分布式變頻泵供熱系統(tǒng)節(jié)能影響因素

摘 要

摘要：對(duì)分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了探討。分析了壓差控制點(diǎn)、系統(tǒng)背壓對(duì)分布式變頻泵供熱系統(tǒng)能耗的影響。關(guān)鍵詞：分布式變頻泵供熱系統(tǒng)；壓差控制點(diǎn)；系統(tǒng)背壓；節(jié)能分析
摘要：對(duì)分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了探討。分析了壓差控制點(diǎn)、系統(tǒng)背壓對(duì)分布式變頻泵供熱系統(tǒng)能耗的影響。
關(guān)鍵詞：分布式變頻泵供熱系統(tǒng)；壓差控制點(diǎn)；系統(tǒng)背壓；節(jié)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(shù)在供熱系統(tǒng)的應(yīng)用，出現(xiàn)了分布式變頻泵供熱系統(tǒng)[1～4]。由于分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)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(tǒng)不一定總是節(jié)能的，系統(tǒng)背壓和壓差控制點(diǎn)的位置是影響其節(jié)能效果的主要因素。過(guò)大的系統(tǒng)背壓以及不適宜的壓差控制點(diǎn)均不能使分布式變頻泵供熱系統(tǒng)發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢(shì)，甚至?xí)兊貌还?jié)能。本文對(duì)分布式變頻泵供熱系統(tǒng)節(jié)能影響因素進(jìn)行探討。
1 分布式變頻泵供熱系統(tǒng)
    分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的控制由氣候補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)。氣候補(bǔ)償器是一種準(zhǔn)確、及時(shí)的控制調(diào)節(jié)設(shè)備，它安裝在鍋爐房、熱力站或換熱機(jī)組上，能夠使熱源熱功率隨室外溫度、回水溫度的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。當(dāng)室外溫度降低時(shí)，為了維持設(shè)定的室內(nèi)溫度，氣候補(bǔ)償器增大電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度，使進(jìn)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(dāng)室外溫度上升時(shí)，氣候補(bǔ)償器減小電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度，使進(jìn)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(tǒng)的設(shè)計(jì)思路為：①進(jìn)行管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，計(jì)算管網(wǎng)的阻力。②選擇壓差控制點(diǎn)，不同的壓差控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用，應(yīng)按技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果進(jìn)行選擇。③選擇主循環(huán)泵。主循環(huán)泵的選擇考慮以下幾方面：a.流量要求，應(yīng)能提供管網(wǎng)的全部循環(huán)流量；b.揚(yáng)程要求，應(yīng)能克服熱源到壓差控制點(diǎn)間的阻力；c.考慮主循環(huán)泵隨管網(wǎng)變化的應(yīng)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(diào)節(jié)能力，一般選取特性曲線較陡的水泵。
2 節(jié)能因素分析
分布式變頻泵供熱系統(tǒng)較傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于更加節(jié)能。但這并不意味著分布式變頻泵供熱系統(tǒng)就一定節(jié)能，要綜合考慮各種影響因素和各個(gè)分布式變頻泵的能耗，由此確定分布式變頻泵供熱系統(tǒng)是否節(jié)能。決定分布式變頻泵供熱系統(tǒng)是否節(jié)能的主要因素有兩個(gè)：壓差控制點(diǎn)的選取、系統(tǒng)背壓的作用[5]。
2.1 壓差控制點(diǎn)
分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其高效節(jié)能運(yùn)行的前提，首要問(wèn)題是分布式系統(tǒng)壓差控制點(diǎn)的確定和主循環(huán)泵的選取。一般地，熱網(wǎng)存在一個(gè)使能耗最低的壓差控制點(diǎn)，也存在一個(gè)使熱網(wǎng)穩(wěn)定性最好的壓差控制點(diǎn)，當(dāng)這兩個(gè)壓差控制點(diǎn)在熱網(wǎng)的同一位置時(shí)，管網(wǎng)的設(shè)計(jì)是最優(yōu)的[6]。因此，選取適宜的壓差控制點(diǎn)不僅能節(jié)能，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
以擁有5個(gè)用戶的熱網(wǎng)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(wǎng)示意圖見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)方案為：方案1，以支路E-E′為壓差控制點(diǎn)選取主循環(huán)泵，此時(shí)主循環(huán)泵可滿足用戶1、2、3的要求，支路上不設(shè)分布式變頻泵，用戶4、5支路上設(shè)分布式變頻泵。方案2，以支路D-D′為壓差控制點(diǎn)選取主循環(huán)泵，此時(shí)主循環(huán)泵可滿足用戶1、2的要求，支路上不設(shè)分布式變頻泵，之路上不設(shè)分布式變頻，用戶3～5支路上設(shè)分布變頻泵。方案3，以支路C-C′為壓差控制點(diǎn)選取主循環(huán)泵，此時(shí)主循環(huán)泵可滿足用戶1的要求，支路上不設(shè)分布式變頻泵，其他用戶支路上均設(shè)分布式變頻泵。方案4，以支路B-B′為壓差控制點(diǎn)選取主循環(huán)泵，此時(shí)主循環(huán)泵可滿足1用戶的需求，支路上不設(shè)分布式變頻泵，其他用戶支路上均設(shè)分布式變頻泵。
 
