点与流量的关系为线性关系,并位于管路特性曲线上方。因此,变压运行曲线依然能够满足供水需求,与恒压运行曲线相比降低了供水压力,具

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