变水位取水泵站中水泵同步变速调节的节能控制方法

摘要

变水位取水泵站中水泵同步变速调节的节能控制方法，涉及变水位取水节能控制领域。本发明针对变水位取水泵站系统中，水泵采用变转速以适应水位变化的运行方法中所存在的能耗高、调节不合理和不便应用的缺点而提出的。主要步骤：对控制器进行初始化；计算变频控制点参数；进行运行水泵调速运行；水泵运行参数的实时监测和水泵、管网特性曲线的在线修改；在运行过程中控制器采集并记录水泵的运行参数，包括流量、扬程、转速、电流和电压的值。根据这些实际运行的数值就可以对拟合得到的水泵和管路的特性曲线进行在线修改，用实际运行值对理论计算值进行修正能更好地指导水泵运行。本发明适用于采用多台水泵并联运行的变水位取水泵站系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变水位取水泵站中水泵调节的节能控制方法，涉及变水位取水节能控 制领域。

背景技术

工程实际中，冬季与夏季的城市供水量基本变化不大。但由于不同季节水位的变化， 导致水泵的静扬程变化较大。

目前泵站设计中以最高日用水量作为取水泵站的设计流量，以入口水面高度与泵站的 最低水位高度之间高差作为静扬程。这样极端的不利工况出现的时间很短，导致以全年有 较大水位波动的江河湖及地下水为水源的取水泵站在设计之初就功耗过大、浪费能源。现 有设计方法会造成丰水期的泵站输出功率过高，不仅浪费电能，而且缩短机组寿命。

采用水泵变频调速技术使水泵扬程减小以适应水位的变化，该方法也不合理。因为水 泵的能耗不仅与水泵的扬程有关，还与水泵的电动机和变频器等设备的效率有关。对于水 位变化较小的取水系统，如果使用变频调速技术，节能率很小，有时不但不节能，反而会 导致能耗增加。当水位变化较大时，随着水泵转速的降低，电动机和变频器的效率都迅速 降低，系统应用变频调速技术也未必节能。因此，需要综合考虑使用水泵变频调速技术后 的节能率。

发明内容

本发明针对变水位取水泵站系统中，水泵采用变转速以适应水位变化的运行方法中所 存在的能耗高、调节不合理和不便应用的缺点，而提出了一种变水位取水泵站中水泵同步 变速调节的节能控制方法。

如图1所示的变水位取水泵站系统中，管网水泵为并联运行的同型号变频泵，设有m 台。通过研究发现，采用多台水泵并联同步变频调速的调节方式既能满足管网流量要求又 能实现节能运行并且便于调节，本发明就是针对上述水泵运行方式的一种节能控制方法。

本发明所述变水位取水泵站中水泵同步变速调节的节能控制方法的步骤如下：

步骤一：对控制器进行初始化；将所选型号水泵样本中提供的单台水泵在额定转速 n₀下运行工况点的流量、扬程、功率和效率值输入到控制器中，控制器通过数学方法拟合 得到单台水泵的特性曲线；控制器再分别得到m台水泵并联同步变频调速时的特性曲线； 然后将管网的设定流量和设定流量下的管网阻力输入到控制器中，控制器计算得到管网的 阻力特性曲线；最后将水泵电机和水泵变频器的效率输入到控制器中，完成控制器的初始 化，其中m为管网中水泵的总台数；

步骤二：计算变频控制点参数；将步骤一中得到的m台水泵并联同步变频调速时的特 性曲线和水位变化后的管网的阻力特性曲线、以及水泵高效运行的约束条件、水泵电机和 变频器的效率曲线、水泵节能率计算曲线联立求解获得水位变化后的水泵变频控制点的参 数调速比、转速、扬程等；

步骤三：进行运行水泵调速运行；在运行过程中，控制器通过流量传感器和水位传感 器实时采集管网的流量值和静水位值，并从水泵变频调速器中采集并记录水泵的流量、扬 程、转速、电流、电压值；随着管网水位的变化，可计算出对应的调速比。若此时水泵在 高效区运行，而且节能率大于0，则控制器向水泵变频调速器发出指令，进行水泵调速运 行，否则就继续按照多台泵并联额定转速运行；

步骤四：水泵运行参数的实时监测和水泵、管网特性曲线的在线修改；在运行过程中 控制器采集并记录水泵的运行参数，包括流量、扬程、转速、电流和电压的值。根据这些 实际运行的数值就可以对拟合得到的水泵和管路的特性曲线进行在线修改，用实际运行值 对理论计算值进行修正能更好地指导水泵运行。

本发明具有以下有益效果：本发明的运行控制方式是以水泵的总体节能率作为目标函 数的，所以按照该方式进行运行可使能耗达到最小，并且实现方法简便易行。本发明方法 通过对水泵、电机、变频器、管网系统的已知参数的处理，得到各水位下水泵的最佳运行 状态，指导水泵的运行，使管网水泵的能耗达到最低。本发明适用于采用多台水泵并联运 行的变水位取水泵站系统。