各方案電功率見(jiàn)表1。由表1可知，方案3的電功率最低，方案1的最高。當(dāng)壓差控制點(diǎn)取在熱網(wǎng)的兩端時(shí)，系統(tǒng)電功率都比較高，取在熱網(wǎng)末端時(shí)最高；當(dāng)壓差控制點(diǎn)偏向熱網(wǎng)中部時(shí)，系統(tǒng)電功率逐漸減小，取在管網(wǎng)中部略靠近熱源時(shí)，系統(tǒng)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(dāng)壓差控制點(diǎn)靠近熱源時(shí)，最靠近熱源用戶的水力穩(wěn)定性得到了提高，但這種提高是以犧牲其他用戶的水力穩(wěn)定性為代價(jià)的，尤其是熱網(wǎng)末端用戶。當(dāng)壓差控制點(diǎn)偏向熱網(wǎng)末端時(shí)，只利于壓差控制點(diǎn)處用戶的水力穩(wěn)定性，對(duì)其他用戶的水力穩(wěn)定性均造成不良影響，在實(shí)際工程中不可取。當(dāng)壓差控制點(diǎn)選在熱網(wǎng)中部時(shí)，整個(gè)熱網(wǎng)的運(yùn)行壓力下降，進(jìn)而使系統(tǒng)各處壓力隨流量變化較小，系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定。因此，壓差控制點(diǎn)取在熱網(wǎng)中部略靠近熱源時(shí)，不僅使系統(tǒng)總能耗最低，而且還大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
    此外，選取主循環(huán)泵和分布式變頻泵時(shí)，滿足要求的水泵類(lèi)型很多。不同類(lèi)型水泵的特性曲線不同，將影響整個(gè)熱網(wǎng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選用特性曲線平坦的主循環(huán)泵和陡峭型的分布式變頻泵對(duì)提高各回路的水力穩(wěn)定性是最有利的，而且末端用戶的水力穩(wěn)定性也會(huì)得到較大提高。
2.2 系統(tǒng)背壓
    按流體通過(guò)泵或風(fēng)機(jī)的壓頭增量所起的作用可分為有背壓系統(tǒng)、無(wú)背壓系統(tǒng)。
   ① 有背壓系統(tǒng)
   系統(tǒng)中流體通過(guò)泵或風(fēng)機(jī)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(shì)能。此時(shí)管網(wǎng)特性曲線可由下式表達(dá)：
    hp=h+Sq2    (1)
式中hp——流體通過(guò)泵或風(fēng)機(jī)的壓頭增量，m
    h——背壓壓頭，m
    S——管網(wǎng)的阻力數(shù)，m·s2/m6
    q——管網(wǎng)流量，m3/s
   ② 無(wú)背壓系統(tǒng)
   系統(tǒng)中流體通過(guò)泵或風(fēng)機(jī)的壓頭增量全部用于克服管道阻力。此時(shí)管網(wǎng)特性曲線可由下式表達(dá)：
    hp=Sq2    (2)
    假設(shè)水泵的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為點(diǎn)4，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、流量q1、揚(yáng)程hA、功率PA、效率ηA?，F(xiàn)需把流量調(diào)到q2，采用以下兩種方法：采用節(jié)流調(diào)節(jié)，水泵的工況點(diǎn)變?yōu)辄c(diǎn)C，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、流量q2、揚(yáng)程hC、功率PC、效率ηC；采用變頻調(diào)節(jié)，水泵的工況點(diǎn)變?yōu)辄c(diǎn)B，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n2、流量q2、揚(yáng)程hB、功率PB、效率ηB。管網(wǎng)、水泵特性曲線見(jiàn)圖2，下面分析變頻調(diào)節(jié)工況參數(shù)隨背壓的變化。
 
