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热网循环水泵变频运行的变温差控制 变频器控制循环水泵的运行

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运行管理 热网循环水泵变频运行的 变温差控制 中国矿业大学 黄建恩 张建功 冯 伟 河南省电力勘测设计院 孟颖超 摘要 在分析供热系统变流量运行调节的基础上 提出了变温差控制并给出了控制方案 变温差控制过程不仅具有负反馈 而且具有正反馈 能较好地适应外界气候条件的变化 比较 分析了变温差控制 定温差控制 定压差控制 变压差控制的节能性 结果表明 变温差控制的 节能潜力最大 关键词 供暖 循环水泵 变频 变温差控制 节能 Varia ble te mp erature differe nc e c ontrol of varia ble fre que nc y circ ulating p umps in he at sup ply netw ork By HuangJian en ZhangJiangong Feng Wei andMeng Y ingchao Abstract Based on an analysis on the variable flow operation regulation of heating systems puts forward variable temperature difference control and control scheme Variable temperature difference control process has positive feedback as well as negative feedback capable of following the outdoor climatic change Compares the energy saving performance of variable temperature difference control constant temperature difference control constant pressure difference control and variable pressure difference control The result shows that the energy saving potential of variable temperature difference control is the most notable Keywords heating circulating pump variable frequency variable temperature difference control energy conservation China University of Mining and Technology Xuzhou Jiangsu Province China 0 引言 在供暖期 用户热负荷随外界气候条件的变化 而变化 为保证供暖质量 满足使用要求 并使热 能制备和输送经济合理 必须对供暖系统的运行工 况进行调节 集中调节是供热调节简便易行和重 要的手段 当室外温度高于供暖室外计算温度时 利用循环水泵的变频调节改变热网循环流量 可有 效地降低供暖系统的输送能耗 循环水泵变频运 行的节能性已被业界认可 采用正确的变频控制 策略是实现变频节能的重要前提和基础 目前 常 用的控制方式有压差控制和温差控制两大类 122 压差控制又分为定压差控制和变压差控制 温差 控制目前只有定温差控制 笔者曾经对徐州市某 供暖工程进行过调查 该工程采用循环水泵进出口 定压差控制 在整个供暖季 水泵运行的频率变化 只有几Hz 没有达到真正的节能目的 可见 实现 循环水泵变频调节的具体方法有待进一步深化研 究 本文将针对目前的变频调节方式 从理论上分 析其节能潜力 并在此基础上提出变温差控制策 略 供广大设计人员参考 1 水泵变频节能机理 541 暖通空调HV f为供电电源的 频率 Hz s为异步电动机的转差率 p为电动机的 磁极对数 由式 1 可知 可以通过改变供电频率来改变 电动机的转速 进而达到调节流量的目的 由于水 泵的轴功率与转速的三次幂成正比 当转速减小时 水泵所需的轴功率大大减小 节能效益十分显著 根据水泵的相似定律 在相似工况点有如下关 系成立 P1 P2 n1 n2 3 2 式中 P1 P2分别为水泵转速为n1和n2时的功 率 可见 采用变频控制方法需要在满足用户热负 荷的前提下 尽量降低水泵的转速 以便尽可能多 地节约能量 2 供热调节的基本公式 在供热调节的分析过程中 通常假定供暖热负 荷与室内外温差成正比 4 这时 供热调节的基本 公式为 4 Q Q Q tn tw tn t w t g th 2tn 1 b t g t h 2tn 1 b G tg th t g t h 3 式中 Q 为供暖相对热负荷比 Q为某一室外温度 下热用户需要的热负荷 W Q 为设计工况下热用 户需要的热负荷 W tn为供暖室内计算温度 tw t w分别为供暖期内某一室外温度和供暖室外计 算温度 tg th分别为某工况下热用户的供水温 度和回水温度 t g t h分别为设计状态下供暖用 户的供水温度和回水温度 b为计算散热器传 热系数K时用到的指数 与用户选定的散热器型 式有关 本文取0 35 G 为相对流量比 G G G 其中G为某一室外温度下热网的循环水量 kg s G 为设计工况下热网的循环水量 kg s 