恒压离散变流量的集群型水泵配置方法

摘要

一种恒压离散变流量的集群型水泵系统的水泵配置方法，步骤是：1）确定离散的流量工况变化规律；2）设定三种型号水泵的最优流量；3）根据不同离散流量需求启动相应的水泵组合；4）按总供水误差最小原则设定最优性能指标；5）非线性优化问题求解待定的三种型号水泵最优流量；6）根据最优流量值配置水泵；7）组建恒压离散变流量的高效集群水泵系统，将三台水泵与三台电动机和三个控制阀相连；配置PLC控制单元、全压母线、三台软起动器和三台交流接触器。优点是：本发明可以满足七种流量工况变化要求，额定供水量与实际需求量偏差小，水泵可以在高效区段运行，节能效果好，整个系统无需调节装置及变频器，一次性投资少，整个系统性价比高，设备少，可靠性高，可以做到大小兼顾、灵活调度，实现最经济的配置。

权利要求

1.一种恒压离散变流量的集群型水泵系统的水泵配置方法，其特征是：

1）确定离散的流量工况变化规律

按流量从小到大排布，离散流量工况及相应概率分别表示为：（Q1，P1）、（Q2，P2）、（Q3，P3）…（Q7，P7）3

Q表示流量，单位：m/小时，Q1< Q2<…< Q7，P表示相应流量出现的概率，P1+ P2+…P7 =1；通过上面的表达式表达出大于3种而小于等于7种离散流量工况变化的变化规律：当P1～ P7都不等于零时，表示7种离散流量工况；当P1～ P7有3个为零时，表示为4种离散流量工况；其它情况依次类推；

2）设定三种型号水泵的最优流量

按照额定流量从小到大排布，三种型号水泵的最优流量分别为：Qa、Qb、Qc，且满足Qa< Qb< Qc，如果恒压一定扬程下每台水泵在运行过程中都保证以其最优流量输出，三种型号水泵的不同组合产生如下7种流量工况：Qa、Qb、Qa+Qb、Qc、Qa+Qc、Qb+Qc、Qa+Qb+Qc，并满足如下关系：Qa

3）根据不同离散流量需求启动相应的水泵组合

流量工况为Q1时，启动a泵，实际流量为Qa；流量工况为Q2时，启动b泵，实际流量为Qb；流量工况为Q3时，启动a、b泵，实际流量为Qa+Qb；流量工况为Q4时，启动c泵，实际流量为Qc；流量工况为Q5时，启动a、c泵，实际流量为Qa+Qc；流量工况为Q6时，启动b、c泵，实际流量为Qb+Qc；流量工况为Q7时，启动a、b、c泵，实际流量为：Qa+Qb+Qc；

4）按总供水误差最小原则设定最优性能指标

5）非线性优化问题求解待定的三种型号水泵最优流量

将问题转化为如下的带有约束的非线性优化问题：

求得的结果为：

上式为矩阵运算，[]表示为矩阵，指数-1表示矩阵求逆；

6）根据最优流量值配置水泵

将七种离散流量及其相应概率的数据代入上式，得到三台水泵的最优流量Qa、Qb、Qc,选择最优工况点接近的参数作为额定参数配置三台水泵；

7）组建恒压离散变流量的高效集群水泵系统

将三台水泵与三台电动机和三个控制阀相连；配置PLC控制单元、全压母线、三台软启动器和三台交流接触器，每台电动机分别通过并联的软启动器和相应的交流接触器常开触点接全压母线，软启动器和交流接触器常开触点的吸合和断开通过PLC控制单元控制，PLC控制单元用来根据流量工况控制相应的软启动器和交流接触器常开触点的工作状态并将相应的水泵启动。

说明书

恒压离散变流量的集群型水泵配置方法

技术领域

[0001] 本发明涉及供水系统的恒压离散变流量的集群型水泵配置方法。

背景技术

[0002] 工矿企业用水量通常是逐年、逐月、逐日、逐时地变化，然而大部分企业供水系统往往采用满足最大流量需求的供水方式进行供水，经常出现供水过剩的跑水现象，这样不仅造成水资源与动力的浪费，同时管道中水头损失与用水量大小有关，泵效率大大降低，往往又造成电能的很大浪费。针对复杂给排水系统，相关文献已经公开了由多台水泵与多台变频器组成的群控水泵系统，泵组投切方式根据用水需求实现位式控制，流量可以通过变频实现连续调节，一定程度上解决水资源浪费问题、提高了系统效率，但还存在如下问题：（1）整个系统配置变频器较多，变频器价格高，一次性投资大，整个系统性价比低；（2）设备较多，控制复杂，可靠性降低；（3）采用同型号的泵并联工作方式，无法做到大小兼顾、灵活调度。

