王彤1’2朱多林〃周晓1’3韩大鹏h2
钢锭模(1长安大学建筑工程学院，西安710061;2长安大学住房与城乡建设部给水排水重点实验室，西安710061;
3中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)
摘要：多泵并联变频给水作为二次供水系统中最主要的运行方式，具有稳定、可靠、节能的优点，但在实际应用中仍会因为工况分析不全面、泵组搭配不佳等问题导致节能效果不尽人意。为此，以二次供水常用的同型号双泵、三泵变频泵组为对象，探究其并联运行工况，提出“过渡低效区”的概念并分析其危害、产生原因及消除方式，借此概念给出了“改用变频大泵+工频小泵”以及“增加变频泵”的两种节能优化措施，推导了两种优化方式在双泵、三泵并联改造中消除“过渡低效区”的判定公式，并将其推广至《台水泵并联形式。最后以一工程实例模拟分析并联泵组优化措施的节能效果，结果表明各类优化方案均比原始方案更加节能，具有一定的实际意义，其中改用“变频大泵+工频小栗”的方式节能性最好。
关键词：二次供水；变频调速；并联泵组；节能优化
中图分类号：T U991 文献标识码：A文章编号=1002 —8471(2021)03—0125—07
D O I：10. 13789/jki.w w e l964. 2021. 03. 020
引用本文：王彤，朱多林，周晓，等•二次供水并联泵组节能优化研究[J].给水排水，2021,47
(3) ：125-131. W A N G T,Z H U D L,Z H O U X,et al.Study on energy saving optimization of
secondary water supply parallel p u m p s[J].Water &Wastewater Engineering,2021,47 (3)：125-131.
Study on energy saving optimization of secondary water supply
parallel pumps
WANG Tong〗.2, ZHU Duolin1’2, ZHOU Xiao1’3, HAN Dapeng1，2
(1. School o f C ivil Engi?ieeri?ig ^C hangan U niversity 9X i ya?i 710061, C hina;
2. K ey Laboratory o f W ater S u p p ly8^ Sevuage E ngineering o f M in istry o f Housi?ig and
U rban-rural D evelopm ent ^Chang 7an U niversity , X i^a n710061, C h in a；
3. Power China N orthw est Engineering Co., L td., X i yan 710065 9C hina)
Abstract：Multi-pump parallel frequency control water supply is the most important operation m o d e in secondary water supply system,which has the advantages of stability,reliability and energy saving.In this paper,the concept of“transition low efficiency area”i s put forward and its
h a r m,cause and elimination are analyzed.T w o energy-saving optimization measures of44using
large frequency p u m p+s m a l l power frequency p u m p s”and“increasing frequency p u m p s”are giv-en.T h e formula of eliminating the“transition low efficiency zone”in the parallel transformation of three p u m p s i s extended to the parallel form of water p u m p s.Finally,an example is given to verify
基金项目：水资源高效开发利用重点专项(2018YFC0406200)。
125
1并联泵组变频调速工况分析1.1
双栗并联变频调速工况分析
