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中国矿业大学1供热系统循环水泵选型及变流量控制策略（中国矿业大学建筑环境与设备工程09级李豪）【摘要】对于集中供热系统和分户计量供热系统，合理选择循环水泵型号并且合理搭配，同时采用正确合理的变流量控制方法，是实现供热系统节能的有效途径。对于计量供热系统，采用二次泵系统，并且对水泵采用变频调速的方法，是最为合理的。【关键词】循环水泵，双级泵，变流量，变转速，变频调速循环水泵是供热系统中最主要的动力设备和耗能设备。当循环水泵的设计及选型不合理或不符合供热系统实际运行工况时，就需要对循环水泵进行调节，主要方法有：（1）改变循环水泵的开启台数，这种调节方法可以快速而有效地调节供热系统的流量与压力，但调节范围太大，不能根据需要进行小范围调节，易造成大量的能源损耗；（2）改变循环水泵出口的调节阀门开度，这种调节方法可以中小幅度的增加或减小供热循环系统的阻力，从而改变循环水泵的压头和流量。但调节阀并不能改变其他管路的阻力特性，所以，这种调节方法中调节阀会引起大量的能量损耗，同时会引起循环水泵工作点的偏移，对系统的稳定运行造成不良影响；（3）改变循环水泵的出流量。其中对循环水泵的变频调速时最优方法。所以，要实现供热系统循环水泵节能：（1）合理进行循环水泵选型；（2）合理进行循环水泵布置；（3）合理选择选择循环水泵调节方法（一）循环水泵选型循环水泵选型的目的是选择合适型号的循环水泵以满足供热循环系统的压力和流量要求，同时尽量减小能耗。中国矿业大学2循环水泵的选用原则：（1）循环水泵的流量和扬程能满足使用工况下的要求，并且应有10%—20%的富裕量；（2）应使工作状态点经常处于较高的效率值范围内；（3）当流量较大时，宜考虑多台水泵并联运行；但并联台数不宜过多，并且尽可能采用同型号水泵并联；（4）选择水泵时必须考虑系统静压对泵体的作用，注意工作压力应在泵壳体和填料的承受范围之内1对于供热循环系统来说，当系统负荷较小而采用单级泵系统时，循环水泵的流量要满足循环系统总流量，扬程要满足热源循环系统的压力损失和热网循环系统的压力损失之和；当系统负荷较大而选用双级泵系统时，就要有针对性，热源循环水泵的扬程和流量只要满足热源循环系统的压力损失和流量，热网循环水泵的扬程和流量只要满足热网循环系统的压力损失和流量。当供热循环系统需要进行工况调节时，可根据需要对热源循环水泵和热网循环水泵分别进行调节，消除了调节时两个系统之间的关联影响，减小了能源的损耗（二）循环水泵的布置对于供热系统，可以选择单级泵系统，也可以选用双级泵系统，这主要取决于供热系统的负荷和供热系统负荷的变化幅度（1）当供热循环系统总负荷较小时，可以选择单级泵系统。这样可以节省初投资，并且减少运行成本。当负荷改变时，由于总负荷较小，所以负荷改变量也较小，对单级泵进行工况调节不会造成很大的关联影响或能量损耗（2）当供热循环系统总负荷较大时，但负荷波动幅度较小时可以选择单级泵系统。这样可以节省初投资，并且在负荷改变时，通过对循环水泵的小幅度调节就可以完成对整个供热循环系统的运行工况调节而不会造成太大的能源浪费（3）当供热循环系统总负荷较大，而且系统总负荷波动幅度较大时，最好选中国矿业大学3用双级泵系统，从而分别对热源循环系统和热网循环系统进行工况调节而互不影响，讲二者之间的关联影响及其带来的能量损耗减小到最低（三）循环水泵变流量控制策略（1）调节阀门开度。但是，调节阀门开度来改变水泵运行参数，是以消耗水泵运行能耗为代价，浪费能源2GilAvery．P．E在文献中提到：在变流量系统中，建议不使用手动调节装置．3（2）调节循环水泵的性能。包括变速调节，进口导流器调节，切削叶轮调节。（3）进口导流器调节比阀门调节消耗功率小，结构比较简单，可以用装在外壳上的手柄进行调节，可以在水泵运行状态下进行调节，操作方便灵活，但从节能的角度对比，相对变速调节能量损失过大。