（土木工程专业论文）工厂区域供冷变流量系统的经济运行研究.pdf

同济大学申请硕士学位论文 中文摘要 摘要 水系统变流量运行可以降低空调系统的能耗，变流量控制技术在我国还不 够成熟，主要还停留在吸收国外研究成果的基础上，实际应用不是很普遍，在 设计和运行中也出现了较多问题，需要进一步的研究。本论文以上海某汽车有 限公司南、北两个厂区的变流量空调水系统为实例，研究变流量系统运行过程 的特性，针对工厂区域供冷变流量系统的经济运行进行深入的探讨。 本论文从五个方面紧紧围绕变流量系统的节能运行进行分析、计算。第一 部分，变流量系统的节能分析：第二部分，一次泵和二次泵变流量系统的能耗 比较；第三部分，变流量系统的控隹研究；第四部分，变流量系统中不同型号 水泵并联运行的研究；第五部分，变流量系统全面水力平衡的研究。 关键词： 变流量系统节能变流量系统控制水泵并联水力平衡 旦堕查兰皇堕堕主兰竺堡兰 蔓兰塑! l a b s t r a c t 、r 7c a nr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，b u tt h e c o n t r o lt e c h n o l o g yo fv 、 n 7s y s t e mi si m p e r f e c ti nc h i n ab e c a u s ei ti sb a s e do nt h e r e s e a r c ho ff o r e i g nc o u r t t r i e st h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fv n ，i sn o tu n i v e r s a li n c h i n ap r e s e n t l y , m e a n w h i l et h e r ea r em a n yp r o b l e m si nt h ed e s i g na n dt h ea c t u a l o p e r a t i o n s oi tn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e 、，、，s y s t e mo f s o u t h e r na n dn o r t h e r nr e g i o no fam o t o rf a c t o r yi ns h a n 曲a i ，s t u d i e st h ec h a r a c t e ro f d h cv w vs y s t e ma n dm a k e ss o m es u g g e s t i o n sa b o u tt h ee c o n o m i co p e r a t i o no ft h e v r 、7s y s t e m t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ff i v es e c t i o n s f i r s t l y , a n a l y s e st h ee n e r g y 。s a v i n go f v w vs y s t e ms e c o n d l y , c o m p a r e st h ee n e r g yc o n s u m p t m nb e t w e e np r i m a r ya n d s e c o n d a r yp u m p 、，、孙s y s t e m t h i r d l y , s t u d i e st h ec o n t r o lt e c h n o l o g y o f 、，、) l ，v s y s t e mf o u r t h l y , d i s c u s s e st h eo p e r a t i o no fd i f i e r e n tp a r a l l e lp u m pi n 、，、 ，、7s y s t e m f i f t h l y m a k e sr e s e a r c ho i lt h eh v d r a u l i cb a l a l i c eo f 、n 、，s y s t e m k e y w o r d s ：v w vs y s t e m e n e r g y s a v i n g c o n t r o lo fv w vs y s t e m p a r a l l e l p u m p s h y d r a u l i cb a l a n c e 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文= = 工 匡越垡猃变速量丕筮的经渣运 复盟塞：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：影t 暑茜 一年3 , q 7 o e t 同济大学申请硕士学位论文 第一童绪论 11 区域供冷变流量系统 第一章绪论 我国是一个能源储量不足的周家。