水泵變頻節(jié)能技術(shù)在供熱運(yùn)行中的應(yīng)用

曹劍琦

（太原市熱力公司，山西 太原 030001）

水泵變頻節(jié)能技術(shù)在供熱運(yùn)行中的應(yīng)用

曹劍琦

（太原市熱力公司，山西 太原 030001）

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，其在供熱領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸推廣，該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地降低電能消耗，對(duì)供熱企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行有著重要的意義。文章介紹了水泵變頻節(jié)能技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)特點(diǎn)、實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀及使用效果，同時(shí)也提出了實(shí)際應(yīng)用中注意的問題。

集中供熱；水泵變頻調(diào)速技術(shù)；節(jié)電量

水泵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、公用事業(yè)、日常生活中的應(yīng)用十分廣泛，同時(shí)，也是供熱領(lǐng)域必不可少的重要設(shè)備之一。傳統(tǒng)的水泵控制系統(tǒng)存在著許多的弊端，因此，研究和改進(jìn)水泵的控制技術(shù)，使其在運(yùn)行中達(dá)到最佳狀態(tài)就有著非常重要的意義。

變頻節(jié)能技術(shù)是水泵控制系統(tǒng)中一種較先進(jìn)、實(shí)用的方式，該技術(shù)在節(jié)能（節(jié)電、節(jié)水）、延長泵及官網(wǎng)設(shè)備的使用壽命、實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化等方面有著明顯的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效果。

1 變頻節(jié)能技術(shù)的工作原理

1.1 水泵控制的相關(guān)理論

水泵的工作點(diǎn)，即實(shí)際運(yùn)行的工況點(diǎn)，是泵的性能曲線和管網(wǎng)特性曲線的交點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，為適應(yīng)用戶的需要和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，泵的運(yùn)行工況是隨時(shí)變化的，它應(yīng)與管網(wǎng)實(shí)際流量、壓力、溫度等參數(shù)的變化相匹配。因此，改變泵的實(shí)際工作點(diǎn)，應(yīng)從改變泵的性能曲線或管網(wǎng)特性曲線這兩個(gè)途徑入手。

（1）改變管網(wǎng)特性曲線。最常用的方法是節(jié)流法，即閥門調(diào)節(jié)法。此法利用開大或關(guān)小泵的出口閥門開度，從而改變管網(wǎng)的阻力系數(shù)，使管網(wǎng)特性曲線發(fā)生改變。

（2）改變泵的性能曲線。在水泵選型一定的情況下，只有通過改變泵的轉(zhuǎn)速，才能使泵的性能曲線升高或降低，進(jìn)而改變該曲線與管網(wǎng)特性曲線的交叉點(diǎn)。

1.2 水泵變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能原理

變頻調(diào)速技術(shù)是將交流電源變成電壓和頻率可調(diào)的電源輸出給電機(jī)，使電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)可調(diào)變速。變頻調(diào)速技術(shù)可使電機(jī)獲得平穩(wěn)的啟動(dòng)效果，還可根據(jù)負(fù)載的輕重使電機(jī)獲得最高達(dá)2倍的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)流體力學(xué)和泵的相似原理，當(dāng)泵的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速n與額定轉(zhuǎn)速nm不同時(shí)，泵的性能參數(shù)可簡化為：

泵的功率：P=（γ×Q×H）/η

流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：Q/Qm=n/nm

揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：H/Hm=（n/nm）2

功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：P/Pm=（n/nm）3

由以上關(guān)系式可知，水泵電機(jī)的輸出功率近似正比于轉(zhuǎn)速的立方。例如：當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為額定轉(zhuǎn)速的80%時(shí)，電機(jī)輸出功率僅為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的51.2%，可見節(jié)電率很高。

泵與管網(wǎng)的性能曲線見圖1。

圖中：R：管網(wǎng)在此阻力系數(shù)下的特性曲線，且R1>R2；

圖1 泵與管網(wǎng)的性能曲線圖

由圖1可知，當(dāng)水泵在n1轉(zhuǎn)速下、管網(wǎng)阻力系數(shù)為R1時(shí)，泵的工作點(diǎn)在A1，流量為Qa，電機(jī)所做的功為A1-H2-0-Qa所圍成的面積。若將流量由Qa減小到Qb時(shí)，可通過兩條途徑達(dá)到：一是采用閥門節(jié)流控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，泵的工作點(diǎn)由A1點(diǎn)移到B1點(diǎn)，此時(shí)管網(wǎng)阻力為R2，電機(jī)所做的功為B1-H3-0-Qb所圍的面積；二是采用變頻調(diào)速方案，管道阻力系數(shù)不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降至n2，則工作點(diǎn)由A1移到了A2點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)所做的功為A2-H1-0-Qb所圍的面積。比較兩種方案可知，后者電機(jī)所做的功遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者；H3-H1是采用閥門節(jié)流控制與采用變頻調(diào)速控制相比較所損失的揚(yáng)程。

2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在供熱運(yùn)行中的應(yīng)用

以太原市熱力公司為例，其將水泵的變頻控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于二次管網(wǎng)的循環(huán)水泵上。由于設(shè)計(jì)選型和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)改變等因素，需要對(duì)泵進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.1 二次管網(wǎng)循環(huán)水泵的運(yùn)行狀況

