供熱系統(tǒng)中變頻水泵調(diào)節(jié)效率及功率分析

牛建軍 張 航

(華潤(rùn)置地(太原)有限公司，山西 太原 030000)

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供熱系統(tǒng)中變頻水泵調(diào)節(jié)效率及功率分析

牛建軍 張 航

(華潤(rùn)置地(太原)有限公司，山西 太原 030000)

針對(duì)變頻調(diào)節(jié)的技術(shù)原理及效率的影響因素進(jìn)行了研究，分析了變頻水泵效率的影響因素、影響效果以及變頻調(diào)節(jié)的效率隨轉(zhuǎn)速的變化情況，繪制出了轉(zhuǎn)速與效率的變化曲線圖，并對(duì)變頻調(diào)節(jié)的效率和功率進(jìn)行了探討，繪制了效率對(duì)功率的影響曲線圖，總結(jié)了變頻調(diào)節(jié)效率、轉(zhuǎn)速比與功率的關(guān)系，為之后變頻技術(shù)的運(yùn)用奠定良好的基礎(chǔ)。

變頻調(diào)節(jié)，耗電量，效率

0 引言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源已經(jīng)成為發(fā)展的基礎(chǔ)和動(dòng)力。據(jù)顯示，我國(guó)能源消費(fèi)目前占到全球的25.4%，居世界之首。而我國(guó)能耗的損失較為突出，能源利用率低。變頻調(diào)節(jié)方法為我國(guó)的節(jié)能發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。變頻技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、大型機(jī)械設(shè)備、小型的家用電器等，受到了各行各業(yè)的青睞，取得了良好的節(jié)能效果。通過研究變頻調(diào)節(jié)的功率及效率隨轉(zhuǎn)速的變化情況，來掌握變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的原理，并能夠把變頻調(diào)節(jié)技術(shù)與實(shí)際調(diào)節(jié)進(jìn)行良好的匹配，達(dá)到節(jié)能效率最大化，保證節(jié)能降耗工程能夠有力的實(shí)施。

如今，建筑能耗占總能源消耗的比重越來越大，而建筑能耗又以供熱系統(tǒng)能耗為主。我國(guó)供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)水平落后，主要以質(zhì)調(diào)節(jié)為主，質(zhì)調(diào)節(jié)的方法操作簡(jiǎn)單，運(yùn)用這種方法調(diào)節(jié)時(shí)，供熱系統(tǒng)的循環(huán)水量不需要調(diào)節(jié)，而只針對(duì)供回水的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方法導(dǎo)致水泵的耗電量很大，并且能耗損失較為嚴(yán)重。

采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)具有很大的節(jié)能意義，掌握良好的變頻調(diào)節(jié)技術(shù)將更有助于供熱系統(tǒng)的節(jié)能，使用變頻調(diào)節(jié)方法，對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)速度很快，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)的流量發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)節(jié)效果的同時(shí)又節(jié)省水泵的耗電量。

1 變頻調(diào)節(jié)的原理分析

在供熱系統(tǒng)中，變頻調(diào)節(jié)的方式就是改變水泵的轉(zhuǎn)速。水泵轉(zhuǎn)速改變，其性能曲線也跟著改變。根據(jù)相似原理可得，水泵在不同的轉(zhuǎn)速下，流體的流動(dòng)是相似的，也就是說水泵在不同的轉(zhuǎn)速下，其性能曲線是相似的。變頻水泵的流量Q、轉(zhuǎn)速n、揚(yáng)程H及功率N有以下關(guān)系：

(1)

它的特性曲線圖見圖1。從圖1中得出，當(dāng)閥門開的較大時(shí)，水泵的特性曲線③與管網(wǎng)特性曲線②交于B點(diǎn)，水泵軸功率可以用面積BH1OQ2表示，此刻水泵的流量為Q2，而揚(yáng)程為H1。如果流量想要減小到Q1，可以采用兩種調(diào)節(jié)方法：通過調(diào)節(jié)閥門來改變管網(wǎng)的特性曲線，使得管網(wǎng)特性曲線①與水泵的特性曲線③交于C點(diǎn)，從而滿足了所需的流量Q1，但是揚(yáng)程變?yōu)榱薍2，水泵軸功率用面積H2CQ1O表示；如果改變水泵的轉(zhuǎn)速，降低水泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)相似理論，水泵特性曲線將由③變?yōu)槌汕€④，但管網(wǎng)的特性曲線不變?nèi)詾棰?，與水泵的特性曲線④交于A點(diǎn)，也可以滿足流量Q1的要求，不同之處是揚(yáng)程變成了H3，與H2相比大幅下降，水泵的軸功率可由面積H3AQ1O表示。