   ① 水泵揚(yáng)程隨背壓的變化
工況點(diǎn)B的水泵揚(yáng)程隨背壓變化的計(jì)算式為：
 
式中hB——工況點(diǎn)B的水泵揚(yáng)程，m
    hA——工況點(diǎn)A的水泵揚(yáng)程，m
    q2——工況點(diǎn)B的水泵流量，m3/h
    q1——工況點(diǎn)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(dāng)背壓為0時(shí)，點(diǎn)B0與點(diǎn)A是相似工況點(diǎn)；當(dāng)存在背壓時(shí)，點(diǎn)B與點(diǎn)D是相似工況點(diǎn)。當(dāng)水泵流量由q1調(diào)至q2時(shí)，隨著背壓的增大(即管網(wǎng)特性曲線由⑦變?yōu)棰?，工況點(diǎn)鼠向點(diǎn)日移動(dòng)，其相似工況點(diǎn)A沿曲線①向點(diǎn)D運(yùn)動(dòng)。由于相似工況的效率相同，即ηB0=ηA、ηB=ηD，因此變頻調(diào)節(jié)后點(diǎn)B的效率隨背壓的變化可由ηA到ηD的變化趨勢(shì)反映，這存在以下兩種情況：a.設(shè)計(jì)工況點(diǎn)4在效率曲線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)A′落在效率曲線的最高點(diǎn)或其左側(cè)，則點(diǎn)B的效率隨背壓的增大而單調(diào)減??；b.點(diǎn)A′落在效率曲線最高點(diǎn)的右側(cè)，即效率曲線的下降段，則隨背壓的增大，點(diǎn)B的效率先略增大，然后逐漸下降。一般，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)A應(yīng)在高效率區(qū)，點(diǎn)B的效率隨背壓的增大而降低[7]。
   ③ 功率隨背壓的變化
點(diǎn)B水泵軸功率PB的計(jì)算式為：
 
式中PB——點(diǎn)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(diǎn)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(diào)節(jié)節(jié)能率隨背壓的變化
點(diǎn)C、B水泵軸功率差的計(jì)算式為：
 
式中△P——點(diǎn)C、B水泵軸功率差，W
    PC——點(diǎn)C水泵軸功率，W
    hC——點(diǎn)C水泵揚(yáng)程，m
    ηC——點(diǎn)C水泵的效率
    由于PB隨背壓的增大而增大，節(jié)流調(diào)節(jié)與背壓無(wú)關(guān)，即PC與背壓無(wú)關(guān)。因此，△P隨背壓的增大而減小，即變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能率隨背壓的增大而降低。
考慮到變頻調(diào)速裝置的效率，假設(shè)變頻調(diào)速裝置的效率為ηm，那么變頻調(diào)節(jié)與節(jié)流調(diào)節(jié)相比，節(jié)能的條件為：
 
式中ηm——變頻調(diào)速裝置的效率
    但當(dāng)背壓增大到一定程度，可能出現(xiàn)不滿足式(6)的情況，這時(shí)變頻調(diào)節(jié)不但不節(jié)能，反而更耗能[8]。
    由以上分析可知，變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能率與背壓之間的關(guān)系為：無(wú)背壓系統(tǒng)，水泵的變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能效果最好；有背壓系統(tǒng)，則隨著背壓的增大，水泵的變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能效果逐漸降低，當(dāng)背壓增大到一定程度，變頻調(diào)節(jié)的能耗可能會(huì)大于節(jié)流調(diào)節(jié)的能耗。
3 結(jié)論
    ① 決定分布式變頻泵供熱系統(tǒng)是否節(jié)能的主要因素是壓差控制點(diǎn)的選取和系統(tǒng)背壓。
   ② 選取較優(yōu)的壓差控制點(diǎn)，既能提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，又有利于節(jié)能。當(dāng)壓差控制點(diǎn)在熱網(wǎng)中部略靠近熱源時(shí)，系統(tǒng)的能耗最低，穩(wěn)定性也比較好。
   ③ 系統(tǒng)的節(jié)能效果隨著熱網(wǎng)背壓的增大而減弱。無(wú)背壓時(shí)變頻調(diào)節(jié)節(jié)能效果最好；當(dāng)熱網(wǎng)背壓增大到一定程度，變頻調(diào)節(jié)能耗反而會(huì)大于節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的能耗，變得不節(jié)能。
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(本文作者：姚東文 邱林 北京建筑工程學(xué)院 北京 100044)