变频技术在热水供暖系统中的研究和应用.docx
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变频技术在热水供暖系统中的研究和应用
变频技术在热水供暖系统中的研究和使用
一、常规采暖系统循环水泵的选择和电耗
常规循环水泵的选择主要有两种方式，一种是推荐使用的按质量－流量优化调节的分阶段改变流量调节的方式配备泵组，对大型采暖系统，可按三个阶段设置泵组，其流量分别为100％、80％和60％，扬程为100％、64％和36%，这时对应的轴功率分别为100％、51％和22％；对小型采暖系统，可按两个阶段设置泵组，其流量分别按100％和75％，扬程为100％和51％，对应的轴功率分别为100％和42％，单以上过程分析中就可看出，分阶段改变流量的质调节，可减少采暖系统运行的电能消耗。
采暖系统循环水泵的另一种选择方式是按单独质调节的运行方式选择循环水泵，一般采用一用一备的配置方式，也有选用三台以上同种型号水泵并联组成泵组的做法。
选泵的原则是泵的流量不能小于外网的所需流量，一般按照外网的理论流量的1.1～1.2倍，扬程按管路及用户总阻力的1.05～1.10倍进行选择。
这时对应的轴功率已大于100％。
可见按定流量的运行方式，水泵运行电耗是很大的，但带来的调节效果却不十分理想。
现在，这样的系统还有很多。
由于我国北方地区冬季采暖期较长，因此总的电力消耗是十分可观的。
二、采暖系统常用的定压方式和电耗
对于中、小采暖系统，一般会选择高位水箱定压，这时的补给水泵只起补水作用，或选用补给水泵间歇运行定压方式，这时水泵一般只是间歇运行，电量消耗不大。
但如果采用补给水泵连续运行定压时，循环水泵常年连续运行，其能量消耗就大很多。
三、变频技术的使用
《民用建筑节能设计标准》规定，供热系统中循环水泵的电功耗一般应控制在单位建筑面积0.35～0.45W/m2的范围内，实际上约为0.5～0.6W/m2，甚至高达0.6～0.9W/m2。
利用变频技术，结合质量—流量优化调节方式，可使电能消耗降低到合理的范围。
首先我们对循环水泵进行性能分析：
水泵的轴功率是和水泵流量和扬程的乘积成正比。
因此，水泵的流量、扬程和轴功率均和水泵的叶轮转速之间存在着一定的比例关系。
亦即
由图1也可以看出三者之间的关系。
图1 水泵的流量、扬程，轴功率之间的关系
由此可以看出，水泵的扬程和流量的平方成正比：
水泵的轴功率和流量的立方成正比。
当水泵的流量降低20％的时候，电机的转速就降低20％，水泵的电耗将降低50％：
当水泵的流量降低50％的时候，电机的转速就降低50％，水泵的电耗降低87.5％。
因此，在保证系统规定流量的前提下，有效地降低水泵的流量，节约电能效果显著。
然后，我们依据水泵厂提供的ISB200／150400-50A型水泵在标准转速1450rpm下的特性曲线图，根据水泵流量、扬程、轴功率和转速之间的关系，分别绘制了ISB200／150-400-50A型水泵在转速为1450rpm、850rpm和550rpm下的流量-扬程曲线和流量-功率曲线，见图2、图3。
图2反映了一台ISB200／150-400-50A型水泵在4种不同转速下的流量、扬程曲线图：
图3反映单台ISB200／150-400-50A型水泵在相应转速下的流量-功率曲线图。
图2 ISB200／150-400-50A型水泵 图3单台ISB200／150-400-50A型水泵
在4种不同转速下的流量在相应转速下的流量-功率曲线图。
从上面的图形分析可以看出，转速的变化对流量、扬程、轴功率的影响是比较大的，而变频技术，正是将水泵转速纳入了调节范围，通过对水泵转速的调节，使流量、扬程同时变化，从而达到质量—流量优化运行的目的。
对于原设计为单纯质调节的采暖系统，尤为适用。
就目前而言，热水供暖系统的变流量调节措施主要采用电动执行器带动阀门，通过调节阀门开度来改变系统循环水量的阀门调节法和对系统的循环水泵加装变频器。