储量最多的煤炭，也排在美国、俄罗斯 之后，位居世界第三位；石油、天然气的人均储量分别只占世界平均值的1 1 和4 。我国又是个能源消耗大国。一次能源消耗总量占世界第二位。我国更 是一个单位g d p 相对高能耗的国家。工业和交通部门的能源需求占终端消费总 量的6 9 左右，我国以单位g d p 计算的能源消耗为世界平均值的3 3 倍，美国 的3 5 倍，德国的5 6 倍，日本的7 2 倍。建设资源节约型社会已成为我国的 一项基本国策，调整产业结构，限制发展高能耗产业；提高能源利用效率：大 力发展可再生能源是我国能源政策的重点。我国建筑能耗约占总能耗的2 0 左 右，随着人民生活水平的普遍提高，这个比例还会提高。和我国的其他行业一 样，建筑行业的节能潜力也是很大的。暖通空调系统的能耗约占公共建筑中能 耗的4 0 - - 6 0 ，而其中空调水系统的年运行能耗约占大型公共建筑中空涮系 统能耗的2 0 - 3 0 。鉴于空调负荷的需求随时都在变化，采用变流最调节是 种行之有效的空调水系统节能措施。最近5 年来，我国关于空浏变水量的研 究明显增加，无论在理论上还是在技术上，都取得了不少成果。对空调水系统 的认识也有丁很大提高。变流量系统良好的节能效果，使其在将来必定有更加 广泛的应用前景。 11 1 变流量系统简介 大型建筑、高层建筑的大量涌现，大大促进了建筑技术，其中包括空调技 术的发展。这类大型建筑物或建筑群的空调特点就是负荷很大，为空调服务的 冷热源设备及输送水泵容量也很大。但由于空调系统的选型是根据设计负荷工 况进行的，冷冻机经常在部分负荷下运行，存在“大流量小温差”现象，造成水 泵能耗浪费。因此，有必要采取变流量系统设计，以节约部分负荷下水泵的耗 能。变流量系统是在末端设备处( 如风帆盘管、组合式空调箱等空气处理器) 设 电动一通阀，阀门的开启度由室内温度控制，对通过盘管的水流量进行调节， 电动二通阀，阀门的丌启度由室内温度控制，埘通过盘管的水流量进行调节， 同济大学申请硕士学位论文 第一章绪论 从而保证室内温度在允许范围内波动，通过加设水泵变频器进行调速来实现输 送系统水流量的变化，从而达到系统变流量的目的。 集中式的冷水系统能耗相当大，从节能和可行性两个方面综合考虑，人们 对占空调能耗比例较大的输送系统进行改进。据文献 1 ，大型公共建筑供暖 空调电力消耗中，很大一部分由输送和分配冷量热量的风机、水泵所消耗。这 是导致此类建筑能源消耗过高的主要原因之一。目前建筑系统中风机水泵的电 力消耗( 包括集中供热系统水泵电耗) 占我国城镇建筑运行电耗的1 0 以上，而这 部分电耗有可能降低6 0 7 0 ，因此也应是建筑节能的重点。目前承担输配任 务的风机、水泵能耗过高的主要原因有： a ) 绝大多数风机、水泵的实测运行效率仅为3 0 5 0 ，而这些风机、水泵 的最高效率都能达到7 0 8 5 。 b ) 为了实现热量冷量的分配，依赖于大量的风阀水阀来实现调节。这些风 阀水阀造成的压降一般都占风机、水泵总扬程的一半以上。这就表明5 0 以上的 风机水泵电能消耗在风阀水阀上，而不是用来克服管道阻力。 c ) 大多数工况下建筑内输送热量冷量的循环水泵的供回水温差小于设计 的5 。c 温差，有时甚至仅为1 2 。c 。如果实行变水量，使温差在4 。c 以上，可使 循环水量减少一半，水泵电耗至少可减少一半。 对已有建筑中的系统，主要是提高风机、水泵效率和变流量运行，解决运 行效率过低的问题。需要研究和现场检测，再根据检测结果进行改造或更换风 机水泵，增加变频器，再配合有效的控制调节，可使现有系统中输配能耗降低 5 0 以上。 通过本人对某大型机械制造厂的二次泵变流量空调系统深入调查，得到该 系统水泵能耗比率( 见图1 1 ) 。该系统总供冷量5 1 m w ，由图1 1 可以看出该空 调系统中各设备的能耗比例。该系统中能耗比率最大的是制冷机组，占6 5 。 对于主机的节能运行，主要是对进、出水温度的设定值控制和根据负荷情况及 时控制机组运行台数的方法，这种方法在实际工程中较为普遍的应用，并且这 方面的控制技术也相对比较成熟。所有水泵能耗占整个空调系统能耗的2 6 ， 其中二级泵能耗较大，占1 4 ，一级泵占3 ，冷却水泵占9 。空调箱风机能 耗占总能耗的9 ，可见水泵和风机是系统中能耗比较大的另两种设备，而且这 两种设备的节能运行相对更容易实现。现在采用的主要方法是通过加设变频器 实现变水量控制( w v ) 和变风量控制( v a v ) ，降低水泵和风机的运行能耗。从 同济大学申请硕士学位论文第一章绪论 节能观点出发，变流量冷水系统是优于定流量系统的。全年运行的空调系统最 大负荷出现的小时数一般不超过总运行小时数的1 0 ，而空调系统大部分时间 在5 0 7 0 的部分负荷下工作“1 ，这就使变流量系统有了很大的节能空间。 耗能比率( ) 图1 1 某大型工厂空调系统中各设备的耗能比 本论文将主要从以下几个方面紧紧围绕变流量系统的节能运行进行详细的 分析、计算和研究：1 、变流量系统中的变频水泵节能分析。2 、一次泵和二次 泵变流量系统的比较。