分布式變頻泵供熱系統節能影響因素

摘 要

摘要：對分布式變頻泵供熱系統的設計思路進行了探討。分析了壓差控制點、系統背壓對分布式變頻泵供熱系統能耗的影響。關鍵詞：分布式變頻泵供熱系統；壓差控制點；系統背壓；節能分析
摘要：對分布式變頻泵供熱系統的設計思路進行了探討。分析了壓差控制點、系統背壓對分布式變頻泵供熱系統能耗的影響。
關鍵詞：分布式變頻泵供熱系統；壓差控制點；系統背壓；節能分析
Influencing Factors of Energy-saving of Heat-supply System with Distributed Variable Frequency Pump
YA0 Dong-wen，QIU Lin
Abstract：The design idea of heat-supply system with distributed variable frequency pump is discussed. The influence of pressure difference control point and system back-pressure on the energy consumption of heat-supply system with distributed variable frequency pump is analyzed.
Key words：heat-supply system with distributed variable frequency pump；pressure difference control point；system back-pressure；energy-saving analysis
    隨著變頻技術在供熱系統的應用，出現了分布式變頻泵供熱系統[1～4]。由于分布式變頻泵供熱系統的節能優勢被廣泛采用，特別是一些改造工程。但分布式變頻泵供熱系統不一定總是節能的，系統背壓和壓差控制點的位置是影響其節能效果的主要因素。過大的系統背壓以及不適宜的壓差控制點均不能使分布式變頻泵供熱系統發揮節能優勢，甚至會變得不節能。本文對分布式變頻泵供熱系統節能影響因素進行探討。
1 分布式變頻泵供熱系統
    分布式變頻泵供熱系統的控制由氣候補償器實現。氣候補償器是一種準確、及時的控制調節設備，它安裝在鍋爐房、熱力站或換熱機組上，能夠使熱源熱功率隨室外溫度、回水溫度的變化動態調節，實現節能降耗。當室外溫度降低時，為了維持設定的室內溫度，氣候補償器增大電動調節閥的相對開度，使進入換熱器的蒸汽或熱水流量增大，使用戶的供水溫度升高；當室外溫度上升時，氣候補償器減小電動調節閥的相對開度，使進入換熱器的蒸汽或熱水流量減小，使用戶的供水溫度降低。
分布式變頻泵供熱系統的設計思路為：①進行管網系統設計，計算管網的阻力。②選擇壓差控制點，不同的壓差控制點對應不同的設備造價和運行費用，應按技術經濟分析結果進行選擇。③選擇主循環泵。主循環泵的選擇考慮以下幾方面：a.流量要求，應能提供管網的全部循環流量；b.揚程要求，應能克服熱源到壓差控制點間的阻力；c.考慮主循環泵隨管網變化的應變能力，一般選取特性曲線較平坦的水泵。④分布式變頻泵的選擇，主要考慮滿足該分支用戶的阻力和流量，以及變頻調節能力，一般選取特性曲線較陡的水泵。
2 節能因素分析
分布式變頻泵供熱系統較傳統供熱系統最大的優勢在于更加節能。但這并不意味著分布式變頻泵供熱系統就一定節能，要綜合考慮各種影響因素和各個分布式變頻泵的能耗，由此確定分布式變頻泵供熱系統是否節能。決定分布式變頻泵供熱系統是否節能的主要因素有兩個：壓差控制點的選取、系統背壓的作用[5]。
2.1 壓差控制點
分布式變頻泵供熱系統的合理設計是實現其高效節能運行的前提，首要問題是分布式系統壓差控制點的確定和主循環泵的選取。一般地，熱網存在一個使能耗最低的壓差控制點，也存在一個使熱網穩定性最好的壓差控制點，當這兩個壓差控制點在熱網的同一位置時，管網的設計是最優的[6]。因此，選取適宜的壓差控制點不僅能節能，還可以提高系統的穩定性。
以擁有5個用戶的熱網為例，總流量為134m3/h，用戶1～5的流量分別為25、32、28、22、27m3/h，用戶的資用壓頭均為10m。熱網示意圖見圖1。設計方案為：方案1，以支路E-E′為壓差控制點選取主循環泵，此時主循環泵可滿足用戶1、2、3的要求，支路上不設分布式變頻泵，用戶4、5支路上設分布式變頻泵。方案2，以支路D-D′為壓差控制點選取主循環泵，此時主循環泵可滿足用戶1、2的要求，支路上不設分布式變頻泵，之路上不設分布式變頻，用戶3～5支路上設分布變頻泵。方案3，以支路C-C′為壓差控制點選取主循環泵，此時主循環泵可滿足用戶1的要求，支路上不設分布式變頻泵，其他用戶支路上均設分布式變頻泵。方案4，以支路B-B′為壓差控制點選取主循環泵，此時主循環泵可滿足1用戶的需求，支路上不設分布式變頻泵，其他用戶支路上均設分布式變頻泵。
 