切削叶轮调节不增加额外的能量损失，设备的效率下降很少，是一种节能的调节方法，但每次调节都要停机换装叶轮4（4）变速调节包括调换皮带轮调节，液力耦合器调节，变频调节。（4-1）调换皮带轮调节不增加额外的能量损失，但调节范围小，而且调节时要停机换轮。（4-2）液力联轴器调节：液力耦合器是一种液力传动装置一般情况下安装在水泵和电机之间，通过液体的动能和装置的机械能的转换，实现水泵的变转速的目的。其工作原理与结构见下图。液力偶合器与电机连接的泵轮以及与负载(水泵)连接的涡轮都有许多径向叶片,电机带动泵轮转动后,泵轮工作通道中的油就由内缘流向外缘,油流通过两轮之间的间隙进人涡轮,当油流从涡轮的叶片外缘流向中心时,就将油流的动能转变为机械能,推动涡轮旋转,然后油又通过冷却器、油箱、油泵再返回泵轮重复循环。液力偶合器有一个径向移动的导管,在控制器的作用下,导管可作径向移动。导管口的径向位置决定了导管室里油环的厚度,即决定了工作腔里的油量,而功率传递的多少,就是由油量决定的。当导管向里伸时,旋转着的油环就从导管将油排出,直到导管口与油面齐平为止,这样就减少了油环厚度,使输出的转轴转中国矿业大学4速下降;反之,当导管外提时,减少排油量,可增加油环厚度,工作腔保持较多油量,输出转轴的转速增加。这样,就可以通过对导管位置的控制,达到水泵调速的目的5。优点是适用功率范围较大，达到10-10000KW，运行较为可靠，价格合理，维修比较方便。缺点是较大的转差功率损耗，水泵转速较高时，调节效率也较高，但是随着水泵转速降低，调节效率也随之线性下降。变频调节是通过变频器改变循环水泵电机的供电频率来改变循环水泵的转速。(4-3)变极调速异步电动机的定子旋转磁场的转速(或称同步转速)。由下式确定【1】式中：n为转子转速，f为电源频率，中国矿业大学5s为定子与转子之间的转差率，m为电动机绕组的极对数一般情况下，电动机转差率s很小,所以当电源频率f一定时,转子的转速与电动机绕组的极对数m成反比。即定子中敷设的绕组愈多,形成的磁场极对数也愈多,此时转子转速愈慢。这种调速方法为有级调速。一般应用于笼型异步电机,因为笼型异步电机转子的极对数自动地跟随定子极对数的改变而改变,使定子、转子始终在相同的磁场极对数下产生平均电磁转矩。以前在定子中敷设分离的二套或三套绕组,借以实现二种或三种不同的转速。但定子铁芯大,价格昂贵。目前的作法是仅有一套定子绕组,借助改变绕组端部的接线方式来变更磁场的极对数,称为单绕组多速电动机6。（4-4）变频调速原理：根据水泵转速公式可知：通过变频器，改变电机的供电频率进而改变水泵的转速。对于水泵、风机这类轻型负载而苦，一般通过“交一直一交”的过程，在变频器中改变电源频率。变频调速属于无转差损耗的高效调速方法，功率因数能达到90％以上，本身固有损失仅为1%-2%。身固有损失仅为1％一2％，因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于泵的轴功率。在变频的同时，电源电压也可以根据负载大小作相应调节。此外，还可以在额定电流下起动电机，因而能降低配用变压器的容量。变频器体积小巧，运行平稳，自保护功能强，可靠性高。功率可从0．75KW到几百KW，额定电压一般为380V7。{式中，n为转子转速，f为电源频率，s为定子与转子之间的转差率，m为电动机绕组的极对数}（4-5）优劣对比：无转差调速法效率明显高于有转差调速法,所以应优先采用变频调速、变极调速。液力偶合调速虽然有转差损耗,但其功率适应范围大,价格适中,维护方便,在功率较大的大型供热供热系统中(功率大于1000KW)经常使用。变极调速,虽然不能进行平中国矿业大学6滑无级调速,但操作简单方便,对于供热规模不大的系统,可采用双速、三速水泵作循环水泵,实现分阶段变流量质调节。从调速性能上比较,最理想的是变频调速。不但节能效益高,而且效率都在80%以上。在50%的相对转速下,其它调速方法的功率因数年一般不超过65%.而变频调速功率因数则可达85%左右8。变频调速的主要缺点是投资较高。