两台问型号水栗并联，其中一台变频、~■台工频 运行时，其工作特征如图1所示。 0 y , q 2
q
,+q 2 2q 2
Q
汽车取力器注：图中D 点为设计工况点，①为变频泵在高效范围内的最小调速 曲线;②为工频泵特性曲线;③为变频泵处在高效区最小调速时的 双泵并联曲线；④为两泵在最大设计工况下的并联特性曲线。
图1
同型号水泵一定一调并联工作特征
Fig. 1
Features of one constant speed and one speed regulation pumps
同型号双泵并联，当用水量在[〇，Q 2]段时，只
有变频栗工作，[〇,0,]为小流量段，水泵无法高效 运行，[Q ,, Qy ]段变频泵进人高效区间；当系统用水 量大于Q 2时，变频泵与工频泵并联运行，其工作特 征可以分为两段分析： (1)
当系统用水量在[02，0, +02]段时，工频泵提
供〇2流量，变频泵出水小于Q 将运行在非高效区。
(2) 当系统用水量在[Q 1 + Q 2，2Q 2]段时，工频 泵提供Q 2流量，变频泵出水大于小于能保证 高效供水。因此，同型号工频泵与变频泵并联工作 时，变频泵在启动之初会陷人一段非高效区。这一 段区域严重影响变频荥效率，对变频调速的节能性 有一定的负面影响。
1.2三泵并联变频调速工况分析
3台同型号水泵并联，其中一台变频泵、两台为 工频泵时，其基本工作特征如图2所示。相比两泵
。引S
变频调速技术在二次供水系统中的应用日益广 泛，《中华人民共和国节约能源法》第39条已将其列 为通用技术加以推广。从当前的应用现状来看，变 频调速技术具有显著的节能效果，其调速控制方式 也优于其他方法。它不仅能够降低电机的启动电 流，减小对电网的冲击，还能减少机械损耗及设备维 修费用，直接与间接经济效益十分明显[1]。
晶体石膏灯目前.二次供水泵房在运行与实际生产中，当水 泵机组并联供水时，多为单变频调速运行，即只有一 台水栗能调节转速，此时水泵高效运行范围受到限 制，只在部分流量段高效工作，还是造成了相当一部 分的能量浪费。Z h a o 等[2]基于水力特性及在线算 法寻求并联泵组优化策略，优化变频泵投入运行台 数和转速分配。Viholainen 等[3]为了提高变频控制 并联泵组能效，提出了一种所需初始数据少、无需额 外流量监测及启动测量的并联泵组调速控制策略， 其主要理论基础是用水量估计模型和变频驱动水栗 运行分析。W u 等[4]对多台变频泵并联供水工况进 行分析，发现各泵转速相同时能取得更好的节能效 果。樊建军等[5]从变频泵组工况分析人手，研究 了变频调速恒压供水系统中水泵的适用性问题， 给出了保证系统高效运行的水泵选型控制参数。 朱俊斌等[6]构建了多台水泵并联变频运行的性能 曲线方程及能耗方程，结合实例以高效流量区为 约束进行仿真计算，给出了转速比取值范围及对 应的能耗范围。M a 等m 着眼于机组内部能量损 耗，为提高电机、变频器效率提供措施。在上述研 究的基础上以二次供水并联泵组中的同型号、单 变频并联供水为基础工况，探究其工作特征，提出 了双杲、三泵乃至》台水泵并联运行的“过渡低效 区”概念，并提出相应的优化方案（为简化
分析过 程，本文所述并联水泵台数均指工作泵数量，备用 泵需按泵组最大型号水泵设置，在后续分析中不 再提及）。
the energy-saving effect of the parallel p u m p s . T h e results s h o w that all kinds of optimization schemes are m o r e energy-saving than the original s c h e m e , and have certain practical significance .
Keywords ： Secondary water supply ； Frequency control ； Parallel p u m p s ； Energy conservation optimization
"
恒
H
126
0 Q
,
Q 2
Q t +Q 2
2Q 2
o
^2Q 2
3Q 2
Q
图2同型号水泵两定一调并联工作特征
Fig. 2 Features of two constant speed and one speed regulating pumps
由上述分析可知，当并联泵组中仅有l 台水泵 变频工作时.在变频泵启动之初总会陷入一段非高 效区，笔者称之为“过渡低效区”，它的产生是由于变 频泵在并联供水时，起始流量是从零开始算起的。 实际工作中变频泵存在高效区最小流量点Q i ，一旦 变频泵提供的流量小于0,，就会低效运行，这种现 象会在新增工频泵投入使用时发生，因此可将“过渡 低效区’’推广至台同型号水泵并联、仅有1 台变频泵的情况：当