由式 3 可知 要保持某一室外温度tw下的供 暖室内计算温度tn不变 需要求解tg th Q Q 和 G G 4个未知量 但只有3个方程 因此 必须引 进补充条件 选用不同的调节方法 热网运行的工 况是不同的 在循环水泵采用变频调节时引入怎 样的条件可以实现最大限度的节能呢 下面将对 这一问题展开讨论 3 供热系统变流量运行的调节方式 要实现循环水泵变频运行的节能目的 选定的 调节方式必须能够在满足用户热负荷需要的前提 下获得较小的循环流量 供暖用户的水循环侧有 如下方程成立 4 Q cG tg th 4 式中 Q为某一工况下能够向用户提供的热量 在 稳态时Q也是用户需要的热负荷 W G为某一 室外温度tw下热网运行工况的流量 kg s c为热 水的比热容 c 4 187 J kg 当室外温度升高 用户需要的热负荷减小时 根据式 4 可知 有两种调节方法 1 保持供回水温差不变 使之等于设计供回 水温差 可以获得相应工况下的流量 通过变频调 节 改变循环水泵的运行频率 使循环水泵在该流 量下运行即可 以下称之为定温差调节 文献 2 分析了该方法的可行性和经济性 但并没有给出相 应的控制方案 2 既改变供回水温差 又减小循环流量 以下 称之为变温差调节 3 1 定温差调节 对于定温差调节 引入的补充条件是Q G 由此可通过求解式 3 得出方程中的所有未知量 G G G Q tn tw tn t w 5 tg tn 0 5 t g t h 2tn Q 1 1 b 0 5 t g t h 6 th tn 0 5 t g t h 2tn Q 1 1 b 0 5 t g t h 7 采用定温差调节时的相对流量比和相应的供 水温度 回水温度计算结果见表1 3 2 变温差调节 对于变温差调节方式 需要进一步给出温差的 变化方式 式 3 才有确定的解 为减少控制环节 便于运行管理 设定供热调节过程中热网的供水温 641 运行管理 暖通空调HV 同时 根据室外 温度的变化情况及时调整热源处供热介质的出口 温度 在定温差控制方案中 控制器控制温差设定 值始终等于设计工况下的供回水温差 图2 定温差控制方案 4 3 温差控制方案和压差控制方案的对比 741 暖通空调HV 反之 如果用户处没有局部调节装置 则管网的流量保持恒定 压差控制点的压差也不发 生变化 也就无法实现变流量控制 温差控制方案中不仅包括负反馈 而且含有正 反馈 能根据室外温度的变化自动改变温差设定值 或热源处热水的出水温度 即使用户处没有局部调 节装置 也能够及时反映外界气候变化引起的用户 热负荷变化 可以更好地实现供热系统的节能运 行 5 不同控制方式的节能性对比 5 1 不同控制方式工况点的确定 对于水泵变频运行的定压差控制 压差信号的 取值点可位于水泵进出口或供回水干管乃至末端 支管进出口处 文献 5 通过引入压差控制比 pd p0 其中 pd为压差控制点的压差控制值 p0为系统总阻力 详细分析了不同定压差控制 方式的节能特性 取值范围为0 1 1时控 制压差为水泵进出口压差 即恒压变频 0时 为满足相似工况的水泵理想变频调节方式 调节工 况点位于设计工况下管网的阻力特性曲线上 当 室外温度升高 用户需要的流量为G1时 压差控 制比不同时的运行工况点如图3中的点1 2 3 4 5所示 图3 不同控制方式的工况点 文献 1 提出的变压差控制要求调节时供回水 温差和设计供回水温差相等 实际上是定温差控 制 其调节曲线和 0时的曲线重合 室外温度 升高 用户需要的流量为G1时 运行工况点如图3 中点5所示 采用变温差控制 当室外温度升高 其他控制方 式需要的流量为G1时 根据表1可知 用户需求的 流量小于定温差控制时用户需求的流量 设为G2 由于在调节过程中采用主动控制 管网的阻力特性 曲线不变 运行调节曲线为设计工况下的阻力特性 曲线 即和 0时的曲线重合 由于G2 G1 运行 工况点位于点5的左下方 即图3中的点6 5 2 不同控制方式节能特性分析 循环水泵运行时消耗的功率可按下式计算 P GH 102 10 式中 P为循环水泵消耗的功率 kW H为循环 水泵的扬程 m 为水泵电动机装置的总效率 102 为单位换算系数 由式 10 结合图3所示的不同调节方式下的 工况点可以看出 变温差控制方式节能潜力最大 值得在工程中推广使用 6 结论 6 1 供热系统循环水泵的变流量控制方式可以采 用定温差控制和变温差控制 定温差控制是压差 控制比 0时的理想调节方式 比目前采用的压 差信号的取值点位于水泵进出口或供回水干管乃 至末端支管进出口处的定压差控制节能性要好 而 变温差控制比定温差控制具有更大的节能潜力 值 得深入探讨和应用 6 2 变温差控制过程不仅具有负反馈 而且具有 正反馈 能较好地适应外界气候条件的变化 实现 供热系统的节能运行 6 3 变温差控制是一种新的控制方法 有些问题 如最小控制流量的设定等需要进一步的探讨和研 究 欢迎广大同仁共同参与讨论 参考文献 1 文成功 吴家瑾 热水供暖管网变压差调控探讨 J 暖通空调 2007 37 10 65267 2 马仲元 冀卫兴 李德英 热水供热系统变频循环水泵 节能分析 J 暖通空调 2008 38 5 1182120 3 盛昌达 张国权 赵家礼 等 异步电动机运行节能 M 北京 水利电力出版社 1989 4 贺平 孙刚 供热工程 M 3版 北京 中国建筑工业 出版社 1993 5 黄奕沄 张玲 压差控制水泵变频调节的工作特性探 讨 J 暖通空调 2006 36 4 75278 841 运行管理 暖通空调HV AC 2009年第39卷第9期

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