3 、变流量系统的控制方法研究。4 、不同型号水泵并联 变频控制的优化研究。5 、变流量系统存在的主要问题。 变流量系统根据末端负荷的变化通过改变供水泵频率从而改变冷水系统的 水流量，使之满足负荷的要求，最终在满足负荷要求的前提下达到节能效果。 由图1 2 看出，水泵的性能曲线与管网特性曲线的关系，s 。，s ：是管网的性能曲 线，取决于管网的特性( 水路中的管道、连接件、阀门及组合空调箱的阻力特 性) ，随阀门开启度的变化而变化。i ，i i 为水泵的流量和扬程之间关系特性曲 线，水泵的转速改变，其特性曲线也随着发生变化。 同济太学申请硕士学位论文 第一章绪论 压力p p3 p ， p 。 图1 2 水泵系统曲线 在设计工况下，系统在设计压力和设计流量下运行，运行点就是水泵特性 衄线与管网特性曲线的交点1 。当空调系统在部分负荷下运行时，电动二通阀关 小或末端某个空调箱停机，末端水量由q l 变至龟，系统阻力将增加，引起管网 特性曲线的变化，由s 。变化至s 。，如果此时水泵恒速工作，要保证水泵流量变 为如，就必须关小泵后阀门，使系统阻力从p 。增至p 3 ，水泵将在3 点工作。此 时系统的流量减少，要求的是较小的压力，水泵压力不仅没有降低，反而升高 了，只有靠关小阀门增加阻力来保证流量。这样水泵工作点脱离高效区，造成 能源的浪费和运行维护费用的升高，是不合理的。 在水泵系统增加变频调速器后，可使水泵系统从恒速状态转变为变速变量 状态，从而节省能源并增强了控制能力，避免了控制阀压力过大的现象。对于 三相异步电动机，存在关系式： 式中n 一电动机同步转速f 一交流电频率p 一电动机极对数 即水泵转速与电流频率成正比。当末端空调箱的二通阀关小或停机时，末 端的流量减至如，管网特性曲线变为s 。，水泵变频后特性曲线由i 变至i i ，水 泵流量由q i 变至包，扬程变为p 2 ，此时的工作点为图1 2 中的2 点，不需要关 小阀门来增加系统阻力，从而降低了能耗。 1 1 2 国外发展状况 堕， l | 聍 同济大学申请硕士学位论文 第一章绪论 冷水系统的变流量运行已经在国外发展了四、五十年，早在上世纪七十年 代美国的一些暖通工程师提出了多种冷水系统变流量运行方案。 在变频技术和数字控制技术出现之前，通常不考虑负荷的变化，冷冻水泵 只有一组，以固定的流量输运冷冻水到环路中( 如图1 3 ( a ) ) 。这种运行方式 经常导致冷冻水系统的供回水大流量低温差运行，造成了能量的浪费。 五、六十年代，变流量系统是通过装在末端装置的三通调节阀改变通过空 调箱或盘管的水量，多余水量通过旁通管回到主机( 图1 3 ( b ) ) ，通过主机的 水量不变。末端流量根据负荷变化，并不能节约水泵的耗能。 六、七十年代，能源危机使人们对于节省能源有了更深刻的认识，变流量 技术开始受到广泛的关注和重视，开始应用到空调的冷水系统中。计算机技术 的发展使水泵变频运行更容易实现，末端装置也用二通调节阀取代了三通调节 阀来改变流过盘管的水流量。但此时人们仍局限于通过制冷机水流量不变的设 计，把冷冻水系统分为冷冻水制备和冷冻水输送两部分，系统分为两个循环， 一次循环为冷量南4 备，流量恒定，二次循环进行冷量输送，根据末端负荷要求 改变二次循环水流量，达到了降低水泵能耗的效果( 如图1 3 ( c ) ) ，这就是现 在的二次泵变流量系统。有些系统将所有二级泵并联后进行变频控制，这样每 台二级泵的扬程都必须大于额定工况下最不利环路的阻力，近端或阻力较小用 户只能靠增加阻力( 选小管径或关小阀门) 使系统阻力平衡，造成不必要的能 源浪费。经过摸索和实践发现，如果对各用户的二级供水泵分开进行配置( 如 图1 3 ( c ) ) ，将更有利于初投资的减少和节能运行。比如离冷冻站较近的用户 在满足流量的前提下配置扬程较小的二级泵，其功率也随之降低，而较远用户 配置扬程大的水泵。这样使资源的配置更加优化和合理，同时也降低初投资和 运行费用。 到了八十年代，由于变频器价格的降低，使得水泵控制系统的投资减少。 对于变流量系统的研究也越来越多，设计的方法也不断地更新和完善，工程实 例也越来越多。 从九十年代开始，随着计算机及电子技术的高速发展，变流量技术也得到 更大的发展。水泵、变频驱动器、控制器等设备性能的提高满足了冷水系统控 制的要求。d d c 控制技术的出现结束了机械控制的时代，提高了水泵系统运行的 效率。这个时期，开始使用计算机进行水系统的优化设计，同时也为水系统的 分析提供了新的工具。国外专家出提出了节能潜力更大的一次泵变流量系统， 同济大学申请硕士学位论文第一章绪论 该系统不设二级泵( 如图1 3 ( d ) ) ，对运行水泵直接变频，就是现在的一次泵 变流量系统。一次泵变流量系统因其众多的优势，从一开始就受到多方面的关 注和研究，虽然现在的实际应用并不广泛，并且在控制技术等方面还存在诸多 争议，但因其良好的节能效果今后必将得到广泛的应用。随着变流量技术的成 熟，国外甚至将变流量技术的应用作为标准，对较大型的空调系统，必须要有 一定的变流量运行能力。 