变频泵技术

摘要本文对泵变频技术的应用进行了相关分析和介绍。首先,介绍了传统的水泵能耗的计算是假定变频前后水泵的效率没有发生变化,直接运用比例律公式求得而通过对管路压降的计算以及运用等效率曲线知识分析,水泵变频后的效率发生了变化,应根据新工作点的流量和压降,确定等效率曲线,与额定状况下一曲线的交点才是与新工作点相似的点,从而确定出变频后的效率,最后根据轴功率公式计算得到变频后的水泵能耗。其次,给出了变频节能方法,根据该方法可以计算不同方案变频泵的运行参数。对于多台水泵并联,应先判断能否采用部分水泵变频的并联运行方式,判断方法为将水泵一曲线以及最不利环路各时刻的参数连线绘于同一坐标系中,若二者相交则可以采用部分水泵变频,反之则采用全变频传统的水泵变频台数是根据回收期的大小来确定的,忽略了设备的使用寿命这一影响因素,本文结合设备的使用寿命,提出了一个新概念—,即在设备使用寿命内,采用变频节省的费用减去初投资之后的效益,根据的大小来判断水泵变频的台数。本文主要讨论暖通空调中的泵变频技术。关键词：空调节能、变频技术0、引言公共和民用建筑物中,中央空调的能耗约占建筑总能耗的以上,而空调水泵的耗电量占空调系统耗电量的20%-25%左右。往往传统工程设计都考虑富余量,实际很少在全负荷下运行。在系统中水量的调整是使用大量的水阀进行的,使其满足所要求的工况。阀的调节原理增加了系统的阻力,消耗了泵提供的多余的压力,从而达到减少流量的目的,但泵仍按照额定功率全负荷输出运行,并且由于改变了管网阻力特性,使管网中的动力机械工作点偏移,在多数情况下将导致效率下降。因此这样的调节作用是以消耗水泵运行能耗为代价的。如果能够使设备的输出功率随负荷的变化而变化,那么就起到了节能的效果。采用变频技术对水泵实行转速控制,以适应空调系统输出的要求,实施节能是一种行之有效的方法。总之对空调系统的水泵变频改造工程表明对空调水系统水泵进行变频节能改造,可以使系统节省大量的冷冻水泵电耗,并且对冷水机组的功率几乎没有影响,不会对冷水机组、水泵产生不利影响,。对于冷水机组蒸发器可变流量、冷冻水系统水力平衡较好、水泵配置过大以及空调负荷变化范围较大的冷冻水系统,采用变频技术还有以下优点：（1）减少初投资,降低运行成本；（2）实现冬夏共用水泵；（3）延长设备的使用寿命；（4）降低水泵及电机噪声。1、分布式供热与传统供热的比较在传统的供热系统设计中,是根据最远、最不利用户的资用压差选择系统的循环水泵,通常仅在热源处设置循环水泵,以克服热源、热网和热用户系统的阻力。然而在供热系统的近户端,则会形成过多的资用压头,近端用户要通过调节各种流量阀门来消耗多余的资用压头。这样的节流调节则会导致系统循无效电耗和水力失调现象,为了解决这个问题,可采用了变频泵供热系统。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。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。分布式供热则是在热源处设置扬程较小的循环泵,然后在外网沿途设置多个加压循环泵,采用“接力棒”的办法,共同实现热媒的输送工作。热源处设置的循环泵只承担热源内部的水循环,换热站内的循环泵则承担热媒输送和保证热用户必要的资用压头的功能,并通过变频装置实现变流量调节。这种方式基本上消除了无效电耗。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。2、水泵变频控制方式水泵变频控制方式主要有温差控制方式和压差控制方式（1）温差控制方式温差控制的原理为当空调负荷减小时,供回水温差减小,系统通过温差传感器将这一信号传递给变频器,控制水泵减速运行,减少水流量,使温差增大到传感器的温差设定值,反之控制水泵增速运行,使温差减小到传感器的温差设定值。