通过频率的变化近而改变水泵转速来改变系统循环水量的变频调速法。
四、使用实例的研究
例1：
以北京某小区热水供暖系统一次网为例，对该系统一次网进行质调节、阀门调节法的变流量调节和变频调速法的变流量调节三种调节方法的能耗分析研究。
该小区的一期供暖面积为29.8×104㎡，二期增加供暖面积为6×104㎡。
采用大型间供式锅炉房供热，一次水温度120℃/70℃，二次水温度95℃/70℃，一次水系统采用氮气定压，二次水系统采用补给水泵连续运行定压。
该热源安装了热源监测系统。
供暖系统一次网采用了三台ISB200／150-400-50A型水泵，其中一台作为备用。
根据系统一次网的设计流量，采用一台水泵即可满足系统的正常使用要求。
热水供暖系统一次网为了实现在室外温度变化的情况下，循环水泵保持最佳流量工况下运行的目标，系统一次网的循环流量应随着系统热负荷的变化而变化。
根据98～99、99～00采暖季室外天气变化的实际情况，对该小区热水供暖系统的热负荷的分布情况进行了统计，二个采暖季的热负荷的分布情况基本相同。
该小区热水供暖系统一次网采用“质量-流量优化调节”方法进行运行调节，对应不同的热负荷，系统的循环水量在整个采暖期所占时间的分布情况参见表1。
系统一次网循环水泵采用阀门调节法和变频调速法的轴功率耗电分析表1
循环水量t/h
分布情况
采暖季阀门调节
采暖季变频调速
占有比例％
运行时间h
轴功率kw
耗电量kwh
轴功率kw
耗电量kwh
150
26
700
35
24,500
2.6
1,820
200
14
360
40
14,400
8.0
2.880
250
18
480
46.6
22,368
9.0
4,320
300
26
700
52.5
36,750
26.2
18,340
350
13
360
58.0
20,880
29.6
10,656
400
3
80
62.8
5,024
62.8
5,024
∑
100
2680
123,922
43,040
从表1可以看出，该系统的一次网在流量为150t/h和300t/h的工况下运行的时间较多，大约各占700个小时：
而在流量为100t/h和400t/h的工况下运行的时间很少，大约各占80小时。
由此可见，系统大部分时间都是在部分负荷状态下运行.。
利用“质量-流量优化调节”方法，使用水泵变频调速来实现供暖系统连续改变流量的优化调节目，将可以保证系统在部分负荷状态下优化运行。
表1给出了该热水供暖系统一次网在不同的循环水量状态下运行时，循环水泵采用阀门调节方法和变频调速方法的轴功率耗电分析。
表中“阀门调节”和“变频调速”两项的数据根据图2分析获得。
采用阀门调节法，不同的循环水量对应的轴功率应在标准转速为1450rpm。
对应的曲线上分别求得：
采用变颁调速法，不同的循环水量对应的轴功率应在满足高效运行的前提下，在转速为1450rpm、1150rpm、850rpm和550rpm对应的曲线上分别求得。
该小区热水供暖系统一次网如果采用质调节方式，系统的循环水量为G=400m3／h，由表l可知，
当G=400m3／h时，水泵的轴功率为P=62.8Kw；98～99、99～00采暖季的年平均运行小时数为Hours=2680h，则系统的运行电耗为W=P×Hours=62.8×2680；168,304kWh。
如果电价以0.80元/kWh计算，98～99、99～00采暖季对应不同的调节方法，系统一次网循环水泵的运行费用分别为：
采用单纯质调节方法，一次网循环水泵的运行费用为F=168,304×0.8=13.5万元人民币。
采用阀门调节法，一次网循环水泵的运行费用为F=123,922×0.8=9.9万元人民币。
采用变频调速法，一次网循环水泵的运行费用为F=43,040×0.8=3.4万元人民币。