有
2)台同型号水泵并联
且仅有1台变频泵时.流量区间[(» — 1)Q 2, (7/— 1)〇2+0|]("=2,3,4，一）段为变频泵并联工 作的“过渡低效区”。结合“过渡低效区”的特点可 以知道，如果能提高变频泵并联工作时的初始流量， 就能缩短“过渡低效区”范围，若初始流量能提高到 变频泵的高效区最小流量，就可以完全消除“过渡低 效区”使变频泵在并联工作中一直保持高效运行。
并联的图1，增加了曲线⑤、曲线⑥。曲线⑤为变频 泵处在高效区最小调速时的三泵并联曲线；曲线⑥ 为三泵在最大设计工况下的并联特性曲线。
荀果对于图2中的同型号三泵并联给水系统，当系 统用水量小于2(^时，其运行工况与双泵并联无 异。当系统用水量大于2〇2时，将由两台工频泵与 一台变频泵并联供水：若系统用水量处于[2Q 2,
Q , +2Q 2]段，两台工频泵供水2Q 2，变频泵出水小
于4将运行在非高效区；若系统用水量处于[Q , +
2Q :，，3Q 2]段，变频泵出水大于Q ，小于〇2将高效供 水。此时变频泵在三泵并联工作中将间断出现2次 非高效区。
2并联泵组变频调速优化措施
2. 1双泵并联变频调速优化措施
根据上述工况分析，把握住缩短乃至消除“过渡
低效区”的核心在于提高并联运行时变频泵的起始 工作流量，籍于此，提出两种优化措施如下：(1)改用“变频大泵+工频小泵”的运行方式。
在系统设计工况点D 点不变的条件下，将同型号工 作泵改为一台变频大泵和一台工频小泵并联的形式
可以缩短甚至消除“过渡低效区”，其优化原理结合 图3进行说明。图3中，曲线③为变频大泵在额定 转速时的Q H 曲线；曲线①为工频小泵的性能曲 线;D 为原系统设计工况点，流量为2Q 2，过D 点的 曲线④代表变频大泵与工频小泵在最大工况时的并 联曲线；曲线②为原方案同型号水泵的性能曲线。
图3
变频大泵与定速小泵并联工作特征
Kig. 3 Features of large speed regulating and small fixed speed punips
当系统用水量小于时，由变频泵单独供水，
其工作特征与单泵运行无异；当系统用水量大于 时.由工频泵与变频泵并联供水.此时工频泵提供的 流量为，则变频泵提供的流量至少为— Q s ， 因为要保证系统设计工况I )不变，故有如式（1)所 示情况：
〈 Q 2〈 Q 2
1Q 定 +Q : =2Q 2
因此，变频泵并联工作时的起始流量— 0$必
大于〇。当
—
时.变频泵在并联启动之初
仍有一小段“过渡低效区”存在；当Q ; —
>Q j 时，
变频泵在并联启动伊始就处于高效运行阶段。
取：
Q '. —
(2)
(1)
127
联立式（1)、式(2)可得式(3)。
Q： -Q> >Q：
(3)
式(3)是在双泵并联下采用“变频大泵+工频小 泵”时判断“过渡低效区”是否被完全消除的判定条 件，其实际意义可解释为：当改进方案中的变频大泵 比原变频泵的设计流量增大量>变频大泵高效区最 小流量值的一半时，“过渡低效区”将被完全消除，变 频泵将在并联工作中持续运行于高效区。
(2)增加变频泵数量。在不改变原水杲型号的 前提下，若有条件将另一台工频泵也改为变频泵，同样可以缩短甚至消除“过渡低效区”。记两台变频泵 分别为1#泵、2 #栗，供水量分别为Q'、Q"，图4中，曲线①'为1#泵出水Q'时的特性曲线，工作点为 A'，记调速比为尺'，轴功率为曲线①"为2#泵 出水Q"时的特性曲线，工作点为A"，记调速比为 •轴功率为N"；曲线③为曲线①'曲线①"的并联特性曲线，其与交点为并联工况点C(Q，H恒）；E点对应Q/2时落在恒压线上的点。曲线 ②、曲线④、B、D等点线与图1意义相同。
conversion pumps
当2台变频泵并联工作只为满足C点工况时，若未对变频泵调速作出限制，应以两台变频泵总功 率最小作为并联搭配目标。
当A"向左移动，即Q"减小的过程中，其轴功率 减小率如式(4)所7K:
—j〇77=—(2/?2_R’Q"十/^j R'_)(4)此时A W立置向右移动，即Q'增大，以保证Q'+Q" =Q的过程中，其轴功率增长率如式(5)所示：
^=2^2R，Q，+^R，2(5)两者之和为轴功率总变化率如式(6)所示：
盖=2/32(K’Q’一W’）+/?】（i?'2—i?"2)(6)
快速插头由于Q'<C/且2台泵为同型号，则在同一工作压力下V<；尺"，故=<0且仅在V=尺"时取等
d y
号。因此，在A'向右移动,A"向左移动的过程中，水 泵机组的总轴功率是不断减少的，直至2泵出水量相 同为Q/2(即转速相同）时，总轴功率达到最小值。因此.2台变频泵并联工作时，应采用同步调速的方式为 系统供水，称之为全变频控制供水技术。