发明内容

[0003] 本发明针对现有群控水泵系统的配置方案存在的上述问题，提供一种根据工矿企业用水量离散变化规律而合理配置水泵台数及额定流量的恒压离散变流量的集群型水泵配置方法。

[0004] 本发明的技术解决方案是：

[0005] 一种恒压离散变流量的集群型水泵系统的水泵配置方法，其特殊之处是：

[0006] 1）确定离散的流量工况变化规律

[0007] 按流量从小到大排布，离散流量工况及相应概率分别表示为：

[0008] （Q1，P1）、（Q2，P2）、（Q3，P3）…（Q7，P7）

[0009] Q表示流量，单位：m3/小时，Q1< Q2<…< Q7，P表示相应流量出现的概率，P1+ P2+…P7 =1；通过上面的表达式表达出大于3种而小于等于7种离散流量工况变化的变化规律：当P1～ P7都不等于零时，表示7种离散流量工况；当P1～ P7有3个为零时，表示为4种离散流量工况；其它情况依次类推；

[0010] 2）设定三种型号水泵的最优流量

[0011] 按照额定流量从小到大排布，三种型号水泵的最优流量分别为：Qa、Qb、Qc，且满足Qa< Qb< Qc，如果恒压一定扬程下每台水泵在运行过程中都保证以其最优流量输出，三种型号水泵的不同组合产生如下7种流量工况：Qa、Qb、Qa+Qb、Qc、Qa+Qc、Qb+Qc、Qa+Qb+Qc，并满足如下关系：

[0012] Qa

[0013] 3）根据不同离散流量需求启动相应的水泵组合

[0014] 流量工况为Q1时，启动a泵，实际流量为Qa；流量工况为Q2时，启动b泵，实际流量为Qb；流量工况为Q3时，启动a、b泵，实际流量为Qa+Qb；流量工况为Q4时，启动c泵，实际流量为Qc；流量工况为Q5时，启动a、c泵，实际流量为Qa+Qc；流量工况为Q6时，启动b、c泵，实际流量为Qb+Qc；流量工况为Q7时，启动a、b、c泵，实际流量为：Qa+Qb+Qc；

[0015] 4）按总供水误差最小原则设定最优性能指标

[0016]

[0017] 5）非线性优化问题求解待定的三种型号水泵最优流量

[0018] 将问题转化为如下的带有约束的非线性优化问题：

[0019]

[0020] 求得的结果为：

[0021]

[0022] 上式为矩阵运算，[]表示为矩阵，指数-1表示矩阵求逆；

[0023] 6）根据最优流量值配置水泵

[0024] 将七种离散流量及其相应概率的数据代入上式，得到三台水泵的最优流量Qa、Qb、Qc，选择最优工况点接近的参数作为额定参数配置三台水泵；

[0025] 7）组建恒压离散变流量的高效集群水泵系统

[0026] 将三台水泵与三台电动机和三个控制阀相连；配置PLC控制单元、全压母线、三台软启动器和三台交流接触器，每台电动机分别通过并联的软启动器和相应的交流接触器常开触点接全压母线，软启动器和交流接触器常开触点的吸合和断开通过PLC控制单元控制，PLC控制单元用来根据流量工况控制相应的软启动器和交流接触器常开触点的工作状态并将相应的水泵启动。

[0027] 本发明的有益效果是：针对传统水泵配置方案不适合于离散变流量工况需求的场合，利用离散变流量工况及变化规律，合理配置不同型号水泵的额定流量并构建集群型水泵系统，取代传统单一大容量水泵，可以满足七种流量工况变化要求。与传统的配置方案相比，额定供水量与实际需求量偏差很小，即使不加流量调节措施，供水过剩量可达到最小，如果再配上流量调节措施，实际流量与需求量相符，同时，水泵还可以在高效区段运行，节能效果显著。另外，还具有如下优点：（1）整个系统无需调节装置及变频器，一次性投资少，整个系统性价比高；（2）设备少，可靠性高；（3）针对大于3种而小于等于7种离散流量工况变化的供水系统，采用三种不同型号水泵并联工作方式，可以做到大小兼顾、灵活调度，节省动力费用，实现最经济的配置。本发明尽管针对大于3种而小于等于7种运行工况进行配置水泵，对于更多种运行工况进行配置水泵提供了有意的参考价值。