各方案電功率見表1。由表1可知，方案3的電功率最低，方案1的最高。當壓差控制點取在熱網的兩端時，系統電功率都比較高，取在熱網末端時最高；當壓差控制點偏向熱網中部時，系統電功率逐漸減小，取在管網中部略靠近熱源時，系統總能耗最低。
表1各方案電功率
方案
方案1
方案2
方案3
方案4
電功率/kW
142.15
116.05
81.62
92.41
    當壓差控制點靠近熱源時，最靠近熱源用戶的水力穩定性得到了提高，但這種提高是以犧牲其他用戶的水力穩定性為代價的，尤其是熱網末端用戶。當壓差控制點偏向熱網末端時，只利于壓差控制點處用戶的水力穩定性，對其他用戶的水力穩定性均造成不良影響，在實際工程中不可取。當壓差控制點選在熱網中部時，整個熱網的運行壓力下降，進而使系統各處壓力隨流量變化較小，系統運行比較穩定。因此，壓差控制點取在熱網中部略靠近熱源時，不僅使系統總能耗最低，而且還大大提高了系統的穩定性。
    此外，選取主循環泵和分布式變頻泵時，滿足要求的水泵類型很多。不同類型水泵的特性曲線不同，將影響整個熱網的穩定性和調節效果。試驗發現，選用特性曲線平坦的主循環泵和陡峭型的分布式變頻泵對提高各回路的水力穩定性是最有利的，而且末端用戶的水力穩定性也會得到較大提高。
2.2 系統背壓
    按流體通過泵或風機的壓頭增量所起的作用可分為有背壓系統、無背壓系統。
   ① 有背壓系統
   系統中流體通過泵或風機的壓頭增量，一部分用于克服管道阻力，一部分用于提升流體勢能。此時管網特性曲線可由下式表達：
    hp=h+Sq2    (1)
式中hp——流體通過泵或風機的壓頭增量，m
    h——背壓壓頭，m
    S——管網的阻力數，m·s2/m6
    q——管網流量，m3/s
   ② 無背壓系統
   系統中流體通過泵或風機的壓頭增量全部用于克服管道阻力。此時管網特性曲線可由下式表達：
    hp=Sq2    (2)
    假設水泵的設計工況點為點4，對應轉速n1、流量q1、揚程hA、功率PA、效率ηA。現需把流量調到q2，采用以下兩種方法：采用節流調節，水泵的工況點變為點C，對應轉速n1、流量q2、揚程hC、功率PC、效率ηC；采用變頻調節，水泵的工況點變為點B，對應轉速n2、流量q2、揚程hB、功率PB、效率ηB。管網、水泵特性曲線見圖2，下面分析變頻調節工況參數隨背壓的變化。
 
   ① 水泵揚程隨背壓的變化
工況點B的水泵揚程隨背壓變化的計算式為：
 
式中hB——工況點B的水泵揚程，m
    hA——工況點A的水泵揚程，m
    q2——工況點B的水泵流量，m3/h
    q1——工況點A的水泵流量，m3/h
    由式(3)可知，hB隨背壓的增大而增大。
    ② 水泵效率隨背壓的變化
    當背壓為0時，點B0與點A是相似工況點；當存在背壓時，點B與點D是相似工況點。當水泵流量由q1調至q2時，隨著背壓的增大(即管網特性曲線由⑦變為②)，工況點鼠向點日移動，其相似工況點A沿曲線①向點D運動。由于相似工況的效率相同，即ηB0=ηA、ηB=ηD，因此變頻調節后點B的效率隨背壓的變化可由ηA到ηD的變化趨勢反映，這存在以下兩種情況：a.設計工況點4在效率曲線上的對應點A′落在效率曲線的最高點或其左側，則點B的效率隨背壓的增大而單調減小；b.點A′落在效率曲線最高點的右側，即效率曲線的下降段，則隨背壓的增大，點B的效率先略增大，然后逐漸下降。一般，設計工況點A應在高效率區，點B的效率隨背壓的增大而降低[7]。
   ③ 功率隨背壓的變化
點B水泵軸功率PB的計算式為：
 
式中PB——點B水泵的軸功率，W
    ρ——流體密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
    ηB——點B水泵的效率
    由于hB隨背壓的增大而增大，ηB隨背壓增大而降低，因此PB將隨背壓的增大而增大。
    ④ 變頻調節節能率隨背壓的變化
點C、B水泵軸功率差的計算式為：
 
式中△P——點C、B水泵軸功率差，W
    PC——點C水泵軸功率，W
    hC——點C水泵揚程，m
    ηC——點C水泵的效率
    由于PB隨背壓的增大而增大，節流調節與背壓無關，即PC與背壓無關。因此，△P隨背壓的增大而減小，即變頻調節的節能率隨背壓的增大而降低。
考慮到變頻調速裝置的效率，假設變頻調速裝置的效率為ηm，那么變頻調節與節流調節相比，節能的條件為：
 
式中ηm——變頻調速裝置的效率
    但當背壓增大到一定程度，可能出現不滿足式(6)的情況，這時變頻調節不但不節能，反而更耗能[8]。
    由以上分析可知，變頻調節的節能率與背壓之間的關系為：無背壓系統，水泵的變頻調節的節能效果最好；有背壓系統，則隨著背壓的增大，水泵的變頻調節的節能效果逐漸降低，當背壓增大到一定程度，變頻調節的能耗可能會大于節流調節的能耗。
3 結論
    ① 決定分布式變頻泵供熱系統是否節能的主要因素是壓差控制點的選取和系統背壓。
   ② 選取較優的壓差控制點，既能提高系統的運行穩定性，又有利于節能。當壓差控制點在熱網中部略靠近熱源時，系統的能耗最低，穩定性也比較好。
   ③ 系統的節能效果隨著熱網背壓的增大而減弱。無背壓時變頻調節節能效果最好；當熱網背壓增大到一定程度，變頻調節能耗反而會大于節流調節時的能耗，變得不節能。
參考文獻：
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[8] 劉衛民.中繼泵在集中供熱系統中的技術經濟性研究(碩士學位論文)[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2002.
 
(本文作者：姚東文 邱林 北京建筑工程學院 北京 100044)