在全变频调速供水时，其单泵出水量总是系统 总需水量的一半，结合图4可以发现，两泵并联的起 始处是在系统流量稍稍大于Q2时，则此时单台变频 栗的初始流量为Q2/2。
同理，当Q2/2C Q，时，变频泵在启动之初仍未 脱离“过渡低效区”，因此，2台同型号变频泵并联工 作完全消除“过渡低效区”的判定条件如式(7)所示：
Q2/2>Q,(7) 2.2三泵并联变频调速优化措施
(1)1台变频大栗和2台工频小栗并联。1台变 频大泵与2台工频小泵并联的工作特征如图5所 示，工频小杲采用同型号水泵。图5中，曲线③为变 频大泵在额定转速时的曲线；曲线①为工频小 栗的性能曲线;F为原系统设计工况点，过F点的曲
图5 1台变频大泵和2台工频小泵并联工作特征Fig. 5 Features of a large variable frequency and two small fixed
speed pumps
128
线⑤代表1台变频大泵与2台工频小泵在最大工况 时的并联曲线；曲线④代表1台变频大泵与1台工 频小泵在最大工况时的并联曲线；②为原方案同型 号水泵的性能曲线。
远红外烘干炉同样有式(8):
〇/+2〇定=3〇：；(8)当用水量在[〇，(3/]时，由变频泵单独供水；当用水量处于[<3/，Q2'时，启动1台工频栗提供0$的流量，其余流量由变频泵补充，则变频栗工 作流量范围在[Q:/—Q定，Q/]；当用水量处于[Q/ +Q s，3Q Z]时，2台工频栗都运行，此时变频泵补充 的流量范围为[〇2'—Q s，3Q2 -2(9^]，由式(8)可 将该流量范围化为[Q/ —Q$,Q/]，故此时要求 0/—(3定/以消除“过渡低效区”，结合式（8) 可得判定条件如式(9)所示：
〇2(9)结合双栗、三泵对变频大栗的优化要求来看，为 消除“过渡低效区”，应有两个条件需要满足，第一个 条件为Q/—Q$>Q/，这一条件不因工频泵台数不 同而发生变化，可看作是对变频大泵起始流量能处于 高效段的要求。第二个条件是要满足优化前的系统 设计流量•这一条件随水杲台数变化如式(10)所示：
Q；2+Q定=2Q2
Q2+2Q定=3C?2
\Q2’+3Q定=4Q2(10)运行状态下增加工频泵并不影响消除“过渡低效区”的条件，即。下面给出这一推断的证明：设有》(»>3)台同型号水泵并联供水.单泵高 效区最小流量为<3,，最大流量为<32。仅一台变频 泵供水时，水泵并联运行的非高效区为[("_1)〇2，(« —1)Q2+Q,]。为消除这些“过渡低效区”，令变 频栗台数为W，则工频泵台数为7; —W.此时单台变 频泵工作的流量范围应为“非高效区”流量区间先 减去工频泵提供的流量，再除以变频泵台数W，即(n—DQ2—in_w)Q2—D Q2—(72—w)Q9-I_Q i
_m m J
整理得
(m 一1)〇2 itn一1)Q?Qi
，要使水泵保证高效运行，则需满足式（12)、式（13):
(m一1)Q2
m>Q i(
12)
(r« —D Q2+Q1^
~ W(13)
因Q2>Q i，故。>1，故m〉l，又因为
W i W i
m的实际意义为变频泵台数，故可取2〜》的任 一整数。从上述证明过程可得台同型号水泵并联时，至少采用2台变频栗是消除水泵并联运行“过 渡低效段”的必要条件，若变频泵还能满足对任一(m一] )Q
，都有-------$ >Q,，则“过渡低效区”将被完
m
全消除。
Q2’ + (« — 1)Q 定=h Q2
因此，当有》台同型号水泵并联，其中仅有1台变频泵时.通过增大变频泵设计流量、减小工频泵设 计流量的措施可以缩短甚至消除这些“过渡低效 区”，让变频大泵完全工作在高效区需满足的条件如 式（11)所示：2.3小流量区间的优化配置
通过2. 2节中的优化措施，解决了变频水泵并 联运行中的“过渡低效区”的问题，但并未对[0，Q,] 段的小流量区间进行探讨，为保证并联泵组节能优 化的完整性，经过对各种小流量运行模式对比分析 后，推荐采用工频辅泵+气压罐的供水方式为小流 量区间供水。
_________(« -1)Q/
Q»-Q2>-------—(11)
71
式中Q2'——变频大泵设计流量；
q2—原变频泵设计流量；
Q/—变频大泵高效区最小流量值。
(2)增加变频泵数量。不改变水泵型号，将变频 泵数量增加为2台，依图2分析可得，在两台变频泵3工程案例模拟分析
3.1工程案例介绍
选择西安市雁塔区某居民小区为研究对象。现 状二次供水设备为3台C R32-6型主泵并联供水(2用1备)采用单变频控制方式，另配备1台C R10- 12型辅泵与D N1 000X 1.0 M P a规格的气压罐，水 泵技术参数如表1所示。
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