通常，循環(huán)泵在實(shí)際工作中無法在合理的工作區(qū)間運(yùn)行，主要有以下3方面原因：首先，考慮到在運(yùn)行中一些不可預(yù)見的因素，為了提高安全系數(shù)，泵的選型往往都偏大，這就產(chǎn)生了較大的功率富裕量；其次，考慮到供熱面積的發(fā)展情況與管網(wǎng)、熱力站初建時(shí)的一次性投資之間的平衡關(guān)系，熱力站建站時(shí)的水泵一般是按未來幾年擴(kuò)網(wǎng)后的負(fù)荷量來選型的；第三，泵在設(shè)計(jì)選型時(shí)，是按照所有用戶最大熱負(fù)荷計(jì)算的，而實(shí)際熱負(fù)荷要小于選型熱負(fù)荷，而使流量富裕量增大。因此，工作人員通過節(jié)流循環(huán)泵出口閥門的方法加以調(diào)節(jié)和控制，使泵的實(shí)際工作點(diǎn)盡可能在合理的工作區(qū)間內(nèi)，但卻使90%以上的功率富裕量全部消耗在閥門上，造成了水泵能源消耗的主要原因。

除此之外，在整個(gè)采暖季運(yùn)行中，由于初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期的室外溫度差異很大，因而各熱力站實(shí)際熱負(fù)荷也隨時(shí)間變化而變化，循環(huán)水泵若始終采用公頻運(yùn)轉(zhuǎn)，勢必在初寒期和末寒期造成“大馬拉小車”的狀況，造成能源浪費(fèi)。

2.2 變頻節(jié)能技術(shù)改造應(yīng)用實(shí)例

從2005年開始，太原市熱力公司開始分批次對(duì)熱力站進(jìn)行循環(huán)泵變頻改造。在實(shí)施此項(xiàng)技術(shù)改造之前做了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理工作，并依據(jù)第一手的現(xiàn)場數(shù)據(jù)作了理論計(jì)算和周密的可行性研究，基本確定按現(xiàn)有狀況，改造投資成本可在1～3個(gè)采暖季收回。

例如：太原市熱力公司2242材料庫熱力站設(shè)計(jì)負(fù)荷10×104m2，實(shí)際負(fù)荷7.35×104m2，負(fù)荷比為73.5%。設(shè)有3臺(tái)55 kW循環(huán)泵，其中2臺(tái)投入使用，1臺(tái)備用，循環(huán)泵出口閥門開度不足50%，運(yùn)行中循環(huán)泵出口端與換熱器進(jìn)水端壓差為22 m。

進(jìn)行理論計(jì)算后得出，在加裝2臺(tái)55 kW變頻器后，動(dòng)力用電量為加裝前的63%，每采暖季節(jié)約電量約80 452度，折合人民幣52 294元，約1.2個(gè)采暖季就可收回投資成本。

對(duì)變頻改造后的熱力站用電量進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看取得了預(yù)期的效果。各改造熱力站節(jié)電量平均在35%以上，基本上3個(gè)采暖季內(nèi)便可收回全部投資成本，其中，效益最好的熱力站不到1個(gè)采暖季即可收回投資成本。改造后，單位耗電量從2.38度/m2.a降至目前的2.01度/m2.a，按照1千萬供熱面積、每度電0.52元計(jì)算，公司每年可節(jié)約電費(fèi)192.4萬元。

2008年增設(shè)變頻器熱力站用電量對(duì)照表，見表1。

3 應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）變頻技術(shù)僅僅是降低用電量的手段和方法，它本身不能降低用電量，而是需要生產(chǎn)運(yùn)行人員在運(yùn)行中科學(xué)管理，加強(qiáng)管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)以及初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期的運(yùn)行調(diào)節(jié)，從而真正起到節(jié)能降耗的效果。

表1 2008年度熱力站變頻改造用電量對(duì)照表

（2）變頻器工作時(shí)，工作頻率不得小于15 Hz，否則會(huì)對(duì)變頻器的使用壽命造成影響。

（3）變頻器長時(shí)間存放時(shí)，需保證一個(gè)月通電一次，通電時(shí)間不得少于5 h，輸入電壓要緩慢升至額定值。同時(shí)，存放環(huán)境應(yīng)干燥通風(fēng)，避免潮濕，否則可導(dǎo)致變頻器電解電容的損壞。

變頻調(diào)速控制技術(shù)經(jīng)過多年來的實(shí)踐考驗(yàn)和技術(shù)的不斷改進(jìn)，已經(jīng)成為一項(xiàng)較成熟的節(jié)能技術(shù)，雖然需要一定的一次性投資，但技術(shù)改造后產(chǎn)生的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果非常明顯。所以，隨著相關(guān)配套技術(shù)和設(shè)施、設(shè)備的完善和發(fā)展，水泵變頻調(diào)速控制技術(shù)必將在集中供熱系統(tǒng)運(yùn)行中得到更為廣泛的應(yīng)用。

[1] 王寒棟.泵與風(fēng)機(jī).北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1.

[2] 李善華.實(shí)用集中供熱手冊.中國電力出版社，2010.9.

[3] 趙慶利.供熱系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行，中國建筑工業(yè)出版社，2001.12.

[4] 蔣志良.供熱工程.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.1.

W ater Pump Frequency Conversion Energy Conservation Technology in Heating M ovement Application

Cao Jianqi

Develops unceasingly along with the frequency conversion technology and day by day mature，it also gradually promotes in the heating domain’s application，this technology’s application can reduce the electrical energy consumption effectively，has the vital significance to the heating enter prise actual production movement.This article introduced the water pump frequency conversion energy conservation technology’s principle of work，the system characteristic，the practical application present situation and the use effect，simultaneously also proposed in the practical application pays attention question.

central heat supply；water pump frequency conversion velocity modulation technology；the electricity saving measures

TU991.35

A

1000-8136(2011)08-0021-02