由上面分析可以看出，对于该小区热水供暖系统，一次网循环水泵采用变频调速法进行运行调节，在一个采暖季内节省电能125,264kWh，节省运行费用10万元人民币，比阀门调节法在一个采暖季内节省电能80,882kWh，节省运行费用6.5万元人民币。
该工程于99年夏季进行了改造，并在99～00冬季进行了采暖运行，其运行结果和上述计算结果基本相同。
由于改造的同时将定压补给水泵也增加了变频装置，使得定压水泵的耗电量下降了约40％（甲方提供的数字）。
循环水泵加装二套变频设备费用约为135,000元人民币（也可只加装一套，67,500元人民币），一年可省运行费用10万元人民币，第二个采暖季即可收回投资。
例2：
以北京另一小区热水供暖系统二次网为例，对该系统二次网进行质调节和变频调速法的变流量调节二种调节方法的能耗分析。
该小区的一期供暖面积为20×104㎡，小区热交换站供热，二次水温度80℃/60℃，二次水系统采用高位水箱定压。
该热源有一套较完整的仪表设备，但该小区存在水力失调现象。
供暖系统二次网采用了四台ISB200／150-400-50A型水泵，其中一台作为备用。
原设计图纸上写明系统调节为质调节。
根据系统二次网的设计流量，采用二台水泵运行可满足系统的正常使用要求。
在实际运行时，操作人员根据室外温度，人工控制一次水的回水温度，并自行决定开启二次循环泵的台数。
有关对比运行的参数见表2。
某小区二次网循环水泵运行情况和轴功率耗电分析表2
循环水量t/h
流量分布情况
00年变频调速运行
99年人工运行
占有比例％
运行时间h
轴功率kw
耗电量kwh
开启泵台数
及轴功率kw
耗电量kwh
300
7
187
44.3
8,284
1台泵75KW
14,025
350
8
214
52.8
11,299
1台泵75KW
16,050
400
12
322
69.0
22,218
2台泵150KW
28,500
450
20
480
80.2
32,080
2台泵150KW
72,000
500
25
536
97.9
52,474
2台泵150KW
80,400
600
10
360
119.1
42,876
3台泵225KW
81,000
700
8
214
131.4
28,120
3台泵225KW
48,150
800
7
187
149.1
27,881
3台泵225KW
42,075
∑
100
2680
158352
382200
表中，人工运行的耗电量按运行水泵台数的电机功率计算，变频运行按二台水泵并联运行曲线分析得来，部分数据和运行时仪表柜上仪表所显示流量、电流等参数抽查核对。
该小区热水供暖系统二次网如果采用人工质调节方式，系统的循环水量为G=800m3／h，由表2可知，当G=800m3／h时，水泵的轴功率为P=149.1Kw；98～99、99～00采暖季的年按运行小时数为Hours=2680h，则系统的运行电耗为382，200kWh，总电价为F=382,280×0.8＝305,760元，如果采用采用变频调速法，系统的运行电耗为158,352kWh，总电价为F=158,352×0.8＝126,681元，二者相差179,079元。
变频器费用约为900×150=135,000元，运行当年即可收回投资。
五、结论
随着科学技术的发展，变频技术越来越成熟，价格也会越来越低，变频器的选型应以水泵的配电功率为依据，现在市场上变频器的价格大约在900元／kW左右，配备75kW的变频器，投资大约为T=75×900=67500元人民币，按150kW配备变频设备的投资大约为T=150×900=135000元人民币。
从上面关于循环水泵运行费用的比较看；变频设备的投资回收期有的已不足一年，在当年或第二个采暖季便可收回投资。
对于目前众多的单纯
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