分布式变频泵供热系统节能影响因素

摘 要

摘要：对分布式变频泵供热系统的设计思路进行了探讨。分析了压差控制点、系统背压对分布式变频泵供热系统能耗的影响。关键词：分布式变频泵供热系统；压差控制点；系统背压；节能分析
摘要：对分布式变频泵供热系统的设计思路进行了探讨。分析了压差控制点、系统背压对分布式变频泵供热系统能耗的影响。
关键词：分布式变频泵供热系统；压差控制点；系统背压；节能分析
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
    随着变频技术在供热系统的应用，出现了分布式变频泵供热系统[1～4]。由于分布式变频泵供热系统的节能优势被广泛采用，特别是一些改造工程。但分布式变频泵供热系统不一定总是节能的，系统背压和压差控制点的位置是影响其节能效果的主要因素。过大的系统背压以及不适宜的压差控制点均不能使分布式变频泵供热系统发挥节能优势，甚至会变得不节能。本文对分布式变频泵供热系统节能影响因素进行探讨。
1 分布式变频泵供热系统
    分布式变频泵供热系统的控制由气候补偿器实现。气候补偿器是一种准确、及时的控制调节设备，它安装在锅炉房、热力站或换热机组上，能够使热源热功率随室外温度、回水温度的变化动态调节，实现节能降耗。当室外温度降低时，为了维持设定的室内温度，气候补偿器增大电动调节阀的相对开度，使进入换热器的蒸汽或热水流量增大，使用户的供水温度升高；当室外温度上升时，气候补偿器减小电动调节阀的相对开度，使进入换热器的蒸汽或热水流量减小，使用户的供水温度降低。
分布式变频泵供热系统的设计思路为：①进行管网系统设计，计算管网的阻力。②选择压差控制点，不同的压差控制点对应不同的设备造价和运行费用，应按技术经济分析结果进行选择。③选择主循环泵。主循环泵的选择考虑以下几方面：a.流量要求，应能提供管网的全部循环流量；b.扬程要求，应能克服热源到压差控制点间的阻力；c.考虑主循环泵随管网变化的应变能力，一般选取特性曲线较平坦的水泵。④分布式变频泵的选择，主要考虑满足该分支用户的阻力和流量，以及变频调节能力，一般选取特性曲线较陡的水泵。
2 节能因素分析
分布式变频泵供热系统较传统供热系统最大的优势在于更加节能。但这并不意味着分布式变频泵供热系统就一定节能，要综合考虑各种影响因素和各个分布式变频泵的能耗，由此确定分布式变频泵供热系统是否节能。决定分布式变频泵供热系统是否节能的主要因素有两个：压差控制点的选取、系统背压的作用[5]。
2.1 压差控制点
分布式变频泵供热系统的合理设计是实现其高效节能运行的前提，首要问题是分布式系统压差控制点的确定和主循环泵的选取。一般地，热网存在一个使能耗最低的压差控制点，也存在一个使热网稳定性最好的压差控制点，当这两个压差控制点在热网的同一位置时，管网的设计是最优的[6]。因此，选取适宜的压差控制点不仅能节能，还可以提高系统的稳定性。
以拥有5个用户的热网为例，总流量为134m3/h，用户1～5的流量分别为25、32、28、22、27m3/h，用户的资用压头均为10m。热网示意图见图1。设计方案为：方案1，以支路E-E′为压差控制点选取主循环泵，此时主循环泵可满足用户1、2、3的要求，支路上不设分布式变频泵，用户4、5支路上设分布式变频泵。方案2，以支路D-D′为压差控制点选取主循环泵，此时主循环泵可满足用户1、2的要求，支路上不设分布式变频泵，之路上不设分布式变频，用户3～5支路上设分布变频泵。方案3，以支路C-C′为压差控制点选取主循环泵，此时主循环泵可满足用户1的要求，支路上不设分布式变频泵，其他用户支路上均设分布式变频泵。方案4，以支路B-B′为压差控制点选取主循环泵，此时主循环泵可满足1用户的需求，支路上不设分布式变频泵，其他用户支路上均设分布式变频泵。
 
各方案电功率见表1。由表1可知，方案3的电功率最低，方案1的最高。当压差控制点取在热网的两端时，系统电功率都比较高，取在热网末端时最高；当压差控制点偏向热网中部时，系统电功率逐渐减小，取在管网中部略靠近热源时，系统总能耗最低。
表1各方案电功率
方案
方案1
方案2
方案3
方案4
电功率/kW
142.15
116.05
81.62
92.41
    当压差控制点靠近热源时，最靠近热源用户的水力稳定性得到了提高，但这种提高是以牺牲其他用户的水力稳定性为代价的，尤其是热网末端用户。当压差控制点偏向热网末端时，只利于压差控制点处用户的水力稳定性，对其他用户的水力稳定性均造成不良影响，在实际工程中不可取。当压差控制点选在热网中部时，整个热网的运行压力下降，进而使系统各处压力随流量变化较小，系统运行比较稳定。因此，压差控制点取在热网中部略靠近热源时，不仅使系统总能耗最低，而且还大大提高了系统的稳定性。
    此外，选取主循环泵和分布式变频泵时，满足要求的水泵类型很多。不同类型水泵的特性曲线不同，将影响整个热网的稳定性和调节效果。试验发现，选用特性曲线平坦的主循环泵和陡峭型的分布式变频泵对提高各回路的水力稳定性是最有利的，而且末端用户的水力稳定性也会得到较大提高。
2.2 系统背压
    按流体通过泵或风机的压头增量所起的作用可分为有背压系统、无背压系统。
   ① 有背压系统
   系统中流体通过泵或风机的压头增量，一部分用于克服管道阻力，一部分用于提升流体势能。此时管网特性曲线可由下式表达：
    hp=h+Sq2    (1)
式中hp——流体通过泵或风机的压头增量，m
    h——背压压头，m
    S——管网的阻力数，m·s2/m6
    q——管网流量，m3/s
   ② 无背压系统
   系统中流体通过泵或风机的压头增量全部用于克服管道阻力。此时管网特性曲线可由下式表达：
    hp=Sq2    (2)
    假设水泵的设计工况点为点4，对应转速n1、流量q1、扬程hA、功率PA、效率ηA。现需把流量调到q2，采用以下两种方法：采用节流调节，水泵的工况点变为点C，对应转速n1、流量q2、扬程hC、功率PC、效率ηC；采用变频调节，水泵的工况点变为点B，对应转速n2、流量q2、扬程hB、功率PB、效率ηB。管网、水泵特性曲线见图2，下面分析变频调节工况参数随背压的变化。
 