r 吨卜匝i 吨卜匝匝h ( a ) 点蔫 ( b ) 圈1 3 典型的定流量和变流量水系统 1 1 3 国内区域供冷变流量系统的应用及问题 ( d ) 在我国水泵变频控制技术实际应用还不是很普及，有关变流量系统的文章 己经大量的出现，人们在理论上己经接受了它的节能效果。但是对于这方面的 研究基本上还是停留在消化和吸收国外的技术和经验上，尚处于起步阶段。工 程中水泵变频应用还是较少，仅占1 0 左右“1 。尤其对一次泵进行变频的应用 磊 一一一一一ii1一 衲丑 同济大学申请硕士学位论文第一章绪论 实例更加少见。二次泵变频控制技术用于空调冷水泵在国外已成功运行几十年 ，在我国也有多个成功运行的例子。二次泵变频系统比较适合系统大、空调 负荷变化大、能源中心与空调需求建筑相对位置较远的情况。正因空调水系统 的变流量控制在我国应用并不广泛，技术还不够成熟，所以我国一些变流量系 统实际运行时出现了诸多问题，如何较好的解决这些问题，是推动我国变流量 控制技术发展的直接动力，这需要设计、施工、运行三方面的工程师密切的交 流和合作。根据实际测试和阅读相关资料，总结出了以下几个突出的问题： ( 1 ) 虽然采用变频控制技术，但输配系统的动力消耗仍较大，没有充分发挥 变频水泵的节能潜力，控制技术上的不合理，造成系统的调节性与节能性达不 到预期的效果，系统的自动调节控制能力不是很高，没有对整个水系统进行全 面的考虑，空调系统缺乏统一的协调。造成这一结果主要有以下几个原因：a ) 设计人员对变流量控制技术的理解、掌握不够透彻，造成在控制点、控制参数、 控制方法设计上的不合理。b ) 施工过程中，施工单位由于某些原因对系统的原 设计进行修改，从而改变了系统设计初衷。c ) 系统的运行维护人员对系统的不 了解和对系统控隹n 认识的模糊，没有经过正式专门的培训而对系统进行错误的 控制。 ( 2 ) 由于各种平衡阀门的价格昂贵，实际采用的较少。对管网阻力平衡初调 节不够重视，即使做了也不够细致、准确，导致管网或多或少的存在水力失衡 的情况，造成了能源的浪费和区域的冷热不均。 ( 3 ) 由于我国变流量系统的设计和实际工程经验缺乏，可借鉴成果较少，设 计不合理造成系统不能正常运行，例如变流量系统中旁通管的是否合理设置会 对系统运行造成直接影响，而不能是随意的设计。 ( 4 ) 水泵性能曲线和管网性能曲线实际运行中是随负荷变化的，且不同水泵 和系统都不相同。由于对多台水泵并联变频运行认识不够，在并联运行台数和 控制方法上不够合理。 1 2 课题的研究内容和目的 空调冷水系统的变流量控制技术在我国还不够成熟，虽然从理论上引入了 国外的诸多成果，并且国内专家也进行了各方面的深入研究，但由于实际应用 还不是很普遍，在设计和运行中出现了较多问题，还需要进一步的研究。本论 同济大学申请硕士学位论文 第一章绪论 文以上海某汽车制造有限公司南、北两个厂区的变流量空调系统为实例，研究 变流量系统运行过程的特性及控制，针对i f - e 域供冷变流量系统的经济运行 进行深入的探讨。 1 2 1 课题研究的内容 a 分析研究变流量系统的节能机理 b 结合实例对一次泵和二次泵变流量系统进行比较 c 研究和比较变流量系统的多种控制方法 d 结合实际和理论提出变流量系统控制方法的改进 e 研究变频水泵并联时的多种搭配方式，并提出最佳方案 f 分析和讨论变流量系统的全面水力平衡问题 1 2 2 课题研究的目的和意义 本课题围绕大型区域供冷系统的节能运行，以上海某大型汽车工厂中央空 调为实例，结合国内外对变流量系统的研究成果，指出了变流量系统节能分析 时存在的误区，并在吸收国外经验的基础上，提出系统的优化设计和经济运行 时应该注意的问题，在已有的研究基础上对变流量系统设计和运行作进一步的 节能研究。 同济大学申请硕士学位论文 第二章变流量系统的节能分析 第二章变流量系统的节能分析 2 1 概述 对于水泵功率与转速的关系，人们认识还是不够清晰，能耗分析时常常存 在两个误区： 1 、在谈到变频控制时，总是认为水泵功率与流量成三次方关系。当流量变为设 计工况时的一半时，认为功率就变为原来的0 1 2 5 。而常常忽略了这一关系存在 的前提条件，就是两个运行工况必须是水泵的相似工况，在实际的运行中，并 不是所有的运行工况点都是水泵的相似点，需要视不同情况而定，而不能认为 三次方关系任何情况都成立。 2 、忽略了台数控制，比如四台水泵并联运行，部分负荷时，四台水泵都变频控 制，使流量变为原来的一半，那么四台水泵的功耗变为原来的0 1 2 5 ，这样分析 也是不合理的，因为当末端要求流量为设计流量的一半时，四台泵只开其中两 台就完全可以满足流量要求，此时水泵并未变频，水泵工频工作就可满足系统 要求，而不能认为所有变流量运行时，都根据水泵变频原理进行计算，忽略了 水泵的台数控制，这是不合理的。 后面将变流量过程中两种不同管网特性曲线变化的情况进行水泵的能耗分 析。不论一次泵变流量还是二次泵变流量系统，水泵的工作点都是管网特性曲 线与多台并联变频水泵的性能曲线交点( 如图2 1 ) 。 0 ： 流量0 同济大学申请硕士学位论文第二章变流量系统的节能分析 图2 1 并联变频水泵工作点 由图2 1 看出，水泵的性能曲线与管网特性曲线的关系，水泵的扬程必须 克服管网系统阻力。