具体优点如下：

1.该方式是以水泵的总体节能率作为目标函数的，保证了水泵始终在高效区运行。

2.在运行过程中进行了运行参数的实时检测和记录，并实现了水泵、管路特性曲线 理论拟合结果的在线修正。

3.提出了水位变化时综合考虑水泵效率、电机效率、变频器效率的水泵并联同步调 速控制点的计算方法，方法简单便于实现。

4.与传统的调节方式相比较，节能达到10％-15％。

附图说明

图1为水泵同步变速调节变水位取水泵站系统(变水位取水泵站)的结构示意图； 图2为水泵并联同步调速运行以适应水位变化示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤如下：

步骤一：对控制器5进行初始化；将所选型号水泵1样本中提供的单台水泵1在额定转 速n₀下运行工况点的流量、扬程、功率和效率值输入到控制器5中，控制器5通过数学方法 拟合得到单台水泵1的特性曲线；控制器5再分别得到m台水泵1并联同步变频调速时的特 性曲线；然后将管网的设定流量和设定流量下的管网阻力输入到控制器5中，控制器5计 算得到管网的阻力特性曲线；最后将水泵电机和水泵变频器的效率输入到控制器5中，完 成控制器5的初始化，其中m为管网中水泵1的总台数；

步骤二：计算变频控制点参数；将步骤一中得到的m台水泵1并联同步变频调速时的 特性曲线和水位变化后的管网的阻力特性曲线、以及水泵1高效运行的约束条件、水泵电 机和变频器的效率曲线、水泵节能率计算曲线联立求解获得水位变化后的水泵变频控制点 的参数调速比、转速、扬程等；

步骤三：进行运行水泵1调速运行；在运行过程中，控制器5通过流量传感器3和水位 传感器4实时采集管网的流量值和静水位值，并从水泵变频调速器2中采集并记录水泵1的 流量、扬程、转速、电流、电压值；随着管网水位的变化，可计算出对应的调速比。若此 时水泵在高效区运行，而且节能率大于0，则控制器5向水泵变频调速器2发出指令，进行 水泵调速运行，否则就继续按照多台泵并联额定转速运行；

步骤四：水泵1运行参数的实时监测和水泵1、管网特性曲线的在线修改；在运行过 程中控制器5采集并记录水泵1的运行参数，包括流量、扬程、转速、电流和电压的值。 根据这些实际运行的数值就可以对拟合得到的水泵和管路的特性曲线进行在线修改，用实 际运行值对理论计算值进行修正能更好地指导水泵运行。

具体实施方式二：本实施方式是对于具体实施方式一中的步骤一的进一步说明，步骤 一是将所选型号水泵1样本中提供的单台水泵1在额定转速n₀下运行工况点的流量、扬 程、功率和效率值输入到控制器5中；控制器5用最小二乘法对输入的数据进行多项式 拟合，多项式的形式如公式1：

$\left(\begin{array}{c}H=A_0+A_{1}Q+A_2{Q}^2\\ N=B_0+B_{1}Q+B_2{Q}^2\\ \eta =C_{0}Q+C_1{Q}^2+C_2{Q}^3\end{array}\right)---\left(1\right)$

通过上述拟合就可以得到式中系数A₀、A₁、A₂、B₀、B₁、B₂、C₀、C₁、C₂的值，从而 得到所选型号的单台水泵1在额定转速n₀下的特性曲线，然后根据相似定律得到单台水 泵1在任意转速n下的Q-H、Q-N、Q-η特性曲线，如公式2：

$\left(\begin{array}{c}H=A_0{k}^2+A_1\mathrm{kQ}+A_2{Q}^2\\ N=B_0{k}^3+B_1{k}^{2}Q+B_{2}k{Q}^2\\ \eta =\frac{C_0}{k}Q+\frac{C_1}{k^2}{Q}^2+\frac{C_2}{k^3}{Q}^3\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中Q——单台水泵变频调速运行的流量值，m³/h；

H——单台水泵变频调速运行的扬程，mH₂O；

N——单台水泵变频调速运行的功率，kW；

η——单台水泵变频调速运行的效率，％；

k——调速比，

控制器5从水泵变频调速器2中采集水泵1运行台数值为m台，然后根据多台水泵 1并联运行的特点就能得到m台同型号水泵1并联同步变频调速的特性曲线如下式所示：

$\left(\begin{array}{c}{H}_m=A_0{k}^2+\frac{A_1}{m}k{Q}_m+\frac{A_2}{m^2}{Q_m}^2\\ N_m=m{B}_0{k}^3+B_1{k}^2{Q}_m+\frac{B_2}{m}k{Q_m}^2\\ {\eta }_m=\frac{C_0}{\mathrm{mk}}{Q}_m+\frac{C_1}{m^2{k}^2}{Q_m}^2+\frac{C_2}{m^3{k}^3}{Q_m}^3\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中Q_m——m台水泵并联同步变频调速运行的总流量，m³/h；

