1、熱水供暖系統(tǒng)循環(huán)水泵變頻運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理及節(jié)能潛力的計(jì)算方法黃建恩郭民臣（華北電力大學(xué)（北京）動力系 北京102206）摘 要：本文通過分析供熱系統(tǒng)循環(huán)水泵變頻調(diào)速運(yùn)行比閥門節(jié)流調(diào)節(jié)運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理，通過計(jì)算分 析指出變頻調(diào)速比閥門調(diào)速的節(jié)能潛力并不與流量的三次方成比例，而是與流量成一復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。文 中給出了正確的計(jì)算方法，并由此得出了一些對實(shí)際工作具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。關(guān)鍵詞：循環(huán)水泵、變頻、節(jié)能潛力、計(jì)算方法TheThe MechanismMechanism ofof EnergyEnergy ConservationConservation ofof VariableVariable Fr

2、equencyFrequencyCirculatingCirculating PumpsPumps OperatedOperated inin Hot-WaterHot-Water HeatHeat SupplySupply SystemSystem andandthethe MethodMethod toto CalculateCalculate thethe PotentialPotential ofof EnergyEnergy ConservationConservationBy Huang jia nen Guo min che n(Departme nt of Power, Nor

3、th Chi na Electric Power Un iversity,Beiji ng,102206,Chi na )Abstract: The paper an alyses the mecha nism of en ergy con servati on of variable freque ncy circulati ng pumps operated in hot water heating system in comparison with controlling water flow by valve .By analyzing and calculati ng ,the pa

4、per points out that the pote ntial of en ergy con servati on is not proport ion to the third power of water flow ,but is a complex function of water flow and provides a correct method to calculate the potential of en ergy con servati on .From the method we can con clude some useful con clusi on in p

5、ractical work.Key words: circulating pump 、 variable frequency、 potential of energy conservation 、 calculating method.0、引言在熱水供熱系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，由于熱用戶 的熱負(fù)荷隨室外環(huán)境的變化而變化，在整個供暖 季節(jié)的大部分時(shí)間，用戶熱負(fù)荷都偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。 為保證供熱質(zhì)量，必須根據(jù)室外氣象條件的變化 對供熱系統(tǒng)的供水溫度和循環(huán)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使 用戶散熱設(shè)備的散熱量與用戶熱負(fù)荷的變化相適 應(yīng)，避免出現(xiàn)室溫過高或過低。供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié) 一般在熱源處（或熱力站）進(jìn)行，稱之為集中供 熱調(diào)節(jié)

6、。常用的調(diào)節(jié)方法有：質(zhì)調(diào)節(jié)改變熱網(wǎng)的供水溫度；量調(diào)節(jié) 改變熱網(wǎng)的循環(huán)水量； 分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)和間歇調(diào)節(jié)； 根據(jù)供熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，供熱系統(tǒng)的最佳調(diào)節(jié) 工況為質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)的結(jié)合。傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié) 方法采用改變循環(huán)水泵出口的閥門來調(diào)節(jié)，這種 調(diào)節(jié)方法因節(jié)流的不可逆性會造成大量能量損 失，使系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性變差。比較科學(xué)的做法 是采用水泵的調(diào)速技術(shù)，特別是變頻調(diào)速技術(shù)， 這樣可以減少電能的消耗，提高供熱系統(tǒng)運(yùn)行的 經(jīng)濟(jì)性。但究竟采用變頻調(diào)速后能夠節(jié)約多少能 量，傳統(tǒng)的想法是：由于水泵的軸功率隨流量的 三次方遞減，節(jié)能潛力也隨流量的三次方變化。如：當(dāng)流量減小為額定流量的60%時(shí)，水泵消耗的能量僅為原

7、來的 21.6%，節(jié)能潛力高達(dá)78.4% ! ！ 本文通過分析循環(huán)水泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理，經(jīng)計(jì)算認(rèn)為這是一種錯誤的觀點(diǎn)，并給出了 節(jié)能潛力的計(jì)算公式，通過該公式可以得出一些 對實(shí)際工作具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。1、水泵變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能機(jī)理變頻調(diào)速運(yùn)行之所以節(jié)能是由于水泵的機(jī)械負(fù)載特性決定的。水泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方 成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。由于流 量與轉(zhuǎn)速成正比，因此，當(dāng)調(diào)節(jié)流量時(shí)可以通過 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行。由電磁學(xué)原理三相異步電動機(jī) 的轉(zhuǎn)速與供電電源的頻率有如下關(guān)系：n=60f（1-s）/p其中：n -電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/mi n;f供電電源的頻率，Hz;s異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p電動