温差控制方式的优点是，初期投资小，控制简单，并且不需要通过阀门来调节系统水力工况，没有给水系统加额外的阻力，管路阻抗在水泵变速过程中可以保持不变，使得水泵在调速前后近似为相似工况，基本满足相似定律，在理论上能最大限度地节省能耗。但是也存在显著缺点，在温差控制方式中，温度变化相较负荷变化有一定的滞后性，当负荷变化后经过一段时间水流才能反映出温度的变化，容易造成系统控制延迟，不易保证控制的稳定性。在流体流动过程中，容易受到环境因素的干扰，引起温度的变化，所以控制精度差。另外由于系统水流量与温度之间不存在准确的对应关系，所以当系统末端用户的负荷发生不一致的变化，利用温差控制将不能准确地分配各用户所需水量，当不能提供适当的水压，容易出现管网水力失调问题。（2）压差控制方式压差控制方式的原理为部分负荷下,室内温控器根据室内温度的变化来改变电动调节阀的开度,从而引起供回水管压差的变化,压差传感器将这一信号传送给变频器,与设定值进行比较,从而控制水泵的转速。与温度控制方式相比，这种控制方式采用的是压差信号，反应较灵敏，受环境因素影响较小，几乎不存在温差控制方式中的控制滞后问题。系统中某一用户的负荷发生变化，调节阀会随之变化，则压差测点的压差发生变化，信号传入控制器，并进行调节，控制较为及时。（3）最小阻力控制最小阻力控制主要是根据供热空调变流量水系统中各末端设备的调节阀的开度，来改变最不利环路末端压差的设定值，从而调节循环水泵运行的转速，使末端调解法中至少有一个是几乎处于全开状态，理论上该控制方式能耗最小。最小阻力控制方式的特点之一是需要对所有调节阀的开度进行监测，对变频控制要求较高，也会增加设备的投资费用。所以，为了合理应用最小阻力控制法，应该选取一些具有代表性的调节阀作为最小阻力控制的控制对象，这样可以减小控制系统的初投资，也可以使控制相对简单。然而随着自动控制技术的提高，各供热空调系统设备及阀门的监控操作软件的更新，整个供热空调系统实现实时监测及控制的条件越来越完善，水泵变频最小阻力控制方式实施的条件也越来越完善。3、水泵变频调速原理变频调速主要是通过改变供电电源频率对异步电动机进行调速，电动机调动转速进而带动水泵叶轮的转速，影响水泵的流量、扬程及功率。按照交流异步电机理论，其转速公式为:(1)式中，n-----电动机的转速，f------异步电动机定子电势频率，P-----电动机的极对数，S------转差率由式(1)可知，只要均匀电动机定子绕组频率，电动机的转速n即与之成正比变化。根据规定，变频泵组调速存在一个高效范围，变频泵一般要求调转速在75%～100%范围内，效率因数为0.75～0.80。当变频调速泵低于50%时，效率因数为0.3～0.5。4、水泵耗能计算4.1水泵的轴功率公式(2)式中N—水泵的轴功率,W；nN—水泵的有效功率,W；—液体的容重,3/Nm；Q一水泵的流量,s/m3；H—水泵的扬程,m;—水泵的效率。水泵的工况点是指水泵的特性曲线上具体位置的点,而当水泵某一工况点与系统需要的参数点相等时,称为水泵的平衡工况点也称工作点。变频前后,如果水泵的效率未发生改变,即认为此时工况相似。当离心式水泵转速改变时,其特性曲线即随之变化。改变水泵转速,即能改变水泵的特性,达到调节水泵的扬程、流量、轴功率的目的。在一定的变频调速范围内,水泵的参数遵守相似原理:Q1/Q2=n1/n2（3）H1/H2=(n1/n2)2（4）N1/N2=(n1/n2)3（5）式中Q1,Q2———工况1,工况2的水泵流量,m3/s;n1,n2———工况1,工况2的水泵转速,r/min;H1,H2———工况1,工况2的水泵扬程,m;N1,N2———工况1,工况2的水泵轴功率,kW。从理论上讲,转速降低10%,水泵流量减少10%、扬程降低19%、轴功率降低27.1%。由此可见,降低水泵转速将引起轴功率大幅度降低。4.2实际水泵变频能耗计算水泵能耗的计算是以管路的压降为基础展开的,管路压降的计算不仅可以知道各时刻的压降也即水泵需要提供的扬程,同时也决定了水泵的选型,而水泵型号的确定也就决定了水泵的效率。