变频调速器在供暖循环泵中节能应用

一、

工程概况：

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绥化中盟热电有限公司是绥化城区热电联产、以热定电工程,是２0０7年度黑龙江省重点建设“节能、减排”环保型工程，符合国家能源产业政策。

工程总体设计６炉3机，装机容量８0ＭW，供热面积６４0万平方米，工程分三期建设，一期工程于２０06年底建成投产（实现供热面积16８万平方米）。

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热网首站设计安装三台供暖循环泵其型号为KQSN４5０—Ｍ9／６１5性能参数为:额定流量３593ｍ３/h,额定扬程１0１m,内效率65%.配套电机参数为：YKＫ５60Ｏ3-４额定功率1２50ｋWh。额定电压1０kｖ，额定电流８6.5Ａ。采用高压变频调节.

二、经过一个采暖期运行,大容量水泵电机为什么要采用变频?变频器节能原理是什么？节能效果怎样?

ﻫ本文将从以上三个方面加以阐述分析：

１、在供暖系统中,热网循环水流量Ｇ=Q/1.１63×(tgs—tｈｓ）。kg/ｈﻫ式中Ｑ—－热电厂供热量W，ｔgs—供水温度℃,tｈs—回水温度℃.

ﻫ由上式可知:当供、回水温差一定时，供热面积越大,热网循环泵的流量越大.

绥化中盟热电有限公司的供暖循环泵的流量是根据城市建筑物最大供暖面积６4０万平方米选型，且留有１0％的设计余量。如果没有使用变频调速，那么热网循环泵在供暖期内工频状态下（额定转速1４５0转/分）运行。

在供暖期，采暖热负荷是随着室外气温变化的，（在保证供热品质前提下）需要分阶段调整热网循环量，达到即节约燃料又保证供热质量要求,这样就使得循环水泵的负荷大部分时间运行在低流量状态.

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据统计绥化采暖热负荷值大部分在19-4１W/m2之间，最大负荷64W/ｍ2运行时间每年不超过85小时,致使循环水泵实际流量偏离额定工况点运行，能耗增加，效率下降。

２、目前热网循环泵工况调节方式大部分采用节流调节,就是改变水泵出口阀门开度来调节，这种调节方式是水泵的转速不变,开关阀门,人为改变热网系统特性阻力曲线，从而改变水泵的流量及扬程，而此时水泵消耗轴功率却变化不大,造成节流损失,浪费大量的能源.

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水泵的变速调节是阀门开度最大,通过改变水泵转速，在其管路阻力特性曲线不变的情况下，改变水泵的性能曲线达到控制水泵的流量和扬程，使水泵处于高效率工作区,减少附加阻力损耗,达到节能的目的.

1）变频调速器的工作原理

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由三相异步电动机工作原理可知：三相绕组产生旋转磁场的基本规律为n=60f/p（式中n-电机转数，ｆ—定子绕组电流频率,p-旋转磁场磁极对数）对一定电机P为定值。

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要改变电机转数n只有改变定子绕组供电频率f。基于这一点,变频器的工作原理是把50Ｈｚ交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件(ＧTO、GＴR或ＩGBT)组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电,由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SＰＷM）方法，使输出波形近似正弦波,用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为ＡC－DＣ－AＣ（交－直－交）变频方式。其构成主要由整流(交流变直流)、滤波、再次整流(直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

２）水泵调速运行的节能原理

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改变水泵的转速可以调节水泵的流量及扬程从而改变水泵所需轴功率，由水泵的比例定律可知

ﻫ流量Q与转速ｎ成正比即ﻫQ＝K1×ｎ

（１）

扬程与转速的平方成正比即ﻫH=K2×n２

（２)