8、機(jī)的磁極對數(shù)；所以，可以通過改變供電頻率來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。由于水泵的軸功 率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)水泵所 需的軸功率大大減小，節(jié)能效益十分顯著。但究 竟采用變頻調(diào)速比水泵的工頻運(yùn)行節(jié)省多少電 能，下面將對這一問題進(jìn)行分析。2、水泵變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行節(jié)省電能的計(jì)算 2.1水泵閥門調(diào)節(jié)和變頻運(yùn)行時(shí)工況點(diǎn)的確定 水泵運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)由水泵的揚(yáng)程（ H ） 流量（qv）性能曲線和管路水力特性曲線的交點(diǎn)決 定。如圖1所示。ni為額定轉(zhuǎn)速時(shí)水泵的揚(yáng)程（H）流量（qv）性能曲線，Ri為設(shè)計(jì)工況時(shí)的管 路特性曲線，n2為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后的水泵揚(yáng)程（H） 流量（qv）性能曲線，R2

9、為采用閥門調(diào)節(jié)時(shí)非 設(shè)計(jì)工況下的管路特性曲線（用戶熱負(fù)荷減小相 應(yīng)流量需要減小）。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程（H）-流量（qv）性能曲線ni和設(shè)計(jì)工況時(shí)的管路特性 曲線Ri的交點(diǎn)1為設(shè)計(jì)工況下水泵的工況點(diǎn)，這 時(shí)相應(yīng)的流量和水泵的揚(yáng)程分別為qvi和Hi。當(dāng)需要將水泵的流量減小到 qv2時(shí)，若采用閥門調(diào)節(jié)就 需要將水泵出口的閥門關(guān)小，從而引起管路的總 阻力特性系數(shù)增大，管路特性曲線變陡，使水泵 的工作狀態(tài)點(diǎn)從i點(diǎn)沿曲線ni變化到2點(diǎn)，流量 減小到2,揚(yáng)程增大到 H2；當(dāng)采用變頻調(diào)速運(yùn)行張H】 ?H-U1u-rn 亠時(shí)，保持閥門的開度不變，也就是管路的水力特圖i水泵閥門調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)時(shí)工況點(diǎn)的確定FIGUR

10、E i Determ in atio n of worki ng poi nts ofcirculati ng pump con trolled by variable freque ncyand by valve性曲線不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)節(jié)流量 的目的。根據(jù)水泵的相似理論，水泵的揚(yáng)程（ H） 流量（qQ性能曲線將平行下移到曲線n2, n2和設(shè)計(jì)工況時(shí)的管路特性曲線Ri的交點(diǎn)3為調(diào)速調(diào)節(jié)時(shí)水泵的工況點(diǎn)，相應(yīng)的流量和水泵的揚(yáng)程 分別為qv2和出。2.2各工況點(diǎn)下水泵電機(jī)所需的輸入功率2.2.i工況點(diǎn)i水泵電機(jī)所需的輸入功率Pshi= p gqviH i/i000 n ii n 2 n

11、i3其中：p-液體的密度，kg/m3;g-重力加速度， m/s2；qvi工況點(diǎn)i水泵的流量，m3/s；Hi工況點(diǎn)i水泵的揚(yáng)程，m;Pshi工況點(diǎn)i水泵電機(jī)的輸入功率，kW;n ii、n 2、n i3分別為工況點(diǎn)i水泵效率、 水泵與電機(jī)的傳動效率、電機(jī)效率；2.2.2工況點(diǎn)2水泵電機(jī)所需的輸入功率Psh2= p gqv2H2/i000 n 2i n 2 n 23=p gqv2H3/i000+ p gqv2（H 2-H 3）/i000+p gqv2H2i/（ n 2i n 2 n 23）-i/i000其中：qv2工況點(diǎn)2水泵的流量，m3/s；H2工況點(diǎn)2水泵的揚(yáng)程，m;H3工況點(diǎn)3水泵的揚(yáng)程，mP

12、sh2工況點(diǎn)2水泵電機(jī)的輸入功率，kW;n 2i、n 2、n 23一一分別為工況點(diǎn) 2水泵效率、 水泵與電機(jī)的傳動效率、電機(jī)效率；p gqv2H3/i000有用功率，kW ;p gqv2（H2-H3）/i000 閥門 節(jié)流損 失的功 率，kW;p gqv2H2i/（ n 2i n 2n 23）-i/i000 工況點(diǎn) 2 水泵電機(jī)裝置損失的功率，kW ;可見，工況點(diǎn) 2水泵電機(jī)所需的輸入功率由 三部分組成：有用功率p gqv2H3/i000;閥門節(jié)流損失的功率p gqv2 （H2-H3）/i000 ;水泵電機(jī)裝置損 失的功率 p gqv2H2i/（ n 2in 2 n 23）-i/i000。2.