s ，s 。，s 。是管网的性能曲线，取决于管网的特性( 水路中 的管道、连接件、阀门及末端设备的阻力特性，一次泵变流量系统还包括冷机的 阻力特性) ，随阀门开启度的变化而变化，s 。是设计工况下的管网特性曲线，此 时管网的阻力系数最小。i ，i i ，i i i 为不同转速下水泵的流量和扬程之间的关系 特性曲线。 流体在管路系统中的流动特性可以表达如下“1 ： 日：业+ h ，+ ：h ，+ s q ； ( 2 1 ) e ：幽+ h ， ( 2 2 ) ， - h 1 = 。跑2 ( 2 3 ) 式中： h 流体在管路中流动时消耗的能量( p a ) p 厂高压流体面压强( p a ) p ，低压流体面压强( p a ) ，流体的密度( k g m 3 )h ，流动阻力( p a ) s 管网阻力系数( s 3 m 5 ) o 一流体流量( k g s ) h z _ 兢体面间的高差形成的势能( 1 0 4 p a ) 空调水系统一般都为闭式系统，对于闭式水系统的整个管网阻力存在如下 关系： a h = 阳2 ( 2 4 ) 式中s 为管网的综合阻力特性系数，是许多复杂变量的函数： s = f ( 九，p ，1 ，d ) ( 2 5 ) 式中：1 管道长度( m ) ：d 管径( m ) ：a 沿程阻力系数；e 局部阻力系数：p _ 水的密度( k g m 3 ) 对于某个管网系统，管长1 和管径d 是固定的。冷水的供、回水温一般为7 和1 2 。c ，在这个温度范围内，水的密度变化可以忽略不计。而九和l 又是两个 同济大学申请硕士学位论文第二章变流量系统的节能分析 因变量“： e = f ( r e ，局部构件的形状，相对粗糙度a d ) 一般认为，在运行过程中水流处于阻力平方区，故 不随r e 变化。又因局 部阻碍范围很短，相对粗糙的影响甚小，一般忽略不计，所以局部构件的形状 是l 的决定性因素。故对既定的某个系统， 也是固定的。 九= f ( r e ，a d ) 在阻力平方区，九只与粗糙度a d 有关，与r e 无关。 通过以上分析，对于某系统的管网而言，只要阀门开启度不发生变化，管 网的综合阻力特性系数s 就可以认为是常量。 2 2 管网特性曲线不发生变化时的节能分析 在设计工况下，系统在设计压力和设计流量下运行，运行点就是图2 1 中 水泵特性曲线与管网特性曲线的交点1 。当水系统的电动二通阀关小或末端某个 空调箱停机，末端水量由q 。变至q 2 ，系统阻力将增加，引起管网特性曲线的变 化，由s ，变化至s 。，如果此时水泵恒速工作，要保证水泵流量变为q 2 ，就必须 关小泵后阀门，使系统阻力从h 2 增至h 。，水泵在3 点工作，只有靠关小阀门增 加阻力来保证流量。采用变频技术后，当空调系统在部分负荷下运行时，理想 的运行调节是根据当时的负荷率得出需要的供水量，然后对水泵变频调节，使 水泵的特性曲线由图2 1 中的i 变为i i ，值得注意的是此时是根据冷负荷的要 求对水泵进行调节( 即系统运行稳定后各阀门为全开状态) ，使水流量降到。2 ， 管网阻力特性曲线仍为s ，。系统工作点将沿着管网特性曲线s 。变化，为图2 1 中的2 点。而不是先通过水系统中的阀门开度进行流量调节，然后根据末端压 力，变化水泵的变频器作出变速反应，那样管网特性曲线也将发生变化。这时 变流量系统比定流量系统节省的能量为”1 ： a p = b 一只= y 3 q 2 叩3 l r 3 2 r 3 3 一硝彳2 q 2 ，7 2 l 玎篮玎2 3 ( 2 6 ) = y q 。0 了，一h ：) + y q ：h ，【1 白。r 。印。) 一1 1 一h ：【1 ，幻：。r ：野：，) 一l 】) 式中：只、只2 点和3 点水泵电机输入功率，w y 流体的密度，k g m 3 同济大学申请硕士学位论文 第二章变流量系统的节能分析 q ：工况2 点水泵的流量，m 3 s 日：，日，工况2 、3 点的水泵扬程，i n 叮：。，叩：，r h 3 分别为工况2 点的水泵效率、水泵与电机的传动效率、电 机效率 仉，叩。，r 3 3 分别为工况8 点的水泵效率、水泵与电机的传动效率、电 机效率 由上式可以看出水泵变频调速节省的能量由两部分组成：第一部分为阀门 节流调节比变频调节多损失的功率；第二部分为两种调节工况下水泵电机装嚣 损失功率的差值。 水泵能耗最终反映在水泵的实际运行功率上，那么，水泵在1 ，2 不同两点 功率是怎样的关系? 根据水泵功率p = v x h x q ，h 为水泵扬程，q 为水泵的流量， v 为流体的密度。在某一具体工作点，水泵的扬程与管网阻力是相等的，管网阻 力h = s q 2 ，某个确定系统中管网阻力系数s 可近似为常数。根据以上分析，当水 泵的工作点沿同一管网特性曲线变化时，1 、2 两点的功率与流量关系为： 妥：f 嬖1 3 ( 2 ，) 只 lq 】j 。 得出如下结论：不进行阀门调节的水系统中，管网特性系数近似认为常量， 当水泵的变流量运行是根据冷负荷的变化直接对水泵变频时( 管路中的阀门保 持开度不变) ，水泵的工作点将沿着同一条管网特性曲线变化，此时，水泵变频 后的工作点与设计工况的工作点可以近似的认为相似点，功率变化与流量变化 的三次方成正比。