兩種調(diào)節(jié)方法都可以達(dá)到同樣的效果，但是，采用閥門調(diào)節(jié)所消耗的軸功率要遠(yuǎn)高于通過降低水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需要的軸功率，從圖1中可以得出，變頻調(diào)節(jié)要比閥門調(diào)節(jié)節(jié)省的功率ΔP可用陰影面積H2CAH3表示?？傻弥捎米冾l泵調(diào)節(jié)方式比定頻泵調(diào)節(jié)更節(jié)能，而且節(jié)能效果十分顯著。

變頻水泵其實(shí)是通過變頻器來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)非滿負(fù)荷工況下的調(diào)節(jié)，上述分析了變頻水泵的節(jié)能原理，下面對(duì)變頻水泵的效率及電耗進(jìn)行理論分析。

變頻水泵是由電動(dòng)機(jī)、變頻器和水泵組成，輸入的總功率Nin先通過變頻調(diào)速器變?yōu)镹m；再經(jīng)過變頻調(diào)速器傳到電機(jī)，變?yōu)镹s；最后由電機(jī)控制水泵的運(yùn)行，最終，水泵實(shí)際輸出的有效功率為Nt。在每個(gè)過程中都有能耗的損失，假設(shè)變頻調(diào)速器的效率為ηv，水泵的效率為ηp，電動(dòng)機(jī)的效率為ηm。下述分析變頻水泵不同功率的關(guān)系式及電耗的計(jì)算式：

1) 水泵有效功率Nt由下式計(jì)算得出：

(2)

其中，Nt為水泵有效輸出功率，kW；H為水泵的揚(yáng)程，m；g為重力加速度，m/s2；G為水泵的質(zhì)量流量，kg/h。

2)水泵的軸功率Ns計(jì)算式：

(3)

其中，Ns為水泵軸功率，kW；ηp為水泵效率。

3)電機(jī)輸入功率Nm計(jì)算式：

(4)

其中，Nm為電機(jī)的輸入功率，kW；ηm為電機(jī)的效率。

4)總的輸入功率，表示為：

(5)

其中，Nin為變頻器輸入功率，kW；ηv為變頻器的效率。

因此，變頻器的輸入功率即總的輸入功率計(jì)算表達(dá)式為：

(6)

通過上式可以得出，效率是影響水泵電耗的重要因素之一，下面分析水泵效率ηp、變頻器的效率ηv、電機(jī)效率ηm及總效率對(duì)水泵功率的影響。

2 變頻調(diào)節(jié)的效率及功率分析

通過理論研究分析，額定工況水泵的效率ηp最高，但隨著管網(wǎng)流量的降低，水泵的效率也隨之降低，且降低程度與水泵性能有很大關(guān)系。

隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，電機(jī)的效率ηm也會(huì)發(fā)生改變，經(jīng)過研究，可以總結(jié)出電機(jī)效率的理論計(jì)算式：

ηm(φ)=0.942×(1-e-9φ)

(7)

其中，φ為電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比，稱之為電機(jī)相對(duì)轉(zhuǎn)速，可表示為：

(8)

其中，n為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；n′為電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，r/min。

變頻器的效率ηv在水泵運(yùn)行過程中也會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，它的效率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

ηv(φ)=0.51+1.28φ-1.42φ2+0.58φ3

(9)

對(duì)上述公式電機(jī)的轉(zhuǎn)速比賦值，可繪制成平滑的曲線，見圖2。

從圖2可看出，在額定的工況下，φ=1時(shí)，變頻器的效率及電機(jī)的效率全部都在95%左右，而不是100%；它們的效率都隨轉(zhuǎn)速比的降低而降低；隨著轉(zhuǎn)速比的降低，起初效率衰減緩慢，但隨著轉(zhuǎn)速比降到0.3時(shí)，電機(jī)效率ηm和變頻器效率ηv都大幅下降。