13、2.3工況點(diǎn)3水泵電機(jī)所需的輸入功率Psh3= p gqv2H 3/i000 n 3i n 2 n 33=p gqv2H3/i000 + p gqv2H3/i000i/ （ n 3i n 2 n 33） -i其中：qv2工況點(diǎn)3水泵的流量，m3/s;H3工況點(diǎn)3水泵的揚(yáng)程，m;Psh3工況點(diǎn)3水泵電機(jī)的輸入功率，kW;n 3i、n 2、n 33一一分別為工況點(diǎn)3水泵效率、水泵與電機(jī)的傳動效率、電機(jī)效率；p gqv2H3/i000i/ （ n 3i n 2 n 33） -i 工況點(diǎn)3水泵電機(jī)裝置損失的功率，kW ;2.3水泵變頻調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)節(jié)省的電能 P水泵變頻調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)可節(jié)省的電能 P:

14、 P=Psh2-Psh3=p gqv2（H2-H3）/i000+（ p gqv2/i000）H 2i/（ n 2i n 2 n 23）-i-H 3i/（ n 3i n 2 n 33）-i kW由該式可以看出采用變頻調(diào)速所節(jié)省的能量 由兩部分組成：第一部分閥門節(jié)流調(diào)節(jié)比變頻調(diào) 速調(diào)節(jié)損失的功率p gqv2（H2-H3）/i000 ;第二部分兩種調(diào)節(jié)工況下水泵電機(jī)裝置損失的功率的差 值，即即（p gqv2/i000）H 2i/（ n 2i n 2n 23）-i- H 3i/ （ n 3i n 2n 33） -i。3、水泵變頻調(diào)速的節(jié)能潛力水泵變頻調(diào)速相對于閥門節(jié)流調(diào)節(jié)的節(jié)能潛力可以采用水泵變頻調(diào)速

15、調(diào)節(jié)比閥門調(diào)節(jié)可節(jié)省 的電能 P和水泵采用閥門調(diào)節(jié)所需電機(jī)輸入功 率Psh2的比值來表示。但采用這種方法由于Psh2隨調(diào)節(jié)流量的變化而變化，不夠直觀。為使結(jié)果 更直觀，采用節(jié)省的電能P與設(shè)計(jì)工況下所需電 機(jī)輸入功率Psh1的比值來表示節(jié)能的潛力，由于水 泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行消耗的功率為定值（已知），這樣使節(jié)能潛力的計(jì)算更具有實(shí)用性和可比性。P - P/Psh1:Cp(H2- H3)Tgqv2H 21/(21223)-1- H31/(31233)- 1fgqv1 H1/?1113)_ （1）式中：P 表示節(jié)能潛力，用占設(shè)計(jì)工況 下所需電機(jī)輸入功率 Psh1的比值來表示；因水泵的揚(yáng)程一一流量性能曲線

16、為拋物線型，工程分析時(shí)可用一個二次多項(xiàng)式表示，設(shè)：2H=ao+a1 qv +a2 qv . （2）其中H為水泵的揚(yáng)程，m; qv為水泵的流量， m3/s; ao、 a1、 a2為與水泵有關(guān)的常數(shù)，對確定 的泵其值為已知數(shù)。運(yùn)用（2）式和阻力平方區(qū)（熱水供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)一般均處于阻力平方區(qū)）管路的阻力損失和管路特性系數(shù)、流量的關(guān)系式 H=S qv 2,其中 H為管路的阻力損失，S為管路 特性系數(shù)，qv為流量，同時(shí)假設(shè)在調(diào)節(jié)過程中水 泵和電機(jī)的效率不變（實(shí)際上由于流量的減小可能會有不同程度的下降）,則（1）式化簡為:p =:qv2H2 _：勺qv2H3:中H23qv2(a0 a1qv2 亠a2qv2