H_m——m台水泵并联同步变频调速运行的扬程，mH₂O

N_m——m台水泵并联同步变频调速运行的总功率，kW；

η_m——m台水泵并联同步变频调速运行的效率，％。

公式2和公式3中的系数A₀、A₁、A₂、B₀、B₁、B₂、C₀、C₁、C₂采用公式1得到的系数值；

管网的阻力特性曲线公式：

H₀＝H_ST+SQ₀²    (4)

式中H_ST——静扬程，mH₂O(表示压力单位，即米水柱)；S——管路阻力系数，s²/m⁵；

水泵电机的效率公式：

η_d＝0.94187×(1-e^-9.04k)    (5)

水泵变频器的效率公式：

η_V＝0.5087+1.283k-1.42k²+0.5834k³    (6)

输入信息完成控制器5的初始化；其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式是对于具体实施方式一中的步骤二的进一步说明，步骤 二是将管网的设计工况点参数输入到控制器5。根据公式4可以得到管网的阻力特性曲线 公式中的管网的阻力特性系数S，再将公式5得到的水泵电机的效率和公式6得到的水泵 变频器的效率输入到水泵变频调速器2中。水泵1进行变频控制时应满足水泵1始终运 行在高效区的条件：

$\left(\begin{array}{c}{H}_x=\frac{A_0+A_1{Q}_A+A_2{Q}_A^2}{Q_A^2}{Q}_{x1}^2\\ H_x=\frac{A_0+A_1{Q}_B+A_2{Q}_B^2}{Q_B^2}{Q}_{x2}^2\\ Q_{x1}\le Q_0/m\le Q_{x2}\end{array}\right)---\left(7\right)$

式中Q_x1——水泵高效变频调速运行时的最小流量，m³/h；

Q_x2——水泵高效变频调速运行时的最大流量，m³/h。

同时还应满足节能率大于0的条件，即

$\left(\begin{array}{c}{N}_C=m{B}_0+B_{1}Q+\frac{B_2}{m}{Q}^2\\ N_D=m{B}_0{k}^3+B_1{k}^{2}Q+\frac{B_{2}k}{m}{Q}^2\\ N_{C0}=\frac{N_C}{{\eta }_d{\eta }_v}\\ N_{\mathrm{Di}}=\frac{N_D}{{\eta }_d{\eta }_v}\\ \mathrm{\delta N}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_i\frac{N_{C0}-N_{\mathrm{Di}}}{N_{C0}}\times 100\%\end{array}\right)---\left(8\right)$

式中N_C——m台水泵并联额定转速运行的功率，kW；

N_D——m台水泵并联同步变频调速运行的功率，kW；

N_C0——m台水泵并联额定转速运行的实际功率，kW；

N_Di——m台水泵在第i阶段并联同步变频调速运行的实际功率，kW；

δN——m台水泵并联同步变频调速运行的实际节能率，％；

ξ_i——第i阶段水泵调速运行时间占总水泵运行时间的百分比；

n——变速调节控制的n个阶段。

联立公式3、公式4、公式5、公式6、公式7、公式8并求解，即可得到水位变化 时水泵变频控制点的调速比、流量、扬程和转速值。

其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式是对于具体实施方式一中的步骤三的进一步说明，步骤 三为防止由于水位的波动造成的水泵1频繁启停，水泵1设定控制点前后5％的范围为非 动作区，并且设定两次变速调节之间的最小时间差为30分钟，即只有当管网扬程比计算 得到的控制点扬程大或小0.05倍，且距上次变速调节时间大于30分钟时才进行水泵1调 速运行。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式是对于具体实施方式一中的步骤四的进一步说明，步骤 四对水泵1运行参数进行实时监测和水泵1、管网特性曲线的在线修改；在运行过程中控 制器5采集并记录水泵1的运行参数，包括流量、扬程、转速、电流和电压的值。根据 水泵1的运行参数拟合得到的水泵1和管网的特性曲线进行在线修改，通过修改后的特 性曲线计算水泵变速调节控制点参数如调速比、转速、扬程等，返回步骤三进行水泵变速 调节。在运行过程中进行了运行参数的实时检测和记录，用实际运行值对理论计算值进行 修正能更好的指导水泵1运行，从而确保得到正确的水泵变速调节控制点参数，保证并 联水泵1在总体运行能耗最低的状态下运行。其它步骤与具体实施方式一、二、三或四 相同。