实际上，水泵运行点并不一定是水泵额定工况点的相似点。 在图2 1 中，根据相似定律，只有过工作点1 的一簇二次方曲线上的点，才有 可能是该点的相似点。 2 3 管网特性曲线发生变化时的节能分析 当变流量控制不是根据需求冷量直接调节水泵，而是末端阀门调节与水泵 变频调节结合( 比如常见的压差控制) ，此时管网特性发生改变。 同济大学申请硕士学位论文 第二章变流量系统的节能分析 如图2 1 ，当末端空调箱的两通阀关小或停机时，末端的流量减至q 2 ，管网 特性曲线变为爿，水泵变频后特性曲线由i 变至i i i ，水泵流量由q i 变至0 。，扬 程变为日：，此时的工作点为图2 1 中的2 点，由于阀门产生的动作，工作点 就不会在最小阻力系数的管网曲线s ，上运行。此时比系统不变频时节省的能量 为：( 只一只) 。此时的2 点与设计工况1 点不一定是相似点，两点的功率比为： 墨：堡( 2 8 ) p 、s 、线 上式中的s 。可以近似为常量，g 是在流量不同时随阀门开启度和末端空调 箱或风机盘管的开启台数变化而变化的，是一个随机变量，所以此时水泵的功 率变化不能简单的认为与流量变化成三次方关系了，而是一个复杂随机变量和 流量的函数。实际运行很难保证管网特性曲线不发生变化，该种情况还是居多。 当末端负荷固定时，即水流量为某一定值时，管网特性变化与管网特性不变两 种情况下，我们可以对水泵功率作一个比较。如图2 1 ，当系统流量为如时，2 点为管网特性不变情况下的工作点，2 点为管网特性变化时水泵变频运行工况 点。2 点与2 点的功率比为： 曼：里垒：避：蔓( 2 9 ) 岛日2 q 2s q ；s 1 式中的s ，为管网最小阻力系数( 阀门全开) ，对于一个系统是常数，s ：随流 量的变化而变化，是一个随机变量，s ： s ，。又根据式( 2 9 ) ，有只 只，则 在某固定流量下，变流量系统在管网特性曲线变化运行工况下的功耗永远大于 管网特性不变化时的工况。图中2 点与额定工况点1 近似相似，两点的功率与 流量的三次方成正比。 根据以上分析得出如下结论：变流量系统中，当水量一定时，在管网特性 变化的运行控制方式下，水泵的运行功率永远大于管网特性不变的运行方式， 此时运行工况点与额定运行工况点相比，水泵的功率与流量的三次方不成正比， 而是小于三次方。 同济大学申请硕士学位论文第二章变流量系统的节能分析 2 4 变频水泵的台数调节 在上述讨论中并没有考虑并联水泵台数的变化，实际工程往往是并联水泵 变速运转与运行台数变化结合控制的变流量系统。并联水泵的特性曲线也随之 发生变化，如六台水泵并联时，水泵台数递减，六台水泵运行时的工作点与五 台水泵运行时的工作点就不能简单认为上述的功率与流量的关系成立，只有相 同水泵台数运行时的工作点才能比较。如图2 2 ，i 为单台水泵的特性曲线， 为两台并联水泵的特性曲线，系统满负荷运行的额定工况为2 点，i i 为两台 并联水泵变频后的特性曲线2 点为变频后的工作点。当流量下降到运行一台 水泵就可满足要求时，工作点为1 点，如果流量继续下降，单台水泵变频，特 性曲线为i ，工作点为1 点。此时的1 点就不能与2 点进行比较，因为水 泵台数发生了变化，相似定律也只有在相同水泵的条件下才成立。1 点的比较 基准只能是单台水泵满负荷运行时的工作点1 点，同样2 点的比较基准才为2 点。这在系统的能耗分析时要注意。 如果变流量系统并联水泵每一台都加变频器，当变频后的流量接近减少一 台水泵后全速运行的流量时，就可以停开一台泵，依此类推。这样可以满足任 意冷负荷下的流量要求，且水泵的运行效率不至于过低。在运行水泵的控制中， 只有变频控制与台数控制相结合才能使系统的节能效果达到更佳。 扬程h 图2 2 变流量运行中水泵台数的变化 2 5 实例分析与验证 流量0 同济大学申请硕士学位论文第二章变流量系统的节能分析 上海某汽车有限公司南厂区的空调水系统是比较典型的二次泵变流量系 统，其系统示意图见图2 3 ，共有九台二级泵，两台工频作为备用，其它七台变 频分别供两个不同区域的冷水，对二级泵编号为i 9 号，1 5 号为同一型号水 泵( 第一组) ，供相同一个区域( 区域一) ，5 号水泵为这组水泵的备用泵，6 9 ( 第二组) 供另一区域( 区域二) ，9 号备用，两组水泵的型号不同。 根据对该系统的测试和调查得到变频水泵在不同管网特性和频率下的功 率，下面通过实测数据对前面两节中两种情况的分析结果进行验证。以7 、8 掰 台泵并联变频运行时为测试状态，测得在不同频率下的功率和流量，因相同型 号并联水泵的运行特性相同，所以以7 号水泵的运行特性为研究对象，其额定 流量为9 5 2 m 3 h ，扬程4 3 m ，功率1 5 0 k w 。 一纽泵 r 一近卜恒研 _ 吨卜恒到 dl 卜卜1 巫亘h 高“鬲高“鬲 蚓蚓倒恻 对于同一水泵， d门 瓯n 。 hr 、。 