（四）水泵变流量运行性能分析（1）水泵能耗P”有效功率P’输出功率G水泵流量P电动机输入功率H水泵扬程η运行效率g重力加速度（2）水泵的相似律1工况为调速前工况，2工况为调速后工况n---转速G---水泵流量H---水泵扬程P---水泵输出功率中国矿业大学7水泵的相似律只适用于相似的工况点，若工况点1与2不相似，则上公式不成立。从流体力学理论可知，只有在水泵运行效率相同时，才能称之为相似工况点9。如下图所示：对于相似工况点，有：即水泵扬程和流量平方成正比，C是比例系数，对于相似工况点是定值因为相似律只有在工况点等效率时才成立，所以上式也是水泵的等效率曲线表达式，与管网系统阻力表达式一致△p---系统阻力损失S---阻抗G---流量所以，得到以下结论：（2-1）将水泵等效率曲线与系统阻力曲线相叠加，得到等效率曲线如下图：（2-2）假设系统阻力恒定，则水泵调速前后的工况点相似，各项参数都符合相似律。所以，对于供热系统，如果采用质调节，则系统流量不变，阻力不变，调节前后工况点相似；如果采用量调节，系中国矿业大学8统流量发生改变，阻力改变，调节前后工况点不相似，不能应用相似律。（2-3）调速范围：供热循环系统循环水泵调节范围受到流量变化范围，管网特性等因素影响，所以，变频调节无法随意调节水泵转速。文献表明，（2-4）水泵最小流量应大于最佳效率点流量的25%，最小转速应大于额定转速的30%，并应结合实际经计算确定10（2-5）。（5）变流量系统循环水泵变频调节方式对于变流量系统，系统阻力随流量改变而改变，循环水泵工况点也会发生偏移如下图所示：随流量降低，系统阻力曲线和循环水泵工况点一起向左移动，循环水泵扬程增大，但是随着流量减小，系统能量需求降低，此时，如果不对循环水泵进行调节，就会造成大量的能量损中国矿业大学9耗对循环水泵的变频调速控制可分为两种思路。一种是恒定压力控制，就是选择热网上某一点作为压力控制点，保持这个点的压力不变。例如：当用户调节末端设备使供热循环系统流量增大时，该点的压力就会减小，这时，调节循环水泵增大转速，使压力控制点的压力恢复正常状态。另一种是恒定压差控制。恒定压差控制可分为几种：供回水压差控制，末端压差控制，以及水泵定扬程控制，水泵扬程与流量比例变化，水泵扬程与管道阻力同步变化等。在供热系统实际工程中使用较多的是恒定循环水泵扬程控制和恒定最不利用户资用压力控制11。现在对这两种控制方式进行分析中国矿业大学10（3-1）控制原理恒定循环水泵扬程控制：在循环水泵进口或出口设置压差变送器，通过压差变送器接受供热循环系统的压力变化，并将其转化为标准电压或电流变化，输入变频器的模拟量输入端口，变频器内的数据处理系统对输入的标准信号按预定程序和预设值进行对比计算，得到调节后的输出频率，在保证循环水泵扬程不变的情况下改变循环水泵的转速。恒定最不利用户资用压力控制：这种控制方法与恒定循环水泵扬程控制的区别在于将压差变送器安装在最不利用户热力入口处，压差变送器将接收到的压力变化信号输入变频控制器，变频控制器对其进行计算并与设定的最不利用户资用压力对比，再通过调节循环水泵电机转速来调节循环水泵。但通常情况下，最不利用户与循环水泵距离很远，信号传输有一定难度。这时，使用输配管网压损曲线来确定恒定最不利用户资用压力控制的控制曲线。供热循环系统总阻力为最不利用户所需资用压力与输配管网阻力两部分之和。又因为输配管网管径不发生改变，输配管网总阻力只与流经各个输配管段的流量大小有关。为了便于分析，在假设所有用户和各个输配管段的流量变化都相同的情况下，得出的一条平均曲线，称为输配管网压损曲线12。这样就将供热循环系统总阻力曲线分为两部分：一是输配压损曲线，二是恒定最不利用户资用压力变化曲线。要满足恒定最不利用中国矿业大学11户资用压力控制要求，则循环水泵变频控制曲线就要与输配管路压损曲线平行，且两条曲线间距恒定，即为恒定最不利用户资用压力，如下图所示（3-2）两种控制方法节能效果对比如图：当供热循环系统运行工况发生变化，系统阻力曲线由S1偏移到S2时：①恒定水泵扬程控制：按照控制