   ① 水泵扬程随背压的变化
工况点B的水泵扬程随背压变化的计算式为：
 
式中hB——工况点B的水泵扬程，m
    hA——工况点A的水泵扬程，m
    q2——工况点B的水泵流量，m3/h
    q1——工况点A的水泵流量，m3/h
    由式(3)可知，hB随背压的增大而增大。
    ② 水泵效率随背压的变化
    当背压为0时，点B0与点A是相似工况点；当存在背压时，点B与点D是相似工况点。当水泵流量由q1调至q2时，随着背压的增大(即管网特性曲线由⑦变为②)，工况点鼠向点日移动，其相似工况点A沿曲线①向点D运动。由于相似工况的效率相同，即ηB0=ηA、ηB=ηD，因此变频调节后点B的效率随背压的变化可由ηA到ηD的变化趋势反映，这存在以下两种情况：a.设计工况点4在效率曲线上的对应点A′落在效率曲线的最高点或其左侧，则点B的效率随背压的增大而单调减小；b.点A′落在效率曲线最高点的右侧，即效率曲线的下降段，则随背压的增大，点B的效率先略增大，然后逐渐下降。一般，设计工况点A应在高效率区，点B的效率随背压的增大而降低[7]。
   ③ 功率随背压的变化
点B水泵轴功率PB的计算式为：
 
式中PB——点B水泵的轴功率，W
    ρ——流体密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
    ηB——点B水泵的效率
    由于hB随背压的增大而增大，ηB随背压增大而降低，因此PB将随背压的增大而增大。
    ④ 变频调节节能率随背压的变化
点C、B水泵轴功率差的计算式为：
 
式中△P——点C、B水泵轴功率差，W
    PC——点C水泵轴功率，W
    hC——点C水泵扬程，m
    ηC——点C水泵的效率
    由于PB随背压的增大而增大，节流调节与背压无关，即PC与背压无关。因此，△P随背压的增大而减小，即变频调节的节能率随背压的增大而降低。
考虑到变频调速装置的效率，假设变频调速装置的效率为ηm，那么变频调节与节流调节相比，节能的条件为：
 
式中ηm——变频调速装置的效率
    但当背压增大到一定程度，可能出现不满足式(6)的情况，这时变频调节不但不节能，反而更耗能[8]。
    由以上分析可知，变频调节的节能率与背压之间的关系为：无背压系统，水泵的变频调节的节能效果最好；有背压系统，则随着背压的增大，水泵的变频调节的节能效果逐渐降低，当背压增大到一定程度，变频调节的能耗可能会大于节流调节的能耗。
3 结论
    ① 决定分布式变频泵供热系统是否节能的主要因素是压差控制点的选取和系统背压。
   ② 选取较优的压差控制点，既能提高系统的运行稳定性，又有利于节能。当压差控制点在热网中部略靠近热源时，系统的能耗最低，稳定性也比较好。
   ③ 系统的节能效果随着热网背压的增大而减弱。无背压时变频调节节能效果最好；当热网背压增大到一定程度，变频调节能耗反而会大于节流调节时的能耗，变得不节能。
参考文献：
[1] 秦冰，秦绪忠，谢励人，等.分布式变频泵供热系统的运行调节方式[J].煤气与热力，2007，27(2)：73-75.
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[3] 赵志刚.分布式二级循环泵供热系统的应用[J].煤气与热力，2008，28(10)：A19-A20.
[4] 李鹏，方修睦，张鹏.多级循环泵供热系统节能分析[J].煤气与热力，2008，28(10)：A15-A18.
[5] 时荣剑.动力分布式集中供热管网研究(硕士学位论文)[D].南京：南京理工大学，2007.
[6] 孙春艳.多热源环状管网水力工况的实验研究与仿真(硕士学位论文)[D].太原：太原理工大学，2005.
[7] 符永正，吴克启.背压对泵与风机变速调节节能效益的影响[J].暖通空调，2004，(3)：70-72.
[8] 刘卫民.中继泵在集中供热系统中的技术经济性研究(硕士学位论文)[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2002.
 
(本文作者：姚东文 邱林 北京建筑工程学院 北京 100044)