瓦2 l 刮 pr ”、 i 2 i 引 图2 3 通用公司南区变流量系统示意图 某一点m 的相似点与该点存在如下关系n 1 ： ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 1 5 同济大学申请硕士学位论文 第二章变流量系统的节能分析 表2 1 是管网特性不发生变化的情况下( 即管网阀门开启状态固定) ，只开 启7 、8 两台二级泵，这两台水泵同时变频运行时其中7 号泵的运行参数。根据 在本章2 2 中的分析，管网特性曲线不发生变化，水泵变频时，各水泵的运行 工作点近似为相似点，即表2 1 中的各工况点近似为相似点。根据式( 1 1 ) ， 水泵转速与电流频率成正比，据式( 2 1 0 ) ，对于同一水泵的两个相似点流量与 水泵转速比率应该相等。据表2 1 验证，这两个比率较接近，最大相差7 。1 。 对于式( 2 1 2 ) 的关系，我们先假设两个比率的关系是x 次幂，则有： pr ”丫 亏2 l 刮 。：塑 1 4 旦1 l 月，j ( 2 1 3 ) 表2 2 为表2 1 中各运行工况之间的x 值，可以看出这些x 值非常接近3 ， 即在管网特性不发生变化的情况下，输送水泵变频运行时各工作点近似为相似 点，其功率与流量的三次方成正比。 表2 3 中编号为l 的工况管网特性与表2 1 中的相同，2 1 0 各工况点是该 系统在实际运行中管网特性发生变化( 调节阀门) 后的运行参数。可以看出，2 1 0 点与1 点比较x 值偏离3 较多，最小的达到2 2 6 。那么，此时就不能认为这 些水泵运行工况点相似，即管网特性发生变化后，水泵各运行点的功率不与流 量三次方成正比。两者关系受管网特性的直接影响，管网特性( 各阀门开度) 又受室外温度变化、设定参数变化、同时使用系数、人员流动、室内热源等诸 多因数的影响，是一个随机变量，很难对其作出定量研究，比较难确定出管网 特性变化后水泵变频运行各工况点的功率与流量关系，但是根据前面的分析， 两者关系一定是小于三次方的，这一点在表2 2 和2 3 中得到了很好的验证。 表2 3 中的数据是在该系统夏季正常运行时测得的，表中的数据虽然小于3 ，但 是也基本都大于2 ，说明变频控制的变流量系统，具有较大的节能潜力。 对于风机应该存在同样的关系，通过对某变风量系统( v h v ) 做了同样的测 试，作为对这一结沧的验证。该系统风机风量3 4 6 0 m 3 h ，全压1 5 8 9 p a ，功率3 k w 。 由于测试条件所限，只做了管网特性不发生变化的试验，各工况点间的x 值如 同济大学申请硕士学位论文第二章变流量系统的节能分析 表2 4 ，基本接近3 ，均值；= 2 9 7 + 0 1 2 ，可以认为各工况点相似。 表2 17 号泵在管网特性不变时各频率下的运行参数 频率功率流量频率比流量比 流量比一频率 编号水泵编号 ( h z ) ( k w )( m 3 h )( ) ( )比( ) 14 5 01 1 2 o8 0 3 11 0 0 01 0 0 0o o7 # 23 5 o5 3 66 2 1 37 7 8 7 7 4 一o 47 # 32 5 o2 0 3 5 0 3 55 5 66 2 7 7 17 # 表2 2 在表2 1 中各工况点之间的x 值 l 工况1 和2工况1 和3 工况2 和3 lx 值 2 9 32 92 8 8 表2 3 管网特性发生变化后7 号泵各运行工况点间的x 值 编号 123 45 67891 0 频率4 53 4 23 4 93 7 43 03 2 3 73 23 6 3 8 功率 1 1 25 3 15 6 77 03 5 4 4 6 7 24 66 2 7 4 与工况1 比较的x 2 7 22 6 82 5 42 8 42 6 12 2 62 6 12 6 52 4 5 值 表2 4 某风机在管网特性不变时变频运行各工况点间的i 值 编号 l234567891 0 频率 5 04 64 03 63 02 62 01 61 41 0 功率 2 0 41 6 2lo 7 4o 4 3o 2 9o 1 40 0 7o 0 5o 0 2 与工况1 比较的x 值 2 7 63 2 03 0 93 0 52 9 8 2 9 22 9 62 9 1 2 8 7 所以，在变流量系统中，不能在任何情况下都认为水泵变频后的工作点与 设计工况工作点相似，也不能简单的认为变频水泵功率与流量的三次方成正比。 另外，对于式( 2 1 0 ) ( 2 1 2 ) ，是对孤立的水泵或风机用相似理论推导 出来的，然而，实际上它是使用在含有水泵或风机、管道、阀门、盘管即相应 控制系统的一个整体系统中的，系统中的水泵或风机的性能要受管路系统阻力 特性即相应的控制系统的关联、制约和影响。在文献 8 3 中提出了“大系统” 和用“系统思考”的理念，即不要把水泵或风机孤立出来进行研究，而要和其 它相关设备和管路作为一个整体考虑。变频泵或风机节能控制的实质是控制能 量传递链。水泵的输入功率在式( 2 6 ) 中已有一定的体现，变频水泵或风机的 总输入功率可用式( 2 1 4 ) 计算： 同济大学申请硕士学位论文第二章变流量系统的节能分析 矿： 垦 ( 2 1 4 ) 町5 玎p 竹m 坪” 式中：啊水泵的总输入功率，w ；形水泵的有效功率，w 玑水泵的轴效率；水泵的传动效率； 水泵的电机效率；r 。