接下来我们以一台水泵为例进行分析4.2.1管道压降根据流体力学可知,水流经过管道时,存在管道水头损失,其值为ifhhh，（6）h---管道阻力损失，m；fh—管道中沿程阻力损失之和，m；ih—管道中局部阻力之和，m；沿程阻力损失可以通过下述公式表示（7）式中i----某一段管路的摩擦阻力系数；i-----某一段管路的流速，m/s；idLi、—分别表示某一段管道的长度、管径,单位分别为m、m。摩擦阻力系数又与冷冻水的流态有关,而冷冻水的流态需要根据eR来判断,eR的计算公式如下dveR式中eR—雷诺数；v—运动豁滞系数,。根据分析可知空调冷冻水流态处于紊流过渡区。因此摩擦阻力系数可以采用下述公式计算（8）式中K—管内表面的当量绝对粗糙度，m（闭式空调冷冻水系统K=0.0002m）；由公式一可以看出,摩擦阻力系数是Re的函数,而由公式可以看出Re又是流速的函数，由于流量的变化引起流速的变化，所以摩擦阻力系数也将随着流量的变化而变化。局部阻力损失可以采用下述公式计算（9）式中i-----某一段管路的局部阻力系数。根据公式一和公式一,管道水头损失如下（10）式中iA----某一段管道的截面积，2m。Q----通过管路的流量，s/m3。用S表示22ii22dLiiiigAgA，即为管路阻抗，可以看出阻抗S是摩擦阻力系数数和局部阻力系数的函数,通过上述分析可知,由于空调冷冻水处于紊流过渡区,由于流量Q的变化引起摩擦阻力系数的变化,最终引起阻抗S的变化,那么对于空调的冷冻水系统就没有必要大费周章的再去确定管路阻抗S，也即管路特性曲线的确定没有必要,只需要将各个时刻的沿程阻力损失和局部阻力损失分别根据公式（7）和公式（9）求出,然后根据公式（10）得到某一管段的总水头损失,整个最不利环路的压降为压差设定值、冷机压降以及冷机与压差传感器之间的各个管路压降之和,最后根据额定状况时的系统压降和流量来选择水泵型号。4.2.2水泵特性曲线水泵的性能曲线公式即性能参数如扬程、效率等与流量间的函数关系可以通过二项式表示（11）式中y—水泵的性能参数,如扬程H,效率等。水泵变频后的特性曲线公式为（12）d—水泵的变速比,即目标流量所对应的转速与原转速的比值。在已知新工况点时的扬程和流量时,根据公式,可以得出d的计算公式式如下（13）4.2.3等效率曲线根据公式(3)和公式(4),消去转速后可得（14）则得到,K-----比例系数。由公式（14）可以看出凡是符合比例律关系的工况点均分布在一条以坐标原点为顶点的二次抛物线上,即等效率曲线。如图一所示,将各时刻管路的参数点(压降,流量)的连线(曲线1)、水泵额定工况下的H-Q曲线(曲线2)以及Q-曲线(曲线3)绘于同一坐标系中,曲线4为变频后的水泵(H-Q)'曲线,当流量为0时,H0为冷机和压差设定值之和,从图中可以看出,系统各时刻参数的连线不过坐标原点,O点为额定工况点,已知新工况点O'的参数(Ho',Qo')根据公式(9)求出比例系数k,过O'点作等效率曲线,与曲线2交于点E,E点即为与O(H0'',Qo')的相似工况点,从图中可以很直观的看出,O点和E点不重合,即水泵变频前后的工作点并不相似,不能直接套用比例律公式求得变频后的能耗。图一等效率曲线的应用变频后水泵效率的具体计算方法为：根据等效率曲线公式与额定状况时水泵H-Q曲线公式,求出E点的流量,将该流量代入Q-曲线公式,得出E点的效率E,E,从而新工况点O'的（Ho'，Qo'，o'）都己知,根据公式(2)求得水泵变频后的能耗。综上传统的水泵能耗的计算方法则是先假定变频前后水泵的效率没有发生变化,根据额定状况时的流量、扬程和轴功率直接运用比例律公式求出变频后的水泵能耗而通过对管路压降的计算以及运用等效率曲线知识分析可知,水泵变频后的效率发生了变化,不能直接运用比例律公式求变频后的能耗,此时需要根据新工作点的流量和压降,获得过新工作点的等效率曲线,与