17、 ) S1qv2Sq13于零，可求出:P在qv =0.577時(shí)有一極大值，這 時(shí)：戸=38.49%。將公式（4）表示的節(jié)能潛力繪成曲線得圖2。從圖中明顯得看出，節(jié)能潛力隨相對流量的變化， 節(jié)能潛力隨流量的減小先增大，達(dá)到極大值后， 再進(jìn)一步減小流量，節(jié)能潛力反而減小。這說明 流量很小時(shí)變頻運(yùn)行和閥門節(jié)流調(diào)節(jié)運(yùn)行的能耗 趨于一致。實(shí)際上，用變頻器傳動電機(jī)與電機(jī)的工頻運(yùn)行 相比，電動機(jī)的功率因數(shù)、效率都將不同程度的 降低，這是由變頻器輸出的高次諧波分量引起的 不良影響。而且，變頻器本身也要消耗一定的功 率。加之，流量很小時(shí)水泵的效率會急劇下降， 管網(wǎng)的水力失調(diào)現(xiàn)象也會加劇。因此，即使采用 變頻調(diào)節(jié)

18、對管網(wǎng)的最小流量也要加以限制。綜合 節(jié)能潛力最大時(shí)的相對流量即=0.577和系統(tǒng)運(yùn)行 的實(shí)際情況，特別是應(yīng)保持運(yùn)行過程中的水力工 況穩(wěn)定，建議在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中qv取0.61。4、結(jié)論4.1變頻調(diào)速比閥門調(diào)速具有明顯的節(jié)能效益， 最大節(jié)能潛力高達(dá) 38.49% （理論計(jì)算值，實(shí)際上 會有所減小），在實(shí)際工作中應(yīng)積極推廣使用。4.2變頻調(diào)速比閥門調(diào)速的節(jié)能潛力為流量的函 數(shù)八戸二-83 ，并不與流量的三次方成比例。 節(jié)能潛力在qv =0.577時(shí)達(dá)到最大。為保持供熱系 統(tǒng)的最佳調(diào)節(jié)工況建議在調(diào)節(jié)過程中qv取0.61 。q=qv1 其中：qvv2qv2S1qv12 Sq23S1qv1表示相對流量，q

19、v =qv2/qv1 ；.（3）式中：S1設(shè)計(jì)工況下管路的水力特性系 數(shù)，m.（m3/s）-2；從公式（3）可以看出：變頻調(diào)速運(yùn)行比閥門4.3由于節(jié)能潛力存在極大值，在選用循環(huán)水泵 時(shí)應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行水力計(jì)算，以便正確的選擇循環(huán)水 泵，保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)：節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)的節(jié)能潛力為流量的復(fù)雜函數(shù)，并不 與流量的三次方成比例。在熱水采暖系統(tǒng)循環(huán)泵 一般選用 H qv性能曲線較平緩的水泵，在工 頻運(yùn)行的條件下，流量減小時(shí)泵的揚(yáng)程增加較小， 為便于分析設(shè) H2 H1=S1qv12,則（3）式進(jìn)一步化簡 為：?gq v2 H 2 - :-gq v H：?gq v1 H 13qv2_33 二 qv -

20、qv . = = ： qv1將公式（4）兩邊對qv求一階導(dǎo)數(shù)，并令其等1盛昌達(dá),張國權(quán)，趙家禮等.異步電動機(jī)運(yùn)行節(jié)能M.北京：水利電力出版社,19892杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù)M.北京：中國電力出版社,20013哈爾濱建筑工程學(xué)院，天津大學(xué)，西安冶金 建筑學(xué)院等.供熱工程M.北京：中國 建筑工業(yè)出版社，19804王松嶺，安連鎖.流體力學(xué)及泵與風(fēng)機(jī)（ 第二版）M.北京：中國電力出版 社,2000作者簡介：黃建恩（1970-）,男，山東沂水人，在讀碩士研究生，中國礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，主要從事節(jié)能方面的研 究。聯(lián)系電話Email:yhgree n si 聯(lián)系地址：北京市德勝門外朱辛莊華北電力大學(xué)（北京）動力系研動力 0305班35信箱圖2節(jié)能潛力曲線FIGURE 2 The cuft/e ofpotential ofcons相對流量郵 編：102206出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益 州疲弊，此誠危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈 于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇， 欲報(bào)之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德