变频水泵的变频器效率： 从式( 2 1 4 ) 可以看出泵的能耗是通过变频器、电机、传动环节、水泵等 能量传递链将电能最终转化为流体的压力能。每个环节的转换效率均影响到变 频水泵的总输入功率暇。变频节能的工作应当在整个能量传递的每一个环节中 展开。另外，从电机和变频器的特性来看，当他们的负荷率低于3 0 时，电机 的效率目p 变频器的效率”。迅速下降。经过计算，额定流量的6 6 1 0 0 范 围内变频水泵才是节能的“1 ，同时这对冷机的工作也是安全的。流量如果降到 更低，多泵并联运行的变频系统，就应该考虑减少运行水泵台数，结合水泵的 开启台数来控制系统，使得系统节能效果达到最好。同时也要注意在不同台数 的水泵运行时，必须保证水泵特性和管路阻力特性相匹配。 同济大学申请硕士学位论文第三章一次泵、二次泵变流量系统的比较和控制 第三章一次泵、二次泵变流量系统的比较和控制 3 1 一次泵二次泵变流量系统在实际应用中的能耗分析 变水量系统形式主要有一次泵和二次泵变流量系统，两种形式可见图1 3 ， 由于人们传统的一次泵定流量设计观念，对一次泵变频系统的可靠性还存在怀 疑，但它的节能空间较大是可以肯定的。二次泵变频控制技术用于空调冷水泵 在美国已成功运行将近3 0 年“1 ，在我国已有多个成功运行的例子。二次泵变频 系统比较适合系统大、空调负荷变化大、能源中心与空调需求建筑相对位置较 远的情况。 本节将以某大型工厂冷冻站成功运行的实例，对一次泵和二次泵变流量水 系统进行能耗分析。 3 1 1 工程概况 上海某汽车有限公司北厂区占地面积5 5 万平方米，建筑面积2 3 万平方米， 共有冲压、车身、油漆、总装和动力总成五大车间。其所有生产车间的供冷、 供热都由冷冻站负担，总冷负荷为5 4 槲，热负荷为1 6 4 m w 。配置1 6 d f l 0 0 直燃 式双效溴化锂吸收式机组1 5 台；2 3 x l - - 2 9 0 螺杆式冷水机组两台；一级泵1 5 台， 每台流量6 0 8 m 3 h ，扬程1 5 m ，功率3 7 k w ：二级泵8 台，每台流量t 1 4 0 3 h ， 扬程4 7 m ，功率2 0 0 k w 。整个冷水循环系统采用二级泵变流量，一级泵定流量， 水系统如图3 1 。 蛆夏 l 箱 旷 同济大学申请硕士学位论文第三章一次泵、二次泵变流量系统的比较和控制 31 2 运行工况 图3 1 该公司北区冷冻站冷水系统图 在冷冻水二次泵变流量系统中，二级泵负责将冷冻水分配给用户，一级 泵满足一次循环回路中的流量恒定。一级泵回路与二级泵回路通过连通管连 接，这样二级泵不受最小流量的限制，采用二通阀加变频来控制流量。冷冻 站供回水温差5 c ，供水温度7 。各车间设计水量见表3 1 。 表3 1 各车间冷量和水量 i 动力总成车间冲压车间车身车间油漆车间总装车间 i 冷量( 删) 7 51 7 5 4 62 75 3 咏量( m 3 h ) 1 2 8 92 9 39 4 04 6 4 39 1 1 经过实测，各车间和冷冻站水量基本满足设计流量。由表3 1 看出，油漆 车间需要的冷量最大，超过总冷量的5 0 。在空调运行期间，连通管起到了调 节出水水温的作用，部分冷冻水经连通管直接与回水混合，降低回水温度，这 样保证了有特殊工艺要求的油漆车间供水温度不高于7 。像该公司这种大型生 产厂房，室内热源多，机器散热量大，内部冷负荷比较稳定。在春季较早时间 ( 4 月) 空调就开始供冷，而到秋季较晚( 1 1 月底) 才停止供冷。所以供冷周 期长，部分负荷下运行时间也较长。以车身车间为典型，取室内设计干球温度 为2 6 c ，相对湿度5 5 。计算出不同室外温度下的各种冷负荷值，绘出室外温 度与冷负荷的关系曲线图( 图3 2 ) 。 嗣济大学申请硕士学位论文 第三章一次泵、二次泵变流量系统韵比较和控制 要 惺 食 ；一j 乡77 。一。， ：赢嘉嘉，z ，。s ，s a 。 室外温厦( ) p 新风玲负荷* 一围护结构冷负荷峥一内部冷负荷 总冷负荷 图3 2 车身车间不同室外温度与冷负荷的关系 由图3 2 可看出室外温度变化时引起各种负荷的变化趋势，车间内部冷负 荷所占比例很大，而且很稳定。当室外温度约在2 0 2 3 。c 时，总冷负荷逐渐开 始大于零，此时有供冷需求。只有室外气温高于或等于3 4 * ( 3 ( 上海市夏季室外 计算温度) 时，系统才满负荷运行。也就是说空调系统绝大部分时间处于部分 负荷下运行。 3 1 3 二次泵变流量系统能耗分析 在空调能耗计算中，温度频率法是一种实用简化的分析方法，使用简便， 精度又能满足全年能耗分析的要求。以车身车间为典型，估算整个空调系统的 负荷率。取室内设计干球温度为2 6 。c ，相对湿度5 5 ，计算出不同温度下的负 荷率和水泵功率。通过第二章分析知道，图1 2 中1 点和2 点并不满足水泵相 似定律，即水泵消耗的功率不与流量的三次方成正比，是介于二次方和三次方 之间。为了便于计算，仍按三次方关系计算出不同负荷率下的二级泵功率。根 据上海的温度频率统计数据0 1 列出表3 2 。 咖晰啪啪