(10)

整理得：

(11)

通過研究分析，在定頻水泵的特性曲線中，水泵效率ηp特性曲線是不變的，水泵的效率隨著流量的改變而改變的；在變頻水泵運(yùn)行時(shí)，水泵的特性曲形狀不變，效率曲線也不變，位置隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，但水泵效率ηp與ηp′的比值是不變的，因此，上式可以化簡(jiǎn)為：

(12)

其中，ηz為變頻器效率ηv和電機(jī)效率ηm的積，通過上面電機(jī)效率計(jì)算式(7)和變頻器效率的計(jì)算式(9)，擬合出效率ηz的曲線圖，并根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速比的不同，繪制出總耗功率比曲線圖，水泵在不同轉(zhuǎn)速比狀態(tài)下的耗功率比見圖3，考慮效率與不考慮效率的耗電功比見圖4。

3 結(jié)果分析

1)通過上圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)速比的降低,水泵的總效率也降低，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)速比降至0.3時(shí)，變頻水泵的效率已經(jīng)小于70%，也就是說，當(dāng)在轉(zhuǎn)速比小于0.3的運(yùn)行下，所提供的總功率中，就至少有30%的電耗由于效率低導(dǎo)致能耗損失。因此，在供熱系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)速比最好要控制在0.3以上，從而可以減少電耗損失；

2)總電功率比隨轉(zhuǎn)速比的降低而降低，開始時(shí)降低幅度大，但隨著轉(zhuǎn)速比的減小，幅度減緩，因此，采用變頻調(diào)節(jié)時(shí)，在高轉(zhuǎn)速比范圍調(diào)節(jié)下，節(jié)能效果顯著；

3)考慮效率影響的電功率比要大于不考慮效率影響的電功率比；

4)在轉(zhuǎn)速比較高時(shí)，效率對(duì)電功率比影響并不大，隨轉(zhuǎn)速比的降低，水泵總效率降低幅度增大，對(duì)電功率比的影響增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速比從0.3繼續(xù)降低，水泵電功率比降低幅度較小，節(jié)能效果不明顯，而效率對(duì)水泵電耗影響繼續(xù)增大，導(dǎo)致電耗損失增大。

4 結(jié)語

通過分析研究變頻水泵的節(jié)能原理、變頻水泵的組成以及變頻水泵效率和功率的影響因素，達(dá)到對(duì)變頻水泵調(diào)節(jié)系統(tǒng)更深入全面的了解，從而更好的掌握變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，并能夠在實(shí)際工程中得到高效的應(yīng)用，達(dá)到顯著的節(jié)能效果。

[1] 江 億.中國(guó)建筑節(jié)能發(fā)展報(bào)告2012[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[2] 徐寶萍,付 林,狄洪發(fā)，等.變流量工況下的散熱器動(dòng)態(tài)仿真[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,48(12):2029-2032.

[3] 龐陳濤.一次泵變流量系統(tǒng)機(jī)房側(cè)能耗動(dòng)態(tài)模擬及節(jié)能研究[D].湘潭:湖南科技大學(xué)學(xué)位論文,2008.

The studing on the power and efficiency of frequency adjustment in heating system

Niu Jianjun Zhang Hang

(ChinaResourcesLand(Taiyuan)Limited，Taiyuan030000，China)

The paper studies frequency adjustment technology principles and efficiency influencing factors, analyzes frequency water pumping efficiency influencing factors, influencing effect and frequency adjustment efficiency changing conditions with rotate speed, draws the changing curve map of rotate speed and efficiency, explores frequency adjustment efficiency and power rate, draws the curve of efficiency influencing power rate, and finally summarizes the relationship of frequency adjustment efficiency, rotate speed and power rate, which has laid a good foundation for frequency adjustment technology application in future.

frequency adjustment, power consumption, efficiency

1009-6825(2015)30-0174-03

2015-08-18

牛建軍(1973- )，男，工程師； 張 航(1989- )，男，碩士，助理工程師

TU833

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