实施例：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的应用环境为：某城镇水厂 由某湖泊取水，湖泊多年平均高水位为75.4m，最低水位为55.9m。该处的取水泵站设计 流量25.50×10⁴m³/d，即10625m³/h。送至离泵站7.0km的水处理厂净水池，水厂净水池 入口高度109.6m。水泵高水位和低水位时静扬程分别为28.3mH₂O和47.8mH₂O，水泵高 水位和低水位时全扬程分别为34.2mH₂O和53.7mH₂O。经计算知输水管的当量摩阻 S＝2.00s²/m⁵，输水系统水头损失约为5.9m。

水泵选择800S51型单级双吸离心水泵三台，两用一备，其额定转速600r/min，最高效 率工作点η＝88％，H＝51.2mH₂O，Q＝5357m³/h，N＝849kW。

对水泵参数数据进行最小二乘拟合，得到单台水泵调速运行的性能曲线方程为：

H＝51.43k²+0.005kQ-9.49×10^-7Q²

N＝425.6k³+0.092k²Q-2.38×10^-6kQ²

则两台同型号水泵并联调速运行的性能曲线方程：

$H=51.43k^2+\frac{0.005k}{2}Q-\frac{9.49\times {10}^{-7}}{4}{Q}^2$

$N=2\times 425.6k^3+0.092k^{2}Q-\frac{2.38\times {10}^{-6}k}{2}{Q}^2$

最高水位与最低水位工况下管路系统性能曲线方程分别为：

$H=28.3+S{\left(\frac{Q}{3600}\right)}^2$

$H=47.8+S{\left(\frac{Q}{3600}\right)}^2$

令：

H＝51.43+0.005Q-9.49×10^-7Q²＝RQ²

由水泵参数可知，水泵最高效率为88％，此时H＝51.2mH₂O，Q＝5357m³/h，N＝849kW， 以水泵最高效率点流量的70％～120％为高效区间，得到A、B两点，如图2。Q_A＝3750m³/h， H_A＝56.83mH₂O，及Q_B＝6428.4m³/h，H_B＝44.44mH₂O，可求出R_A、R_B。可得到过原点的等效 率曲线与额定转速n₀下水泵Q-H曲线交于点A、B的效率η_A＝81％，η_B＝84％。因此计算 可得：

H_ηA＝4.04×10^-6Q²

H_ηB＝1.077×10^-6Q²

由此，可以得到如下数学模型，即：

$\left(\begin{array}{c}{H}_x=4.04\times {10}^{-6}{Q}_{x1}^2\\ H_x=1.07\times {10}^{-6}{Q}_{x2}^2\\ Q_{x1}\le Q_0/2\le Q_{x2}\\ H_x=34.2+S{\left(\frac{Q_0}{2\times 3600}\right)}^2\\ H_x=51.43k^2+\frac{0.005k}{2}Q-\frac{9.49\times {10}^{-7}}{4}{Q}^2\\ N_C=2\times 425.6+0.092Q-\frac{2.38\times {10}^{-6}}{2}{Q}^2\\ N_D=2\times 425.6k^3+0.092k^{2}Q-\frac{2.38\times {10}^{-6}k}{2}{Q}^2\\ \mathrm{\delta N}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_i\frac{N_C-N_D}{N_C}\times 100\%\end{array}\right)$

带入数据Q₀求解，满足Q_x1＝3559.7m³/h＜Q₀/2＝5312m³/h＜Q_x2＝6906.8m³/h，即水泵 调速运行后，水泵仍然在高效区间运行。可得调速比k＝0.88，N_C＝1694.4kW， N_D＝1218.8kW。

当水泵并联额定转速运行时，即k＝1.0时，变频器效率为0.955，电机效率为0.942，

则有：

$N_{C0}=\frac{N_C}{{\eta }_d{\eta }_v}=\frac{1694.4}{0.955\times 0.942}=1883.8\mathrm{kW}$

当水泵并联调速运行时，即k＝0.88时，变频器效率为0.935，电机效率为0.942，则 有：

$N_{D1}=\frac{N_D}{{\eta }_d{\eta }_v}=\frac{1218.8}{0.935\times 0.942}=1383.5\mathrm{kW}$

ξ_i为第i阶段水泵调速运行时间占总水泵运行时间的百分比。假设两台水 泵并联运行中仅同步调速运行1次，即此时i＝1。当ξ₁取0.7时，

$\mathrm{\delta N}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\xi }_i\frac{N_{C0}-N_{\mathrm{Di}}}{N_{C0}}\times 100\%={\xi }_1\frac{N_{C0}-N_{D1}}{N_{C0}}=0.7\times \frac{1883.8-1383.5}{1883.8}=18.5\%$

即节能率为18.5％。

由于水泵实际运行中同步调速将大于1次，故节能率将大于18.5％。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同 样也可以实现发明的目的。