水泵的轴功率与转速ｎ的立方成正比即ﻫN=K3×n３

(3）

水泵的轴功率与流量和扬程的乘积成正比即ﻫN=γ×Ｑ×H/１000×η

（4）

其中K1、K2、K３

为常数,η为水泵效率，γ为水重度。ﻫ从电机侧用电流、电压表测量三相交流电机输出功率

Nｇ=√３UICOＳ￠/１０00

KW

（5）ﻫ式中COＳ￠为功率因数,Ｉ为每相电流,U为每相电压。ﻫ水泵轴功率和电机输出功率关系ﻫＮ=Ng×ηg×ηｔ

（6）ﻫ式中ηｇ为电机效率,ηt为传动效率ﻫa采用变频调节热网循环流量ﻫ水泵的转速由ｎ１变为n２时流量也由Ｑ1变为Q2，扬程由Ｈ1变为Ｈ2,水泵的轴功率也由N１=γ×Q1×Ｈ1/１０00×η变为N２=γ×Q2×Ｈ2/１00０×η如图1

阴影部分γ×（Q１×H1－Ｑ２×H2)/１００0×η即为水泵减少的轴功率消耗值。所以转速越低，其节能效果越明显。

b采用传统节流调节流量保持水泵的转速不变,调节阀门开度，增加管网阻力，水泵的流量Q1变为Q2由于系统的阻力增加，此时阻力曲线由Ⅰ变为Ⅱ扬程由H１变为Ｈ２如图２

此时水泵的轴功率一部分用来克服管道阻力而被浪费掉。

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所以采用阀门调节水泵的流量时，虽然流量下降，但扬程却上长升,水泵需要轴功率变化不大,此时水泵能耗降低很少.

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Ｃ两者节能比较

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曲线Ⅰ、Ⅱ代表水泵的阀门在不同开度时阻力曲线，Ｈ（n1)Ｈ（n2）为同转速时，水泵运行特性曲线.如图3

可以看出,两种不同情况下消耗轴功率:采用节流调节当Ｑ1—Ｑ2时,轴功率Q１×H1与Ｑ２×H2基本不变;采用变频调节当Q1-Ｑ２时所需轴功率为Ｑ２×H3比Q1×Ｈ1小的多即阴影部分，节能效果非常突出。

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３、投资回收效益实例分析：

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同一运行工况,节流调节与变速调节经济调节经济性比较。

1)、水泵采用节流调节时运行情况：热网循环流量２500T/Ｈ此时闸阀出口开度为30％水泵扬程10７米电机电流82．2Ａ，由前面相关公式计算可得水泵消耗输入功率为ﻫN=98１０×Ｑ×H／360０×100０×η=１1１7KＷHﻫ用电流、电压表测量三相交流电机输出功率ﻫNｇ，=√3UICＯS￠／1000＝√３×U×Ｉ×0。8=11４０KWHﻫＮ/Nｇ×1０0％=９8%两种计算结果基本一致.

2）、采用变频调节流量时情况:流量2５00Ｔ/H此时频率３5HＺ水泵扬程４８米,电机电流４1Ａ，由前面公式计算得水泵消耗输入功率为:

Ｎ＝９８1０×Q×H/3６０0×1０00×η=５５6KWHﻫ用电流、电压表测量三相交流电机输出功率:Nｇ=√3ＵICＯS￠/10００=√3×U×Ｉ×0。8＝570KWHﻫＮ／Ng×１０0%=97。５％

同样是2５00Ｔ/H热网循环量用闸阀调节流量时,水泵所需功率为１117KW。而变频调节时水泵所需功率为55６KＷ.

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如果按此负荷运行一个取暖期4368小时，少支出费用（1１17－5５６）×436８×0.５１=124９728元.即１2４．97万元

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通过已上分析,一个运行期节约的电费基本上收回1台变频器。节能效果十分明显。

三、通过对变频器的使用有几点建议供同行借鉴——变频器节能多少有几点原则

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１、变频器要节电有一定条件，在不影响使用条件下适当改变工况参数把不合理运行参数所消耗电能节省下来,就可做到从一般运行变成经济运行。

２、要节能一定要降低频率，下降值越大,节电越多，不降低频率，变频器原则上是不能节电的。

3、与电动机负载率有关,负载率低相应