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同方泰德国际科技（北京）有限公司      贺延壮   徐珍喜

摘   要：以上海某厂区冷站二级泵系统为研究对象，应用Simulink搭建仿真模型。通过与现场数据记录的对比，验证了仿真模型的可靠性。根据仿真数据，分析了该二级泵系统的运行特性，找到了该系统运行中存在的问题，并提出优化运行模式，结果表明可节电9.0%。本文应用仿真技术还原系统运行状态，可为二级泵的运行诊断提供新的解决办法。

关键词：二级泵系统；Simulink；仿真；运行分析

       0   引言

       节约能源是资源节约型社会的重要组成部分，建筑的运行能耗大约为全社会商品用能的三分之一^[1]，而其中供暖空调能耗占到建筑能耗的60%左^[2]。在以冷、热水作为输能介质的系统中，供暖空调运行的能耗绝大部分都消耗在了冷机、水泵等设备上。对于区域冷站来说，冷水输送量大，输送距离远，二级泵的能耗要高于常规制冷站，二级泵的高效运行对于整个区域冷站的运行节能具有重要意义。二级泵系统服务于末端用户，末端管网具有复杂度高，随机性强的特性，管网的水力特性随着末端负荷的变化而变化，目前对于二级泵系统的研究多集中于系统设计方面^[3,4]。

       由于二级管网涉及的末端多，系统规模大，进行全系统的实验研究难度较大，而应用仿真技术进行研究可以节省大量的人力物力，且仿真模型经过实测验证后具有较高的可靠性，仿真研究已成为暖通空调领域的重要发展方向。

       1   建立数学模型^[5]

       1.1   水泵数学模型

       单台水泵工频运行时，扬程—流量方程和效率—流量方程分别为下列两式：

       式中：H₀为水泵工频运行状态下的扬程（m）；η₀为水泵工频运行状态下的效率（%）；G₀为水泵工频运行状态下的流量（m³/s）； a、b、c分别为水泵工频运行状态下扬程—流量方程各项系数，由样本数据拟合得到；d、e、g分别为水泵定频运行状态下效率—流量方程各项系数，由样本数据拟合得到。
二级泵联合运行时，水泵的台数和水泵运行频率变化会引起水泵并联运行特性方程的变化，并联水泵运行的扬程—流量方程如下式：

       其中：

       则单台水泵的运行参数如下：

       式中：H为水泵变频并联运行状态下的扬程（m）；G为水泵变频并联运行状态下的流量（m³/s）；η为水泵变频并联运行状态下的效率（%）；a′、b′、c′分别为水泵变频并联运行状态下扬程—流量方程各项系数；d′、e′、g′分别为水泵变频并联运行状态下效率—流量方程各项系数；f为水泵运行频率（Hz）；n为水泵并联运行的台数。

       确定水泵功率需要结合管网特性和水泵联合运行特性方程计算出实际工作点的水泵流量、扬程和效率，并由下式计算出水泵功率：

       式中：N1为水泵实际运行功率（kW）；G1为水泵实际运行时的流量（m³/s）；H1为水泵实际运行时的扬程（m）；η为水泵实际运行时的效率（%）；ρ为流体的密度（kg/m³）；g为重力加速度（m/s²）。

       1.2   二级管网管路特性模型

       二级管网为闭式系统时，管网的总阻力与管网总流量的关系式如下：

       式中：ΔP为二级管网总阻力（m）；S为二级管网管路阻抗（m/(m³/s)²）； 联立（3）、（6）可得出二级管网的管路阻抗和管网的总阻力。

       2   二级管网系统仿真

       2.1   仿真对象

       实际工程为位于上海的某厂区冷站，该冷站为厂区内的办公楼和生产车间供冷，办公区和车间区分别独立设置的二级泵系统。本文选取的研究对象为办公区的二级泵系统，系统原理图如图1所示。该二级泵系统共设置4台变频泵，运行采用压差控制。现场装有自控系统和能源管理系统，可采集温度数据、电耗数据、流量数据和二级泵的运行频率、台数等信息。

