分布式變頻泵供熱系統(tǒng)節(jié)能影響因素

摘 要

摘要：對分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計思路進行了探討。分析了壓差控制點、系統(tǒng)背壓對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；系統(tǒng)背壓；節(jié)能分析
摘要：對分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的設(shè)計思路進行了探討。分析了壓差控制點、系統(tǒng)背壓對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；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)背壓和壓差控制點的位置是影響其節(jié)能效果的主要因素。過大的系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢，甚至?xí)兊貌还?jié)能。本文對分布式變頻泵供熱系統(tǒng)節(jié)能影響因素進行探討。
1 分布式變頻泵供熱系統(tǒng)
    分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的控制由氣候補償器實現(xiàn)。氣候補償器是一種準確、及時的控制調(diào)節(jié)設(shè)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(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能降耗。當(dāng)室外溫度降低時，為了維持設(shè)定的室內(nèi)溫度，氣候補償器增大電動調(diào)節(jié)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(dāng)室外溫度上升時，氣候補償器減小電動調(diào)節(jié)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(tǒng)的設(shè)計思路為：①進行管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，計算管網(wǎng)的阻力。②選擇壓差控制點，不同的壓差控制點對應(yīng)不同的設(shè)備造價和運行費用，應(yīng)按技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)果進行選擇。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.揚程要求，應(yīng)能克服熱源到壓差控制點間的阻力；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：壓差控制點的選取、系統(tǒng)背壓的作用[5]。
2.1 壓差控制點
分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的合理設(shè)計是實現(xiàn)其高效節(jié)能運行的前提，首要問題是分布式系統(tǒng)壓差控制點的確定和主循環(huán)泵的選取。一般地，熱網(wǎng)存在一個使能耗最低的壓差控制點，也存在一個使熱網(wǎng)穩(wěn)定性最好的壓差控制點，當(dāng)這兩個壓差控制點在熱網(wǎng)的同一位置時，管網(wǎng)的設(shè)計是最優(yōu)的[6]。因此，選取適宜的壓差控制點不僅能節(jié)能，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
以擁有5個用戶的熱網(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)示意圖見圖1。設(shè)計方案為：方案1，以支路E-E′為壓差控制點選取主循環(huán)泵，此時主循環(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′為壓差控制點選取主循環(huán)泵，此時主循環(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′為壓差控制點選取主循環(huán)泵，此時主循環(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′為壓差控制點選取主循環(huán)泵，此時主循環(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)壓差控制點取在熱網(wǎng)的兩端時，系統(tǒng)電功率都比較高，取在熱網(wǎng)末端時最高；當(dāng)壓差控制點偏向熱網(wǎng)中部時，系統(tǒng)電功率逐漸減小，取在管網(wǎng)中部略靠近熱源時，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)壓差控制點靠近熱源時，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)定性為代價的，尤其是熱網(wǎng)末端用戶。當(dāng)壓差控制點偏向熱網(wǎng)末端時，只利于壓差控制點處用戶的水力穩(wěn)定性，對其他用戶的水力穩(wěn)定性均造成不良影響，在實際工程中不可取。當(dāng)壓差控制點選在熱網(wǎng)中部時，整個熱網(wǎng)的運行壓力下降，進而使系統(tǒng)各處壓力隨流量變化較小，系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定。因此，壓差控制點取在熱網(wǎng)中部略靠近熱源時，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，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(wǎng)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)效果。試驗發(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)定性也會得到較大提高。
2.2 系統(tǒng)背壓
    按流體通過泵或風(fēng)機的壓頭增量所起的作用可分為有背壓系統(tǒng)、無背壓系統(tǒng)。
   ① 有背壓系統(tǒng)
   系統(tǒng)中流體通過泵或風(fēng)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(wǎng)特性曲線可由下式表達：
    hp=h+Sq2    (1)
式中hp——流體通過泵或風(fēng)機的壓頭增量，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 無背壓系統(tǒng)
   系統(tǒng)中流體通過泵或風(fēng)機的壓頭增量全部用于克服管道阻力。此時管網(wǎng)特性曲線可由下式表達：
    hp=Sq2    (2)
    假設(shè)水泵的設(shè)計工況點為點4，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、流量q1、揚程hA、功率PA、效率ηA。現(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)，水泵的工況點變?yōu)辄cC，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、流量q2、揚程hC、功率PC、效率ηC；采用變頻調(diào)節(jié)，水泵的工況點變?yōu)辄cB，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n2、流量q2、揚程hB、功率PB、效率ηB。管網(wǎng)、水泵特性曲線見圖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(dāng)背壓為0時，點B0與點A是相似工況點；當(dāng)存在背壓時，點B與點D是相似工況點。當(dāng)水泵流量由q1調(diào)至q2時，隨著背壓的增大(即管網(wǎng)特性曲線由⑦變?yōu)棰?，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(diào)節(jié)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(shè)計工況點4在效率曲線上的對應(yīng)點A′落在效率曲線的最高點或其左側(cè)，則點B的效率隨背壓的增大而單調(diào)減小；b.點A′落在效率曲線最高點的右側(cè)，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(shè)計工況點A應(yīng)在高效率區(qū)，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(diào)節(jié)節(jié)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(jié)流調(diào)節(jié)與背壓無關(guān)，即PC與背壓無關(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的選取和系統(tǒng)背壓。
   ② 選取較優(yōu)的壓差控制點，既能提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，又有利于節(jié)能。當(dāng)壓差控制點在熱網(wǎng)中部略靠近熱源時，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。無背壓時變頻調(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)能耗反而會大于節(jié)流調(diào)節(jié)時的能耗，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)