附图说明

[0028] 图1是本发明的集群水泵供水系统离散流量工况的概率分布图；

[0029] 图2是本发明的集群水泵系统中各水泵及其组合泵在恒压下的工况点分布图；

[0030] 图3是本发明的水泵启动流程框图；

[0031] 图4是本发明的组装图；

[0032] 图5为本发明的电气接线图。

[0033] 图中：1-控制阀，2-控制阀，3-控制阀，4-蓄水池，5-用户，6-PLC控制单元，7-全压母线，8-软启动器，a-水泵，b-水泵，c-水泵，M1-电机，M2-电机，M3-电机，KM1-交流接触器，KM2-交流接触器，KM3-交流接触器。

具体实施方式

[0034] 下面结合实例对本发明做详细阐述：

[0035] 1）确定离散的流量工况概率分布（Q，P）

[0036] 如图1所示，按流量从小到大排布，七种离散流量工况及相应概率分别为：Q1=503 3 3 3 3
m/小时、Q2=140 m/小时、Q3=200m/小时、Q4=300 m/小时、Q5=360 m/小时、Q6=460
3 3
m/小时、Q7=520 m/小时；P1=0.0714、P2=0.2143、P3=0.1429、P4=0.2143、P5=0.0714、P6=0.2286、P7=0.0571，

[0037] 流量单位：m3/小时；

[0038] 离散的流量工况及相应概论分布如图1所示；

[0039] 2）设定三种型号水泵的最优流量

[0040] 各水泵及其组合泵的流量/扬程特性及在恒压下工况点的分布如附图2所示（图2中“H”-扬程，“Q”-流量），按照最优流量从小到大排布，三种型号水泵的最优容量分别为：Qa、Qb、Qc，且满足Qa< Qb< Qc。如果恒压一定扬程下每台水泵在运行过程中都保证以其最优流量输出，三种型号水泵的不同组合可以产生如下7种流量工况：Qa、Qb、Qa+Qb、Qc、Qa+Qc、Qb+Qc、Qa+Qb+Qc，并满足如下关系：

[0041] Qa

[0042] 3）根据不同离散流量需求启动相应的水泵组合

[0043] 如图3所示，该高效集群型水泵系统启动水泵启动流程为：

[0044] 首先确定流量需求Q，当流量工况为Q1时，启动a泵，实际流量为Qa；流量工况为Q2时，启动b泵，实际流量为Qb；流量工况为Q3时，启动a、b泵，实际流量为Qa+Qb；流量工况为Q4时，启动c泵，实际流量为Qc；流量工况为Q5时，启动a、c泵，实际流量为Qa+Qc；流量工况为Q6时，启动b、c泵，实际流量为Qb+Qc；流量工况为Q7时，启动a、b、c泵，实际流量为Qa+Qb+Qc；

[0045] 4）按总供水误差最小原则设定最优性能指标

[0046]

[0047] 5）非线性优化问题求解待定的三种型号水泵最优流量

[0048] 将问题转化为如下的带有约束的非线性优化问题：

[0049]

[0050] 求得的结果为：

[0051]

[0052] 6）根据最优流量值及工作扬程配置水泵

[0053] 将七种离散流量及其相应概率的数据代入上式，解得三台水泵的最优流量分别为：Qa= 53.7176 m3/小时、Qb= 147.0284 m3/小时、Qc= 307.2524 m3/小时，按照工况设定工作扬程100m。选择最优工况点接近的参数作为三台水泵的额定参数，配置水泵，即a水泵：额定流量为54 m3/小时，额定扬程为100m；b水泵：额定流量为147m3/小时，额定扬程为100m；c水泵：额定流量为307 m3/小时，额定扬程为100m；

[0054] 7）组建高效集群水泵供水系统

[0055] 如图4所示，将三台水泵a、b、c与电动机M1、M2、M3和控制阀1～控制阀3相连，三台水泵a、b、c进水口通蓄水池4、出水口经管路至用户5。

[0056] 如图5所示，配置PLC控制单元6、全压母线7、软启动器8和交流接触器KM1～KM3，每台电动机分别通过并联的软启动器8和相应的交流接触器常开触点接全压母线7，软启动器8和交流接触器常开触点KM1～KM3的吸合和断开通过PLC控制单元6控制。PLC控制单元6根据流量工况确定哪台水泵启动，并接通相应的软启动器，启动后接通相应的交流接触器常开触点，使水泵启动。

[0057] 该配置方案节水节能分析

[0058] 与传统满足最大流量需求的单台水泵配置方案比较，该配置方案一昼夜24小时工作可节水5565.7立方米，节电约为1.89*103 Kw.H。