图1   二级泵系统原理图

       应用matlab软件编写计算程序，并在Simulink中搭建仿真模型，如图2所示。

图2   二级泵系统仿真模型图

       2.2   仿真模型验证

       本文选取该厂区2018年7月1日至9月30日（共920小时）的二级泵运行数据。以现场采集的二级泵运行台数、运行频率和管网总流量作为输入数据，以现场采集的水泵总电耗数据作为对比数据，系统仿真的流程如图3所示。

图3   二级泵系统仿真流程图

       将仿真得出的水泵耗电量和现场的运行实测值逐时进行对比，如图4所示；逐时相对误差的分布见图5；累计总耗电量的相对误差见表1。

图4  仿真值与实测值电耗散点图

图5   水泵耗电量相对误差频数图

表1   水泵耗电量仿真值与实测值对比

       由以上可以看出：

     （1）耗电量的仿真值与实测值的变化趋势保持一致，重合度较高；

     （2）水泵耗电量的仿真值与实测值的相对误差基本保持在±10%以内，只有55个小时相对误差超过了±10%，不到仿真时间的6%；

     （3）仿真时段内水泵总耗电量相对误差仅为1.05%。

       综上说明该仿真模型的准确性和可靠度较高，可用于该二级泵的运行特性分析。

       3   二级泵并联运行特性分析

       反映水泵运行状态好坏的主要指标是运行效率，对于变频水泵而言，在不同运行频率下均能运行在高效区，说明水泵的运行状态较好。图6是仿真得出的该时间段内水泵运行工况点和效率点的分布图。

图6   水泵并联运行工况点与效率点分布

       由图6可以发现，水泵运行的效率点大部分落在了高效区（该项目水泵最高效率为88%，一般认为运行在最高效率的80%以上均为高效区），但仍有部分工况点运行效率较低。在此选取两台水泵并联运行时的部分低效工况点进行分析，如图7所示，此时水泵运行效率在50%左右。若在保证输送水量和扬程不变的情况下，再增加一台水泵并联运行，此时水泵并联运行的工况点均落在了25Hz下的联合运行特性曲线上（仿真和现场实际运行的水泵运行最低频率设定值均为25Hz），对应的水泵运行效率得到了极大的提高，均保持在78%以上。

图7   水泵并联运行部分工况点与低效率点

       按照该思路，对仿真时间段内处于低效运行状态下的水泵台数进行优化，并输入到仿真模型中进行仿真计算。由图8和表2可知，优化后水泵并联运行时的效率几乎均保持在了70%以上，水泵的运行工况得到改善，优化后水泵运行总耗电量节省了12129.5kW·h，节电率为9.0%。

图8   水泵并联运行工况点与效率点分布（优化后）

表2   优化前后水泵效率和总耗电量对比

       4   结语

       本文以实际工程为例建立了二级泵系统仿真模型，通过实测运行数据验证了准确性和可靠性。分析了该二级泵系统运行中的问题，提出了运行优化方案，经仿真得出有节电9.0%的潜力。应用仿真技术还原系统运行情况，可为二级泵系统的运行诊断提供新的解决办法，这对于已有冷站的节能改造具有重要意义。后续，笔者将通过仿真，对如何实现二级泵最佳运行模式的控制算法进行深入研究。

参考文献

       [1] 清华大学建筑节能研究中心．中国建筑节能年度发展研究报告2009[M]．北京：中国建筑工业出版社, 2009．

       [2] 赵廷法, 王瑞华, 王普.VAV中央空调能耗建模与仿真研究[J].计算机仿真,2010,27(3):326–329.

       [3] 潘云钢.二级泵水系统的设计与问题分析[J].暖通空调,201,47(1):1–10．

       [4] 王顺林.空调冷水变流量二级泵系统的设计探讨[J].制冷,2013,32(2):48–50．

       [5] 付祥钊,肖益民.流体输配管网（第三版）[M]．北京：中国建筑工业出版社, 2010:223–227．

备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年5月刊总第21期。
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